CN116275690A

CN116275690A - 一种用于马氏体不锈钢水轮机转轮补焊的不锈钢焊丝及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN116275690A
Application number: CN202211674780.9A
Authority: CN
Inventors: 陈波; 李向阳; 焦帅杰; 周宝金; 王国佛; 金喜庆; 王慧源; 郝增龙; 毕沿苹; 徐亦楠; 张胜鹏; 李丹晖; 诸葛福乾
Original assignee: Harbin Well Welding Co ltd
Current assignee: Harbin Well Welding Co ltd
Priority date: 2022-12-26
Filing date: 2022-12-26
Publication date: 2023-06-23

Abstract

本发明公开了一种用于马氏体不锈钢水轮机转轮补焊的不锈钢焊丝及其制备方法和应用，属于金属焊接材料制备技术领域。本发明提供的焊丝化学成分按重量百分比表示：C≤0.03％，Si：0％～0.6％，Mn：5.0％～8.0％，S≤0.010％，P≤0.020％，Cr：12.5％～15.5％，Ni：5.0％～7.0％，Mo：1.0％～2.0％，余量为Fe和杂质。本发明提供的焊丝适用于Cr13Ni4～6型马氏体不锈钢的补焊，且焊后可不热处理。该焊丝的焊后熔敷金属具有良好的强度、塑性及韧性，抗拉强度≥750MPa，断后伸长率≥35％，‑40℃冲击吸收能量≥120J。

Description

一种用于马氏体不锈钢水轮机转轮补焊的不锈钢焊丝及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种用于马氏体不锈钢水轮机转轮补焊的不锈钢焊丝及其制备方法和应用，属于金属焊接材料制备技术领域。

背景技术

超级马氏体不锈钢的强度高，同时兼有良好的耐空蚀、耐泥沙磨损和抗水下疲劳性能，被广泛用于制造大型水轮机转轮。转轮工厂制造过程中选用同材质的超级马氏体不锈钢焊材来焊接，焊接接头表现出明显的淬硬倾向，当焊接接头的拘束度较大或氢含量较高时，很容易导致冷裂纹的产生，需要进行焊前100℃以上预热，焊后580℃回火的热处理，来提高其塑韧性。

水轮机转轮铸件在铸造时不可避免地存在裂纹、砂眼、疏松和缩孔等缺陷。在转轮焊接过程中，还可能出现焊接质量不良的问题，主要表现在夹渣、夹杂、气孔、微裂纹、过熔或欠熔等方面，另外焊接接头处还存在较大的残余应力和应力集中，残余拉应力接近甚至超出材料的屈服极限，诱发转轮产生裂纹。铸造和焊接时产生的缺陷均会降低材料的强度和韧塑性，加快裂纹的形成和扩展。水电机组在含有泥沙的河流中长期运行，其转轮、导叶等过流部件均会因为汽蚀和泥沙磨损产生不同程度的损坏，如过流部件的掉边、掉块、穿孔、开裂等，甚至使水轮机转轮叶片发生断裂。以上问题不仅降低了水轮机的发电效率，减少了发电量，对电厂的经济效益影响巨大，而且还严重威胁着水电机组的安全、稳定运行。因此对水轮机转轮进行修复具有重要的意义。

现有水轮机转轮补焊采用的焊接方法有GTAW、GMAW或SMAW等。当采用等匹配的超级马氏体不锈钢焊接材料时，由于焊缝金属为马氏体组织，其淬硬倾向大，在热力不平衡的条件下会形成大量的晶格缺陷，在焊接应力的作用下，易产生冷裂纹。为了减轻脆化倾向，防止冷裂纹产生，要求补焊前对补焊区域进行预热处理，一般预热到100℃以上。当采用低匹配的奥氏体不锈钢焊接材料时，由于焊缝金属为奥氏体组织，其线膨胀系数大、导热系数小，补焊修复会导致热应变和热应力的增大，补焊部位及热影响区附近残余应力偏高，会导致裂纹的产生。且奥氏体与马氏体两种组织的线膨胀系数相差较大，焊接过程中会形成较大的残余应力，加速转轮疲劳裂纹的扩展以及汽蚀的形成。进一步的焊缝金属与母材的化学成分与显微组织均存在很大的差异，此时在焊接缺陷处很容易产生电极电位的不平衡，导致电化学腐蚀。

