阅读说明：本技术 一种与高Mn、高Nb抗裂纹缺陷的镍基焊带配套使用的焊剂及焊接方法 (Welding flux matched with nickel-based welding strip with high Mn content and high Nb content and capable of preventing crack defects and welding method ) 是由 徐锴 冯伟 邹力维 曹宇堃 胡晓波 张庆素 魏涛 韩宇 刘满雨 陈绍维 吉荣亮 于 2019-10-08 设计创作，主要内容包括：一种与高Mn、高Nb抗裂纹缺陷的镍基焊带配套使用的焊剂及焊接方法,本发明一种与高Mn、高Nb抗裂纹缺陷的镍基焊带配套使用的焊剂及焊接方法。本发明的目的是为了提供一种与高Mn、高Nb抗裂纹缺陷的镍基焊带配套使用的焊剂及焊接方法。本发明焊剂是由CaF<Sub>2</Sub>、SiO<Sub>2</Sub>、Al<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>、CaO、MgO、Cr<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>、铁合金或NaF、S和P组成。焊接的方法为：焊接电流950-1100A,焊接电压28V,焊接速度180mm/min,堆焊层厚度30mm。本发明攻克了同类产品裂纹敏感性高的问题,提出了高Mn、高Nb新型合金成分,解决了工程应用大厚度热裂纹问题。本发明应用于核电焊接领域。(The invention discloses a welding flux and a welding method matched with a nickel-based welding strip with high Mn and high Nb crack resistance defects. The invention aims to provide a welding flux matched with a nickel-based welding strip with high Mn and Nb cracking resistance and a welding method. The flux of the invention is made of CaF 2 、SiO 2 、Al 2 O 3 、CaO、MgO、Cr 2 O 3 Iron alloy or NaF, S and P. The welding method comprises the following steps: the welding current is 950-1100A, the welding voltage is 28V, the welding speed is 180mm/min, and the thickness of the overlaying layer is 30 mm. The invention solves the problem of high crack sensitivity of similar products, provides novel alloy components with high Mn and high Nb, and solves the problem of large-thickness thermal cracking in engineering application. The invention is applied to the field of nuclear power welding.)

一种与高Mn、高Nb抗裂纹缺陷的镍基焊带配套使用的焊剂及 焊接方法

技术领域

本发明涉及一种与高Mn、高Nb抗裂纹缺陷的镍基焊带配套使用的焊剂及焊接方法。

背景技术

随着核电工业的发展，压水堆核电站蒸汽发生器管板一侧表面需要大面积堆焊镍基合金，其中带极堆焊材料为最常用的方法，堆焊效率较高，焊接方式包括：带极电渣堆焊和带极埋弧焊堆焊，但埋弧型焊剂应用较广。根据核电技术和腐蚀介质要求，其材料从INCONEL 600逐渐发展到INCONEL 690材料，目前三代核电技术蒸汽发生器管板堆焊材料均采用INCONEL 690材料，INCONEL 690经历了从EQNiCrFe-7到EQNiCrFe-7A，其中EQNiCrFe-7A使用较多，但还存在DDC裂纹等一些问题没有解决，目前焊带已经发展到EQNiCrFe-14，但裂纹敏感性还是较大，为此技术成果通过系统试验研究，通过添加抗裂纹缺陷的合金元素如Mn、Nb解决了大厚度堆焊裂纹敏感性问题,但现在针对这种焊带还没有开发相应埋弧型焊剂或不成熟，为此新型焊剂的开发变得尤为重要，可满足工程实际需要。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种与高Mn、高Nb抗裂纹缺陷的镍基焊带配套使用的焊剂及焊接方法。

本发明一种与高Mn、高Nb抗裂纹缺陷的镍基焊带配套使用的焊剂按质量份数是由25-50份CaF₂、5-20份SiO₂、10-40份Al₂O₃、8-20份CaO、4-15份MgO、Cr₂O₃≤5份、铁合金≤8份、S≤0.015份和P≤0.02份组成。

本发明一种与高Mn、高Nb抗裂纹缺陷的镍基焊带配套使用的焊剂按质量份数是由25-50份CaF₂、5-20份SiO₂、10-40份Al₂O₃、8-20份CaO、4-15份MgO、Cr₂O₃≤5份、NaF≤5份、S≤0.015份和P≤0.02份组成。

