CN116944734B - 一种耐热钢埋弧焊用烧结焊剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及焊接技术领域，具体而言，涉及一种耐热钢埋弧焊用烧结焊剂及其制备方法和应用。耐热钢埋弧焊用烧结焊剂由按照质量百分比计的如下组分组成：CaF2 80.7%~90.6%，Cr2O3 4%~11%，SiO2 4%~6%，K2O 0.1%~0.2%和Na2O 1.3%~2.1%。该焊剂在焊接过程中具有优异的稳弧型，焊后脱渣性和焊缝成形性良好，焊接后得到的焊缝成分均匀且表面形貌良好，无明显气孔、裂纹等缺陷，且所得焊缝具有优异的强度和韧性。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体而言，涉及一种耐热钢埋弧焊用烧结焊剂及其制备方法和应用。
背景技术
火电和核电用耐热钢具有高技术含量和高附加值。埋弧焊因具有焊接质量稳定、生产率高、无弧光及烟尘少等优点，被应用为耐热钢的主要焊接方法。
然而，焊接过程易导致微观组织和某些力学性能的退化。高温、高压、强腐蚀等严苛的工作条件下长期服役时，焊接接头往往是性能最薄弱之处，易发生蠕变开裂，进而导致焊接接头提前失效。研究发现，焊接接头失效的最主要原因是焊缝金属与母材等性能不匹配。如何优化焊缝金属，进一步提高焊接接头力学性能，解决焊接接头提前失效的问题，是耐热钢焊接所面临的巨大挑战。
焊剂是埋弧焊最主要的耗材之一，在焊接过程中起到稳定电弧、机械保护、控制焊缝成形和合金过渡等重要作用。焊剂的成分决定了焊接工艺性能和化学冶金性能，进而影响了焊缝的组织和力学性能。
在耐热钢的埋弧焊应用中，焊缝中的Cr元素易烧损或与O反应形成相应的氧化物迁移到渣中，同时，Si等其他合金元素与O结合从焊缝中流失，导致焊缝金属组织中析出强化相减少，细小铁素体含量减少或消失，不利于焊缝金属的强度和韧性。而过量的Cr、Si，少量Mn等元素易使焊缝中形成数量多且尺寸大的块状δ-铁素体，会大幅度降低焊缝的强韧性。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种耐热钢埋弧焊用烧结焊剂，该焊剂在焊接过程中具有优异的稳弧型，焊后脱渣性和焊缝成形性良好，焊接后得到的焊缝成分均匀且表面形貌良好，无明显气孔、裂纹等缺陷，并且所得焊缝具有优异的强度和韧性。
本发明的第二目的在于提供一种耐热钢埋弧焊用烧结焊剂的制备方法。
本发明的第三目的在于提供一种耐热钢埋弧焊用烧结焊剂在焊接中的应用。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明提供了一种耐热钢埋弧焊用烧结焊剂，所述耐热钢埋弧焊用烧结焊剂由按照质量百分比计的如下组分组成：CaF280.7%~90.6%，Cr2O34%~11%，SiO24%~6%，K2O 0.1%~0.2%和Na2O 1.3%~2.1%。
本发明又提供了一种所述的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂的制备方法，包括如下步骤：
将CaF2、Cr2O3、K2O和钠水玻璃混合均匀后进行造粒，或者，将CaF2、Cr2O3、Na2O和钾水玻璃混合均匀后进行造粒，得到颗粒料；
所述颗粒料经过烧结后，得到所述耐热钢埋弧焊用烧结焊剂。
本发明还提供了一种所述的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂在焊接中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）本发明通过采用特定组分制得的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂，可以确保焊接过程稳定，易脱渣，焊后所得的焊缝金属成分均匀，提高了焊缝的力学性能。
（2）本发明采用特定的焊剂以及特定的焊接方法对特定种类的钢进行焊接，可进一步提高焊缝金属成分和组织的均匀性以及焊缝的力学性能，并且无明显气孔、裂纹等缺陷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的实施例1的焊剂在焊接后所获得的焊缝的宏观形貌图；
图2为本发明提供的实施例2的焊剂在焊接后所获得的焊缝的宏观形貌图；
图3为本发明提供的实施例3的焊剂在焊接后所获得的焊缝的宏观形貌图；
图4为本发明提供的对比例2的焊剂在焊接后所获得的焊缝的宏观形貌图；
图5为本发明提供的实施例1的焊剂在焊接后所获得的焊缝金属的SEM图；
图6为本发明提供的实施例2的焊剂在焊接后所获得的焊缝金属的SEM图；