残余拉应力会加速疲劳裂纹的形成和扩展，严重降低材料的疲劳性能。为改善补焊中产生的焊接应力，焊后需要进行退火热处理，对转轮整体进行退火热处理，温度(575±15)℃，保温7～8h。

转轮在现场安装及运行过程中的定期修复，因现场条件限制难以进行预热或焊后热处理，因此提供一种采用冷焊、且焊后不需热处理的补焊焊材和工艺是十分必要的。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的上述技术问题，提供一种不用预热和焊后热处理的用于马氏体不锈钢水轮机转轮补焊的不锈钢焊丝及其制备方法和应用。

本发明的技术方案：

本发明的目的之一是提供一种不锈钢焊丝，该焊丝的化学成分按重量百分比表示：C≤0.03％，Si 0～0.6％，Mn 5.0～8.0％，S≤0.010％，P≤0.020％，Cr 12.5～15.5％，Ni 5.0～7.0％，Mo 1.0～2.0％，余量为Fe和杂质。

本发明的焊丝中含有的各组分的作用简述如下：

C为奥氏体形成元素，淬火后得到马氏体组织。C元素过高会降低熔敷金属的韧性，同时会增加马氏体不锈钢的淬硬倾向，使材料的焊接性变差。C与Cr结合生成Cr₂₃C₆，沿晶界析出，引起晶界Cr含量降低，造成晶间腐蚀，因此，C含量控制在0.03％以下。优选地，C含量为≤0.015％。

Si既可作为合金元素，又存在有害作用。首先，Si可以作为脱氧剂，参加脱氧反应，能降低金属中杂质元素O的含量，少量的Si能够改善TIG焊的工艺性，增加液态金属的浸润性，改善焊道成形以及降低夹渣、未熔合等缺陷的发生率，另外Si还具有固溶强化、抑制回火脆性等作用；但另一方面，Si能够形成低熔点共晶物，增加热裂纹敏感性，因此在合金设计时要考虑Si的因素。本发明设计Si的含量控制在0％～0.6％之间。

Mn的加入有利于奥氏体不锈钢的抗结晶开裂性能。一方面，Mn优先与S结合形成MnS(熔点1610℃)，减小S形成低熔点共晶物(如：Ni-Ni₃S₂熔点645℃)的倾向，使得奥氏体-硫化物共晶温度提高；另一方面，增加固液相表面能，减小晶界低熔点共晶液膜形成的可能性，抑制了S、P的不利作用，从而降低熔敷金属结晶裂纹形成倾向。同时，Mn又是脱氧剂，可降低焊缝金属中的含氧量，减少了形成硅酸盐的条件，一般认为，在焊缝金属中加入1％的Mn就可以达到脱S的目的，但是在焊缝金属中Mn有强烈的偏析倾向，在焊缝中存在贫Mn区和富Mn区。当焊缝中含Mn量不足时，贫Mn区会因缺Mn达不到脱S的目的而产生高温裂纹，因此焊缝中应含有足够的Mn，即使存在偏析，也保证贫Mn区能够有足够的Mn脱S，从而降低S的有害作用，提高材料的抗裂纹敏感性。总的来看，Mn元素在焊丝熔敷金属中以氧化物的形式存在于晶界上，起到了钉扎晶界，阻止晶界滑移的作用，另外，Mn的加入降低了S和P等杂质的有害作用，提高了材料抗沿晶裂纹的敏感性。优选地，Mn：5.0％～8.0％。

P对不锈钢的影响与S相似，它在合金中虽含量很少，但不能低估它的有害作用，P在合金中主要是与Ni形成低熔点共晶物，偏析于晶界，增大半熔化区宽度，促使裂纹倾向增大，所以，P在不锈钢中含量必须控制，该发明中控制P含量≤0.020％。优选地，P含量为≤0.010％。

Ni的固溶强化作用可以提高钢的强度。作为奥氏体形成元素，Ni可以扩大奥氏体相区，淬火后获得马氏体组织。Ni元素有助于提高钢的塑性和韧性，尤其使钢的低温韧性得到显著改善。但是Ni元素含量过高时会使钢失去淬透能力。优选地，Ni：5.0％～7.0％。