利用高Mn、高Nb抗裂纹缺陷的镍基焊带以及配套焊剂进行焊接的方法为：用高Mn、高Nb抗裂纹缺陷的镍基焊带以及配套焊剂采用带极埋弧堆焊技术进行堆焊，得到堆焊金属；其中埋弧焊工艺参数为：焊接电流950-1100A，焊接电压28V，焊接速度180mm/min，堆焊层厚度30mm。

本发明提供了一种新型焊带匹配的埋弧型烧结焊剂，该焊剂的成分设计合理，既能保证堆焊层的裂纹敏感性，又具有较宽的焊接工艺参数。有效的杂质元素控制，合理的碱度设计，解决多层焊工艺性能易出现粘渣、咬边现象。

CaF₂：主要作用是起到造渣、脱硫、去氢作用。由于镍基合金的粘度较大，一般需要增加堆焊金属的摊开性，减少咬边等倾向，CaF₂过低，焊剂脱渣性能下降，熔渣粘度增大，成型不良，搭接过程中出现咬边现象，为此希望尽量高些，但是过高降低堆焊金属成型，电弧形式不明显，同时带入过多的杂质元素，增加镍基裂纹敏感性。

SiO₂：主要作用是脱渣，改善工艺性能，但是含量过多的时候，使氧化性增强，加大堆焊层合金元素的烧损，降低堆焊金属的力学性能和腐蚀性能，同时过多的SiO₂也将会导致焊缝金属增硅，增加堆焊金属的裂纹敏感性，为此SiO₂优选含量控制在5-15％。

Al₂O₃:主要作用是脱渣，属于中性氧化物，可以改善焊缝成型，当含量过低时，熔渣的熔点和粘度较低，覆盖性较差，焊道波纹较粗，当含量过高时，熔渣的熔点增加，焊道的高温停留时间较短，导致摊开性较差，焊道易出现咬边现象，同时波纹***。

CaO：主要作用是造渣，调整碱度的作用，稳定电弧的作用，防止飞溅有一定好处，同时CaO具有脱S的作用，可以改善镍基堆焊金属的纯净度，但含量过高会影响焊缝成型，脱渣困难。

MgO：主要是造渣，提高熔渣的碱度，但是MgO熔点较高，加入过高，多提高熔渣凝固温度，抑制渣的流动性，加入量超过15％时候，会使焊道成型变差，脱渣困难。

Cr₂O₃:改善焊缝成形，对脱渣有一定的好处。

NaF：增加堆焊金属的润湿性，防止咬边。

合金剂(铁合金)：主要作用是脱氧和补充合金烧损，同时加入一定量的合金为了降低镍基裂纹敏感性，改善金属的力学性能。

本发明在总结目前成熟的镍基合金焊接材料的基础上，综合考虑各合金元素对镍基合金焊接材料力学性能、耐蚀性能及抗裂性能的影响，优化合金成分，从而保证研制镍基合金焊接材料性能达标，在焊接过程中镍基合金具有较高的焊接热裂纹敏感性，在弧坑易产生裂纹，晶间液膜是引发镍基合金单相组织凝固裂纹的最主要冶金因素，内部成分不均匀或熔池不洁净，有C、S、P、Si等元素在熔池中形成低熔点共晶，结晶过程中杂质偏析现象比较严重，为防止焊接热裂纹的产生，必须控制S、P等杂质的含量，以提高熔敷金属的纯净度。首先，严格控制焊剂杂质元素C、SiO₂、S、P含量。选用含S、P等杂质元素低的粉料和合金作为焊剂制备原材料，调整合金化元素Nb、Ti、Mn和Mo等的含量，以降低熔敷金属结晶裂纹和DDC的敏感性。既要保证堆焊金属各项力学性能和裂纹敏感性，又要具有良好的焊接工艺性能，特别是多层焊接工艺性能，镍基材料的粘度较大，焊接多层焊过程中易出现粘渣现象，为此要求开发的焊剂，具有合理的成分设计，焊剂碱度适中，工艺适应性较强。