图7为本发明提供的实施例3的焊剂在焊接后所获得的焊缝金属的SEM图；
图8为本发明提供的实施例1的焊剂焊接所得的焊缝金属经焊后热处理后的SEM图；
图9为本发明提供的实施例2的焊剂焊接所得的焊缝金属经焊后热处理后的SEM图；
图10为本发明提供的实施例3的焊剂焊接所得的焊缝金属经焊后热处理后的SEM图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
第一方面，本发明提供了一种用于焊接耐热钢且能有效控制焊缝中的重要元素（例如Cr、Si等）含量的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂，其由按照质量百分比计的如下组分组成：CaF280.7%~90.6%，Cr2O34%~11%，SiO24%~6%，K2O 0.1%~0.2%和Na2O 1.3%~2.1%。
其中，CaF2的用量按照质量百分比计包括但不限于81%、83%、83.5%、84%、85%、86%、87%、88%、89%、90%中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值；Cr2O3的用量按照质量百分比计包括但不限于4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值；SiO2的用量按照质量百分比计包括但不限于4%、4.5%、5%、5.5%、6%中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值；K2O的用量按照质量百分比计包括但不限于0.1%、0.13%、0.15%、0.18%、0.2%中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值；Na2O的用量按照质量百分比计包括但不限于1.4%、1.6%、1.7%、1.9%、2.0%中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
焊剂的组成配比及其化学组织是影响焊后焊缝金属组织的重要影响因素之一。本发明焊剂通过采用特定用量的CaF2、Cr2O3、SiO2、K2O和Na2O，能够调整焊缝中的Cr、Si、O等含量，确保焊接过程稳定，易脱渣，确保焊后所得的焊缝金属成分均匀，组织中析出强化相数量和尺寸、δ铁素体形状和尺寸等相当，提高焊缝金属力学性能(硬度、冲击韧性、抗拉强度等性能均匀且与母材相当)。
特别是，本发明通过采用特定用量的Cr2O3，此种含Cr焊剂弥补了焊缝在其他氧化物焊剂作用下Cr元素极易流失的问题。与此同时，Cr2O3的添加可提高焊剂中SiO2在反应过程中的活度，促进Si元素向焊缝金属的过渡，在防止Cr元素损失的同时，保证了焊缝中的Si含量。在含Cr耐热钢中，Cr元素起到了极其重要的固溶强化的作用，且能提高钢材的耐腐蚀性。Si元素作为钢材中的重要元素，亦起到保证强度硬度，提高耐腐蚀性等重要作用。因此，适当用量的Cr2O3可以调控焊缝中Cr元素含量，提高SiO2活度，保证Si元素含量，从而达到提高焊缝金属硬度和韧性的作用。
同时，本发明中所添加特定用量的SiO2，可在反应中提高Cr2O3的活度，促进Cr2O3的分解及Cr元素的过渡，可在少量添加Cr2O3的情况下，达到提高焊缝中Cr元素的作用。
火电、核电用耐热钢的力学性能对O含量非常敏感，O含量较高，焊接熔池中易出现大尺寸氧化物夹杂，降低冲击韧性，甚至在使用过程中造成蠕变过早开裂等问题。因此，本发明在上述少量添加Cr2O3的情况下，既提高了焊缝中Cr元素，又可以有效的控制焊缝中的O含量。
此外，本发明所添加特定用量的CaF2能够在焊接过程中增加熔渣的流动，改善成形性，并且有效控制焊缝金属中的O含量。同时，CaF2能与熔池或空腔中的H形成不溶于液态金属的HF气体，降低了焊缝中的H含量和产生氢气孔的倾向，从而进一步提高焊缝金属的冲击韧性。另外，添加特定用量的K2O和Na2O，有利于引弧并且提高焊接电弧的稳定性。
因此，本发明提供的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂具有优异的稳弧性、焊后脱渣性，焊缝成形性好，焊接后得到的焊缝成分均匀且表面形貌良好，无明显气孔、裂纹等缺陷，所得焊缝具有优异的力学性能。
一些具体的实施方式中，所述耐热钢埋弧焊用烧结焊剂由按照质量百分比计的如下组分组成：CaF280.7%~90.6%，Cr2O34.5%~10.5%，SiO24%~6%，K2O 0.1%~0.2%和Na2O 1.3%~2.1%。