Cr是不锈钢防锈的主要作用元素，不锈钢一般至少含有10.5％质量分数的Cr元素，它在基体材料的表面形成抗氧化和抗腐蚀的保护层，使不锈钢具备基本的耐腐蚀性能。Cr作为铁素体形成元素，会促进马氏体不锈钢中铁素体的形成和残留，缩小相图中的奥氏体相区，含量过多时甚至会造成钢从高温冷却下来不能获得马氏体组织。Cr作为碳化物形成元素，与C的亲和力较强，可以形成富铬碳化物析出而使马氏体不锈钢的耐腐蚀性降低，另外Cr还可以与N形成氮化物，在含N量较高的钢中会产生中温回火脆性。优选地，Cr：12.5％～15.5％。

Mo在不锈钢中主要是用抗氧化和防腐蚀。不锈钢中加入Mo，可以提高材料抗点蚀、缝隙腐蚀以及硫化物应力开裂的能力。另外马氏体不锈钢中添加Mo元素形成碳化物时会使钢产生二次硬化，提高钢的强度。Mo元素能够抑制碳、氮化合物在焊缝金属中的沿晶析出，增加耐回火脆性，从而提高焊缝的韧性。但是Mo元素的添加不利于材料的热加工。作为铁素体形成元素，Mo会促进马氏体不锈钢中铁素体的形成和残留，损害钢的塑性和韧性。本发明Mo含量控制在1.0％～2.0％，优选的Mo含量为1.5％。

进一步限定，焊丝的化学成分按重量百分比表示：C≤0.03％，Si 0.2～0.6％，Mn5.0～8.0％，S≤0.010％，P≤0.020％，Cr 12.5～15.5％，Ni 5.0～7.0％，Mo 1.0～2.0％，余量为Fe和杂质。

进一步限定，焊丝的化学成分按重量百分比表示：Mn：5.0％～8.0％，Cr：12.5％～15.5％，Ni：5.0％～7.0％，Mo：1.0％～2.0％，余量为Fe和杂质。

进一步限定，焊丝的化学成分按重量百分比表示：C 0.0084％，Si 0.36％，Mn6.36％，S 0.0042％，P 0.009％，Cr 13.6％，Ni 6.2％，Mo 1.5％，余量为Fe和杂质。

进一步限定，焊丝的化学成分按重量百分比表示：C 0.015％，Si 0.46％，Mn7.3％，S0.0035％，P 0.011％，Cr 13.2％，Ni 6.0％，Mo 1.4％，余量为Fe和杂质。

进一步限定，焊丝的化学成分按重量百分比表示：C 0.013％，Si 0.52％，Mn5.4％，S0.0053％，P 0.0094％，Cr 13.8％，Ni 6.6％，Mo 1.3％，余量为Fe和杂质。

本发明的目的之二是提供一种上述不锈钢焊丝的制备方法，该方法包括冶炼、电渣重熔、锻造、轧制和拉拔工艺。

本发明的目的之三是提供一种上述不锈钢焊丝的应用，具体的该焊丝用于补焊Cr13Ni4～6型马氏体不锈钢水轮机转轮。

进一步限定，补焊时不需进行热处理工序。

本发明的目的之四是提供一种上述不锈钢焊丝的焊接工艺，具体的采用钨极氩弧焊进行焊接，电流类型为DCEN，焊接电流为140～180A，保护气体为Ar，焊接过程中气体流量为15-20L/min，层间温度小于150℃。

进一步限定，上述不锈钢焊丝的熔敷金属的抗拉强度≥750MPa，断后伸长率≥35％，-40℃冲击吸收能量≥120J。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提供的不锈钢焊丝采用Fe-Cr-Ni合金体系，在严格控制S、P元素含量的基础上，加入了Mn、Mo合金元素，使得焊丝熔敷金属组织为马氏体+铁素体+奥氏体，含有三相组织接头的抗拉强度不但能达到母材强度的要求，并且具有很高的塑性储备，冷裂纹敏感性远远低于马氏体类焊接材料，综合力学性能介于马氏体和奥氏体之间。按照标准GB4675.1-1984《斜Y型坡口焊接裂纹试验方法》进行铁研试验，按照标准GB 9446-1988《焊接用插销冷裂纹试验方法》进行插销试验，对焊接材料的焊接冷裂纹敏感性进行评价，结果表明本发明提供的焊丝焊接马氏体不锈钢焊接接头后不进行热处理，未产出裂纹。