本发明涉及的镍基埋弧堆焊焊剂，匹配新型镍基高Mn高Nb焊带，适合于反应堆压力容器、蒸汽发生器管板堆焊等重要结构件的堆焊，发明的埋弧型焊剂，脱渣性能优良，焊道摊开性较好，无咬边现象，多层焊接不粘渣，脱渣容易，解决了镍基材料堆焊层结晶裂纹，DDC裂纹等关键指标。本发明焊剂杂质含量低，尽量减少原材料中带来的有害杂质，降低焊剂中的S、P含量，保证焊缝金属的纯净度。加入了CaO和铁合金进一步增加堆焊金属的脱S、P效果。通过焊带的Mn、Nb合金元素控制，找到最佳成分配比，攻克了同类产品裂纹敏感性高的问题，提出了S+Si的含量技术指标，解决了工程应用大厚度热裂纹问题，其他性能指标合格。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种与高Mn、高Nb抗裂纹缺陷的镍基焊带配套使用的焊剂按质量份数是由25-50份CaF₂、5-20份SiO₂、10-40份Al₂O₃、8-20份CaO、4-15份MgO、Cr₂O₃≤5份、铁合金≤8份、S≤0.015份和P≤0.02份组成。

本实施方式高Mn、高Nb抗裂纹缺陷的镍基焊带配套使用的焊剂的制造方法为：

配料：称取原料，并置于同一容器中；

干混：搅动使粉末混合均匀；

湿混：加入模数为2.6的钾钠水玻璃均匀混合；

造粒：将湿料进行转动造粒，达到10-60目得颗粒；

烧结：在电炉中进行高温烧结，消除焊剂的水分和结晶水，烧结温度780±30℃；

筛分：进行筛分形成成品焊剂。

本实施方式焊剂杂质含量低，尽量减少原材料中带来的有害杂质，降低焊剂中的S、P含量，保证焊缝金属的纯净度。加入了CaO和铁合金进一步增加堆焊金属的脱S、P效果。通过焊带的Mn、Nb合金元素控制，找到最佳成分配比，攻克了同类产品裂纹敏感性高的问题，提出了S+Si的含量技术指标，解决了工程应用大厚度热裂纹问题，其他性能指标合格。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：该焊剂按质量份数是由38-45份CaF₂、7-14份SiO₂、12-35份Al₂O₃、11-18份CaO、4-12份MgO、1-4份Cr₂O₃、铁合金≤8份、S≤0.015份和P≤0.02份组成。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：高Mn、高Nb抗裂纹缺陷的镍基焊带的重量百分比组成为C≤0.04％、Si≤0.50％、Mn≤5.0％、S≤0.015％、P≤0.020％、Cr：28.0-31.5％、Fe：7.0-12.0％、Nb≤2.5％、Cu≤0.30％、Al≤0.50％、Ti≤0.50％、Mo≤0.05％、Co≤0.02％、余量为镍。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式一种与高Mn、高Nb抗裂纹缺陷的镍基焊带配套使用的焊剂按质量份数是由25-50份CaF₂、5-20份SiO₂、10-40份Al₂O₃、8-20份CaO、4-15份MgO、Cr₂O₃≤5份、NaF≤5份、S≤0.015份和P≤0.02份组成。

本实施方式高Mn、高Nb抗裂纹缺陷的镍基焊带配套使用的焊剂的制造方法为：

配料：称取原料，并置于同一容器中；

干混：搅动使粉末混合均匀；

湿混：加入模数为2.6的钾钠水玻璃均匀混合；

造粒：将湿料进行转动造粒，达到10-60目得颗粒；

烧结：在电炉中进行高温烧结，消除焊剂的水分和结晶水，烧结温度780±30℃；

筛分：进行筛分形成成品焊剂。

本实施方式焊剂杂质含量低，尽量减少原材料中带来的有害杂质，降低焊剂中的S、P含量，保证焊缝金属的纯净度。加入了CaO和铁合金进一步增加堆焊金属的脱S、P效果。通过焊带的Mn、Nb合金元素控制，找到最佳成分配比，攻克了同类产品裂纹敏感性高的问题，提出了S+Si的含量技术指标，解决了工程应用大厚度热裂纹问题，其他性能指标合格。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：该焊剂按质量份数是由38-45份CaF₂、7-14份SiO₂、12-35份Al₂O₃、11-18份CaO、4-12份MgO、1-4份Cr₂O₃、NaF≤5份、S≤0.015份和P≤0.02份组成。其它与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五不同的是：高Mn、高Nb抗裂纹缺陷的镍基焊带的重量百分比组成为C≤0.04％、Si≤0.50％、Mn≤5.0％、S≤0.015％、P≤0.020％、Cr：28.0-31.5％、Fe：7.0-12.0％、Nb≤2.5％、Cu≤0.30％、Al≤0.50％、Ti≤0.50％、Mo≤0.05％、Co≤0.02％、余量为镍。其它与具体实施方式四或五相同。