一些具体的实施方式中，所述耐热钢埋弧焊用烧结焊剂的粒度为10目~50目，包括但不限于10目、20目、30目、40目、50目中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
采用上述粒度范围的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂具有更优的焊接质量，不易产生气孔裂纹等缺陷。
第二方面，本发明提供了所述的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂的制备方法，包括如下步骤：
将CaF2、Cr2O3、K2O和钠水玻璃混合均匀得到第一湿混料，将所述第一湿混料进行第一造粒，得到第一颗粒料。第一湿混料中，钠水玻璃起到粘结剂的作用，还提供了SiO2和Na2O。其中，钠水玻璃的化学式为Na2O·nSiO2·xH2O。
或者，将CaF2、Cr2O3、Na2O和钾水玻璃混合均匀得到第二湿混料，将所述第二湿混料进行第二造粒，得到第二颗粒料。第二湿混料中，钾水玻璃起到粘结剂的作用，还提供了SiO2和K2O。其中，钾水玻璃的化学式为K2O·nSiO2·xH2O。
所述第一颗粒料或所述第二颗粒料经过烧结后，得到所述耐热钢埋弧焊用烧结焊剂。
该制备方法具有操作简单以及适合大批量生产等优点。
一些具体的实施方式中，所述钠水玻璃的模数为2.5~3.0，包括但不限于2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
一些具体的实施方式中，所述钾水玻璃的模数为2.5~3.0，包括但不限于2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
水玻璃的模数显示了水玻璃的组成，上述钠水玻璃的化学式为Na2O·nSiO2·xH2O，钾水玻璃的化学式为K2O·nSiO2·xH2O，其中模数n=SiO2/Na2O（摩尔比）或模数n=SiO2/K2O（摩尔比）。水玻璃的模数会影响耐热钢埋弧焊用烧结焊剂的化学组成，采用上述模数有利于进一步提高耐热钢埋弧焊用烧结焊剂的力学性能。
一些具体的实施方式中，所述烧结的温度为300℃~700℃，包括但不限于300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值；所述烧结的保温时间为2h~4h，包括但不限于2h、2.5h、3h、3.5h、4h中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
一些具体的实施方式中，所述颗粒料的粒度为10目~50目，包括但不限于10目、20目、30目、40目、50目中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
可以理解的是，为了获得粒度为10目~50目的颗粒料，可将造粒后粒度大于50目的颗粒进行机械破碎，粒度小于10目的重新造粒，直至粒度均为10~50目的半成品。
一些具体的实施方式中，在所述烧结之前，所述颗粒料还经过干燥。
通过干燥能够除去颗粒料中的水分，进而提高后续的焊接性能。
一些具体的实施方式中，干燥的方法可以采用任意常规的方法，例如烘干、晾干等，但不限于此。
一些具体的实施方式中，干燥的温度为200℃~400℃，包括但不限于200℃、250℃、300℃、350℃、400℃中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值；干燥的时间为0.5h~3h，包括但不限于0.5h、1h、2h、3h中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
一些具体的实施方式中，CaF2、Cr2O3、K2O或Na2O的粒度各自独立地为80~120目，包括但不限于80目、90目、100目、110目、120目中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
一些具体的实施方式中，混合在搅拌机或混料机中进行。
一些具体的实施方式中，造粒在造粒机中进行。
一些具体的实施方式中，干燥在鼓风干燥箱中进行。
一些具体的实施方式中，烧结是在马弗炉或烧结炉中进行。
第三方面，本发明提供了所述的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂在焊接中的应用，采用双丝埋弧焊，使用所述耐热钢埋弧焊用烧结焊剂对耐热钢进行焊接。
其中，双丝埋弧焊是指有两根焊丝的电弧焊接法，该焊接方法具有较高的熔敷率和焊接速度。
采用上述具有特定化学组成的焊剂对耐热钢进行焊接，能够进一步提高焊缝的均匀性和力学性能。
一些具体的实施方式中，所述耐热钢包括含Cr耐热钢。