(2)本发明的焊丝中含有5.0％～8.0％的Mn元素，焊缝中出现了一定量的奥氏体组织，使焊缝金属具有较高的塑性和韧性，能够松弛焊接应力，有助于降低接头的冷裂倾向。同时Mn元素也提高了材料的加工硬化率，在变形过程中能吸收较高的能量而利用变形较多地吸收空化和泥沙磨损过程中引起破坏的能量，具有优良的耐空蚀性能和耐泥沙磨损性能。

(3)本发明提供的不锈钢焊丝的焊后熔敷金属抗拉强度≥750MPa，断后伸长率≥35％，-40℃冲击吸收能量≥120J，可用于大型水电站马氏体不锈钢水轮机转轮的补焊，且焊后熔敷金属的抗裂性优异，可免除焊前预热和焊后热处理的程序，提高焊接生产效率并降低生产成本。

(4)本发明提供的不锈钢焊丝，可适用于TIG焊接方法，焊接过程稳定，焊缝成形美观。

附图说明

图1为实施例1获得的不锈钢焊丝的熔敷金属金相组织图；

图2为实施例2获得的不锈钢焊丝的熔敷金属金相组织图；

图3为实施例3获得的不锈钢焊丝的熔敷金属金相组织图；

图4为对比例1提供的不锈钢焊丝的熔敷金属金相组织图；

图5为对比例2提供的不锈钢焊丝的熔敷金属金相组织图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。

实施例1：

本实施例提供的适用于补焊水轮机转轮的不锈钢焊丝的化学成分按重量百分比表示为：C：0.0084％，Si：0.36％，Mn：6.36％，S：0.0042％，P：0.009％，Cr：13.6％，Ni：6.2％，Mo：1.59％，余量为Fe和杂质，详见表1。

上述补焊水轮机转轮的不锈钢焊丝通过冶炼→电渣重熔→锻造→轧制→拉拔工艺制备，制成规格为Φ2.4×1000mm的焊丝。

上述不锈钢焊丝制备了TIG焊熔敷金属，焊接电流类型为DCEN，焊接电流为160A，保护气体为Ar，焊接过程中气体流量为20L/min，层间温度小于150℃。熔敷金属进行了拉伸性能、冲击性能测试及金相组织观察，结果如表2所示，金相组织如图1所示。

利用上述焊丝焊接了0Cr13Ni5Mo低碳马氏体不锈钢焊接接头试板，按照标准GB4675.1-1984《斜Y型坡口焊接裂纹试验方法》进行铁研试验，按照标准GB 9446-1988《焊接用插销冷裂纹试验方法》进行插销试验，进行冷裂纹敏感性评价试验，结果如表3所示。

实施例2：

本实施例与实施例1的不同处为：不锈钢焊丝的化学成分按重量百分比表示为：C：0.015％，Si：0.46％，Mn：7.3％，S：0.0035％，P：0.011％，Cr：13.2％，Ni：6.0％，Mo：1.4％，余量为Fe和杂质，详见表1，其余操作步骤以及参数设定与实施例1相同。熔敷金属金相组织如图2所示。

实施例3：

本实施例与实施例1的不同处为：不锈钢焊丝的化学成分按重量百分比表示为：C0.013％，Si 0.52％，Mn 5.4％，S 0.0053％，P 0.0094％，Cr 13.8％，Ni 6.6％，Mo1.3％，余量为Fe和杂质，详见表1，其余操作步骤以及参数设定与实施例1相同。熔敷金属金相组织如图3所示。

对比例1：

本对比例与实施例1的区别为：不锈钢焊丝的牌号为ER410NiMo，化学成分按重量百分比表示为：C 0.012％，Si 0.45％，Mn 0.54％，S 0.011％，P 0.014％，Cr 12.2％，Ni4.7％，Mo 0.45％，余量为Fe和杂质，详见表1，其余操作步骤以及参数设定与实施例1相同。熔敷金属金相组织如图4所示。