一些具体的实施方式中，含Cr耐热钢包括火电用含Cr耐热钢和核电用含Cr耐热钢中的至少一种，但不限于此。
一些具体的实施方式中，含Cr耐热钢包括P11含Cr耐热钢、P22含Cr耐热钢、P91含Cr耐热钢、P92含Cr耐热钢和P122含Cr耐热钢中的至少一种，但不限于此。
一些具体的实施方式中，采用双丝埋弧焊进行焊接的过程中，焊剂的堆积高度为35mm~40mm；包括但不限于35mm、36mm、37mm、38mm、39mm、40mm中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
一些具体的实施方式中，采用双丝埋弧焊进行焊接的过程中，焊接速度为28cm/min~55cm/min；包括但不限于28cm/min、30cm/min、32cm/min、35cm/min、38cm/min、40cm/min、45cm/min、50cm/min、55cm/min中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
一些具体的实施方式中，采用双丝埋弧焊进行焊接的过程中，焊接线能量为18kJ/cm~65kJ/cm；包括但不限于18kJ/cm、20kJ/cm、25kJ/cm、30kJ/cm、35kJ/cm、40kJ/cm、45kJ/cm、50kJ/cm、55kJ/cm、60kJ/cm、65kJ/cm中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
一些具体的实施方式中，采用双丝埋弧焊进行焊接的过程中，采用间距为20mm~25mm的前丝和后丝，即双丝埋弧焊为双丝双电源焊接法。其中，前丝和后丝的间距包括但不限于20mm、21mm、22mm、23mm、24mm、25mm中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
一些具体的实施方式中，所述前丝采用焊接电流为500A~800A且焊接电压为25V~35V的直流电。其中焊接电流包括但不限于500A、550A、600A、650A、700A、750A、800A中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值；焊接电压包括但不限于25V、27V、29V、30V、32V、34V、35V中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
一些具体的实施方式中，所述后丝采用焊接电流为400A~680A且焊接电压为28V~36V的交流电，其中焊接电流包括但不限于400A、420A、440A、450A、490A、510A、550A、570A、600A、650A、680A中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值；焊接电压包括但不限于28V、30V、31V、32V、34V、36V中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
采用上述焊剂的堆积高度、焊接速度和线能量、焊接电流和电压等焊接参数，有利于提高脱渣性，减少焊接裂纹，提高焊缝成分及组织的均匀性，提高焊缝的强度和韧性等力学性能。
一些具体的实施方式中，焊接过程中采用含Cr焊丝与本发明所提供的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂搭配使用。
一些具体的实施方式中，含Cr焊丝包括任意的市售含Cr元素的焊丝，例如Thermanit MTS 616型焊丝和CHW-S91型焊丝，但不限于此。
一些具体的实施方式中，本发明所提供的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂在焊接中的应用，可以用于主蒸汽管道、再热蒸汽管道以及过热蒸汽管道等的焊接。
采用上述焊接方法及其焊接参数对火电及核电用耐热钢进行焊接，获得的焊缝组织均匀，力学性能优异，并且经焊后热处理后力学性能均远在标准之上，能够满足耐热钢的服役环境。
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
本实施例提供的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂由按照质量百分比计的如下组分组成：CaF288.2%，Cr2O35%，SiO25%，K2O 0.1%和Na2O 1.7%。
本实施例提供的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂的制备方法包括如下步骤：
（1）按照上述配比计算并称取粒度均为80目的CaF2882g、Cr2O350g和K2O 1g在混料机中进行干混，得到干料；然后将该干料与模数为2.8的钠水玻璃85g(含水量约20%)进行湿混造粒，得到粒度为10~50目的颗粒料。
（2）将步骤（1）制得的颗粒料在200℃下烘干2.5h，除去水分，所得焊剂颗粒料约1000g；然后将烘干后的颗粒料进行烧结，烧结的温度为350℃，保温时间为3h，冷却后得到耐热钢埋弧焊用烧结焊剂。
实施例2
本实施例提供的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂由按照质量百分比计的如下组分组成：CaF286.2%，Cr2O37%，SiO25%，K2O 0.1%和Na2O 1.7%。
本实施例提供的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂的制备方法包括如下步骤：
（1）将粒度均为100目的CaF2862g、Cr2O370g和K2O 1g在混料机中进行干混，得到干料；然后将该干料与模数为2.8的钠水玻璃85g(含水量约20%)进行湿混造粒，得到粒度为10~50目的颗粒料。
（2）将步骤（1）制得的颗粒料在250℃下烘干2h，除去水分，所得焊剂颗粒料约1000g；然后将烘干后的颗粒料进行烧结，烧结的温度为400℃，保温时间为3h，冷却后得到耐热钢埋弧焊用烧结焊剂。
实施例3
本实施例提供的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂由按照质量百分比计的如下组分组成：CaF283.2%，Cr2O310%，SiO25%，K2O 0.1%和Na2O 1.7%。
本实施例提供的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂的制备方法包括如下步骤：
（1）将粒度均为120目的CaF2832g、Cr2O3100g和K2O 1g在混料机中进行干混，得到干料；然后将该干料与模数为2.8的钠水玻璃85g(含水量约20%)进行湿混造粒，得到粒度为10~50目的颗粒料。
（2）将步骤（1）制得的颗粒料在350℃下烘干1.5h，除去水分，所得焊剂颗粒料约1000g；然后将烘干后的颗粒料进行烧结，烧结的温度为600℃，保温时间为2.5h，冷却后得到耐热钢埋弧焊用烧结焊剂。
实施例4
本实施例提供的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂由按照质量百分比计的如下组分组成：CaF280.7%，Cr2O311%，SiO26%，K2O 0.2%和Na2O 2.1%。
本实施例提供的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂的制备方法包括如下步骤：
（1）将粒度均为100目的CaF2807g、Cr2O3110g和K2O 2g在混料机中进行干混，得到干料；然后将该干料与模数为3.0钠水玻璃101g(含水量约20%)进行湿混造粒，得到粒度为10~50目的颗粒料。
（2）将步骤（1）制得的颗粒料在300℃下烘干2h，除去水分，所得焊剂颗粒料约1000g；然后将烘干后的颗粒料进行烧结，烧结的温度为450℃，保温时间为3.5h，冷却后得到耐热钢埋弧焊用烧结焊剂。
实施例5
本实施例提供的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂由按照质量百分比计的如下组分组成：CaF290.6%，Cr2O34%，SiO24%，K2O 0.1%和Na2O 1.3%。
本实施例提供的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂的制备方法包括如下步骤：
（1）将粒度均为100目的CaF2906g、Cr2O340g和K2O 1g在混料机中进行干混，得到干料；然后将该干料与模数为2.6的钠水玻璃66g(含水量约20%)进行湿混造粒，得到粒度为10~50目的颗粒料。
（2）将步骤（1）制得的颗粒料在400℃下烘干2.5h，除去水分，所得焊剂颗粒料约1000g；然后将烘干后的颗粒料进行烧结，烧结的温度为500℃，保温时间为2.5h，冷却后得到耐热钢埋弧焊用烧结焊剂。
实施例6
本实施例提供的焊接方法包括如下步骤：分别使用实施例1~3制得的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂，配合Thermanit MTS 616型焊丝(蒂森)，采用双丝埋弧焊的方法，对P92耐热钢进行焊接。其中，焊接参数如下：焊剂的堆积高度为40mm，前丝采用直流电800A/32V，后丝采用交流电675A/36V，前后丝间距为25mm，焊接速度为50cm/min，焊接线能量为60kJ/cm。