对比例2：

本对比例与实施例1的区别为：不锈钢焊丝的牌号为ER308L，化学成分按重量百分比表示为：C 0.013％，Si 0.5％，Mn 2.1％，S 0.01％，P 0.018％，Cr 19.8％，Ni 9.86％，Mo 0.01％，余量为Fe和杂质，详见表1，其余操作步骤以及参数设定与实施例1相同。熔敷金属金相组织如图5所示。

表1实施例和对比例焊丝的化学成分(重量百分比，％)

表2熔敷金属力学性能测试和组织观察结果

表3焊接接头抗冷裂性能评价

	冷裂敏感性试验
		实施例1	无裂纹
实施例2	无裂纹
		实施例3	无裂纹
对比例1	有裂纹
		对比例2	无裂纹

由上表1-表3可知，对比例2以奥氏体为主的不锈钢焊丝熔敷金属的抗拉强度偏低，应力和应变多集中于焊接接头处而促使裂纹的产生，降低了焊接接头的疲劳寿命。另外奥氏体不锈钢的强度和硬度偏低，使得焊接接头的耐空蚀性能、抗磨损性能较差。对比例1以超级马氏体为主的不锈钢焊丝熔敷金属的塑性、韧性较差，具有很高的冷裂纹敏感性，焊接时易产生冷裂纹，同时焊接接头有明显的脆化倾向。本发明提供的不锈钢焊丝的焊后熔敷金属抗拉强度≥750MPa，断后伸长率≥35％，-40℃冲击吸收能量≥120J，在焊态时仍然具有优异的综合力学性能，兼具马氏体不锈钢较高的强度、硬度和奥氏体不锈钢良好的塑性和韧性，综上可知，本发明提供的不锈钢焊丝的抗冷裂性能、耐空蚀性能和抗磨损性能俱佳。

最后应说明的是：以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种不锈钢焊丝，其特征在于，焊丝的化学成分按重量百分比表示：C≤0.03％，Si 0～0.6％，Mn 5.0～8.0％，S≤0.010％，P≤0.020％，Cr 12.5～15.5％，Ni 5.0～7.0％，Mo1.0～2.0％，余量为Fe和杂质。

2.根据权利要求1所述的不锈钢焊丝，其特征在于，焊丝的化学成分按重量百分比表示：Mn：5.0％～8.0％，Cr：12.5％～15.5％，Ni：5.0％～7.0％，Mo：1.0％～2.0％，余量为Fe和杂质。

3.根据权利要求1所述的不锈钢焊丝，其特征在于，焊丝的化学成分按重量百分比表示：C 0.0084％，Si 0.36％，Mn 6.36％，S 0.0042％，P 0.009％，Cr 13.6％，Ni 6.2％，Mo1.5％，余量为Fe和杂质。

4.根据权利要求1所述的不锈钢焊丝，其特征在于，焊丝的化学成分按重量百分比表示：C 0.015％，Si 0.46％，Mn 7.3％，S 0.0035％，P 0.011％，Cr 13.2％，Ni 6.0％，Mo1.4％，余量为Fe和杂质。

5.根据权利要求1所述的不锈钢焊丝，其特征在于，焊丝的化学成分按重量百分比表示：C 0.013％，Si 0.52％，Mn 5.4％，S 0.0053％，P 0.0094％，Cr 13.8％，Ni 6.6％，Mo1.3％，余量为Fe和杂质。

6.一种权利要求1所述的不锈钢焊丝的制备方法，其特征在于，包括冶炼、电渣重熔、锻造、轧制和拉拔工艺。

7.一种权利要求1所述的不锈钢焊丝的应用，其特征在于，用于补焊Cr13Ni4～6型马氏体不锈钢水轮机转轮。

8.根据权利要求7所述的不锈钢焊丝的应用，其特征在于，补焊时不需进行热处理工序。

9.一种权利要求1所述的不锈钢焊丝的焊接工艺，其特征在于，采用钨极氩弧焊进行焊接，电流类型为DCEN，焊接电流为140～180A，保护气体为Ar，焊接过程中气体流量为15-20L/min，层间温度小于150℃。

10.一种权利要求1所述的不锈钢焊丝的熔敷金属，其特征在于，抗拉强度≥750MPa，断后伸长率≥35％，-40℃冲击吸收能量≥120J。