其中，采用实施例1的焊剂在焊接后所获得的焊缝的宏观形貌图如图1所示。采用实施例2的焊剂在焊接后所获得的焊缝的宏观形貌图如图2所示。采用实施例3的焊剂在焊接后所获得的焊缝的宏观形貌图如图3所示。可以看出，实施例1~实施例3的焊缝成形性好，易于脱渣。
实施例7
本实施例提供的焊接方法包括如下步骤：使用实施例3制得的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂，配合Thermanit MTS 616型焊丝(蒂森)，采用双丝埋弧焊的方法，对P92耐热钢进行焊接。其中，焊接参数如下：焊剂的堆积高度为35mm，前丝采用直流电750A/32V，后丝采用交流电490A/36V，前后丝间距为20mm，焊接速度为50cm/min，焊接线能量为50kJ/cm。
对比例1
本对比例提供的烧结焊剂由按照质量百分比计的如下组分组成：CaF293.1%，SiO25%，K2O 0.2%和Na2O 1.7%。
本对比例提供的烧结焊剂的制备方法与实施例3相同。
使用本对比例制得的焊剂，并采用实施例6的焊接方法及其参数进行焊接，获得焊缝。
对比例2
本对比例提供的烧结焊剂由按照质量百分比计的如下组分组成：CaF253.1%，Cr2O340%，SiO25%，K2O 0.2%和Na2O 1.7%。
本对比例提供的烧结焊剂的制备方法与实施例3相同。
使用本对比例制得的焊剂，并采用上述实施例6提供的焊接方法及其参数进行焊接，焊后所得焊缝的宏观图如图4所示。可以看出，对比例2的焊缝表面粘着渣粒明显，这表明本对比例制得的焊剂脱渣性差，不适用于耐热钢的焊接。
对比例3
本对比例提供的烧结焊剂由按照质量百分比计的如下组分组成：CaF264.64%，Cr2O310%，SiO225%，K2O 0.2%和Na2O 1.7%。
本对比例提供的烧结焊剂的制备方法与实施例3相同。
使用本对比例制得的焊剂，并采用实施例6的焊接方法及其参数进行焊接，获得焊缝。
对比例4
本对比例提供的烧结焊剂及其制备方法与对比例1相同。
本对比例提供的焊接方法与对比例1基本相同，区别在于：焊剂的堆积高度为30mm，前丝采用直流电950A/36V，后丝采用交流电850A/38V，前后丝间距为25mm，焊接速度为40cm/min，焊接线能量为100kJ/cm。
检测实施例6中所用耐热钢和焊丝的成分，并分别检测实施例1~5以及对比例1~3获得的焊缝的化学成分，结果如表1所示。
其中，O元素含量和N元素含量通过氧氮分析仪（ONH836，LECO）测试；C元素含量通过红外碳硫分析仪（CS230，LECO）测试；其余元素通过电感耦合等离子体发射光谱仪（Optima 8300DV，PE）测试。
表1 耐热钢、焊丝以及各焊缝金属的化学成分：
从表1可以看出，对比例1中Cr含量有所减少，说明在焊接过程中Cr会通过蒸发等形式从焊缝中有一定的流失。对比例2的焊剂中Cr2O3含量较高，焊剂熔点较高且焊接过程中粘渣严重，焊缝成型性差且所得焊缝金属中Cr含量过渡不明显。
而实施例1~5所制得的焊缝金属中，Cr元素的含量比母材有所提升，说明可以通过合金过渡使焊缝增加一定的Cr。同时，实施例1~5所制得的焊缝中Si、O等含量亦控制在合理范围内。各实施例达到焊缝金属的微合金化处理，将有助于提高焊缝的硬度和冲击韧性。
分别对各实施例和各对比例获得的焊缝进行力学性能测试，结果如表2所示。
并分别对各实施例和各对比例获得的焊缝金属进行焊后热处理(PWHT)，焊后热处理温度为760℃，时间为3h。然后对焊后热处理的焊缝进行力学性能测试，结果如表3所示。
其中，显微硬度测试参照GB/T 27552-2011进行制样、检测，测试所采用的仪器为HXD-1000TMC/LCD型显微硬度计(上海泰明光学仪器有限公司)。
焊缝中δ铁素体含量的测试方法如下：在金相显微镜（GX51，日本奥林巴斯公司）下将焊缝取样进行200倍放大，运用截线法多次测量50个视场后取平均值测得。
室温冲击功检测参照GB/T 2650-2008进行制样、检测，测试所采用的仪器为JBW-500摆锤式冲击试验机(济南试金集团有限公司)。
焊缝拉伸测试依据GB/T 2651-2008进行制样、测试，所采用的仪器为KRDM-100G万能试验机(济南凯锐试验机制造有限公司)。
表2 各焊缝金属的力学性能：
表3 焊后热处理后各焊缝金属的力学性能：
由表2和表3可以看出，对比ASTM A355/A 355M标准规定，本发明各实施例的焊剂焊接后经焊后热处理得到的焊缝金属的平均显微硬度、抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和冲击功均符合标准。而对比例1~4由于组分或其配比关系不适宜，导致全部或部分指标不符合标准；其中，对比例2焊剂粘度较大，焊缝成型性差，熔深较浅，未具备力学性能检测的条件；对比例4由于采用了不适宜的焊接参数，导致力学性能较对比例1进一步下降。
进一步地，对实施例1~3所得焊缝金属进行扫描电镜（SEM）测试，结果分别如图5、图6和7所示；对应焊后热处理后所得焊缝金属SEM结果分别如图8、图9和10所示。
由实施例1~3制得的焊缝SEM图及经焊后热处理后的焊缝SEM图可以看出，焊缝中主要以马氏体为主，并含有少量的δ铁素体，这样既保证了焊缝金属的强度，也得到适当的冲击韧性。
综上所述，本发明所提供的耐热钢烧结焊剂，具有焊后成型性良好，焊缝表面光滑，以及脱渣性较好等优点，解决了传统焊剂成本高、性能不稳定等问题。因此，本发明提供的烧结焊接能有效应用于火电核电用耐热钢的焊接，尤其是含Cr耐热钢的焊接。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，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；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。
Claims (10)
1.一种耐热钢埋弧焊用烧结焊剂，其特征在于，所述耐热钢埋弧焊用烧结焊剂由按照质量百分比计的如下组分组成：CaF2 80.7%~90.6%，Cr2O3 4%~11%，SiO2 4%~6%，K2O 0.1%~0.2%和Na2O 1.3%~2.1%。
2.根据权利要求1所述的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂，其特征在于，所述耐热钢埋弧焊用烧结焊剂的粒度为10目~50目。
3.一种如权利要求1或2所述的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将CaF2、Cr2O3、K2O和钠水玻璃混合均匀后进行造粒；或者，将CaF2、Cr2O3、Na2O和钾水玻璃混合均匀后进行造粒，得到颗粒料；
所述颗粒料经过烧结后，得到所述耐热钢埋弧焊用烧结焊剂。
4.根据权利要求3所述的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂的制备方法，其特征在于，所述钠水玻璃的模数为2.5~3；
或者，所述钾水玻璃的模数为2.5~3。
5.根据权利要求3所述的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂的制备方法，其特征在于，所述烧结的温度为300℃~700℃，所述烧结的保温时间为2h~4h。
6.根据权利要求3所述的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂的制备方法，其特征在于，所述颗粒料的粒度为10目~50目。
7.根据权利要求3所述的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂的制备方法，其特征在于，在所述烧结之前，所述颗粒料还经过干燥。
8.一种如权利要求1或2所述的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂在焊接中的应用，其特征在于，采用双丝埋弧焊，使用所述耐热钢埋弧焊用烧结焊剂对耐热钢进行焊接。
9.根据权利要求8所述的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂在焊接中的应用，其特征在于，所述耐热钢包括含Cr耐热钢。
10.根据权利要求8所述的耐热钢埋弧焊用烧结焊剂在焊接中的应用，其特征在于，所述焊接包括如下特征（1）至（4）中的至少一项：
（1）焊剂的堆积高度为35mm~40mm；
（2）焊接速度为28cm/min~55cm/min；
（3）焊接线能量为18kJ/cm~65kJ/cm；
（4）采用间距为20mm~25mm的前丝和后丝；所述前丝采用焊接电流为500A~800A且焊接电压为25V~35V的直流电；所述后丝采用焊接电流为400A~680A且焊接电压为28V~36V的交流电。
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| GR01 | Patent grant | ||
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