具体实施方式七：本实施方式利用高Mn、高Nb抗裂纹缺陷的镍基焊带以及配套焊剂进行焊接的方法为：用高Mn、高Nb抗裂纹缺陷的镍基焊带以及配套焊剂采用带极埋弧堆焊技术进行堆焊，得到堆焊金属；其中埋弧焊工艺参数为：焊接电流950-1100A，焊接电压28V，焊接速度180mm/min，堆焊层厚度30mm。

本实施方式带极埋弧堆焊是在传统丝极埋弧焊基础上发展起来的，利用带状电极代替焊丝，电弧在焊剂下面燃烧，带状电极不断熔化，焊接过程中焊剂在行走方向的前后送给，是核电领域容器制造内壁堆焊的主要焊接方法。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：堆焊金属按质量份数为：0.017-0.025份C；0.20-0.30份Si；3.5-5.0份Mn；S≤0.003份；P≤0.005份；28.5-31.0份Cr；7.0-8.0份Fe；1.5-2.5份Nb；Cu≤0.30份；Al≤0.20份；Ti≤0.10份；Mo≤0.05％；Co≤0.02％；同时控制S+Si≤0.358份。其它与具体实施方式七相同。

通过以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：本实施例一种与高Mn、高Nb抗裂纹缺陷的镍基焊带配套使用的焊剂按质量份数是由25-50份CaF₂、5-20份SiO₂、10-40份Al₂O₃、8-20份CaO、4-15份MgO、Cr₂O₃≤5份、铁合金≤8份、S≤0.015份和P≤0.02份组成；

本实施例另一种与高Mn、高Nb抗裂纹缺陷的镍基焊带配套使用的焊剂按质量份数是由25-50份CaF₂、5-20份SiO₂、10-40份Al₂O₃、8-20份CaO、4-15份MgO、Cr₂O₃≤5份、NaF≤5份、S≤0.015份和P≤0.02份组成。

将上述焊剂矿物粉过100目进行筛分，金属粉过40目进行筛分，放入容器中进行充分干混，加入10-30％水玻璃进行湿混，然后放入造粒机中进行造粒，造粒后在电炉中进行高温烧结，消除焊剂的水分和结晶水，烧结温度780±30℃，出炉冷却，筛分为10-60目的烧结焊剂，进行包装。

分别配制3种粉料，配方编号为FM1-FM3，具体成分列入表1中。三种材料均配合新型镍基高Mn，适量Nb焊带。采用埋弧焊工艺在40mm厚的SA508-III钢上进行焊接。

表1焊剂配方具体成分(重量百分比)

编号	CaF<sub>2</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	MgO	SiO<sub>2</sub>	CaO	铁合金	Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	S	P	NaF
											FM1	38	20	4	19	11	-	4	0.014	0.014	3.972
FM2	42	31	5	7	9	3.97	2	0.012	0.018	-
											FM3	45	18	9	14	8	5.47	0.5	0.014	0.016	-

表2堆焊工艺参数

表3焊剂堆焊工艺性能

注：○：良好△：较好▽：一般

表4焊带化学成分(质量分数％)

表5堆焊金属未稀释化学成分示例一(质量分数％)

编号	C	Si	Mn	S	P	Cr	Nb
								FM1+WD1	0.018	0.24	3.76	0.001	0.004	29.02	2.12
FM2+WD1	0.023	0.25	3.84	0.001	0.004	29.13	2.01
								FM3+WD1	0.024	0.22	3.95	0.002	0.003	29.00	2.23
编号	Al	Ti	Mo	Cu	Co	Fe	残余物质
								FM1+WD1	0.012	0.024	0.003	0.03	0.002	7.6	-
FM2+WD1	0.013	0.020	0.002	0.02	0.002	7.8	-
								FM3+WD1	0.020	0.032	0.003	0.03	0.002	7.9	-

表6堆焊金属未稀释化学成分示例二(质量分数％)

通过表5和表6可知，焊剂合适的成分配比与高Mn、高Nb特殊的焊带组合堆焊，堆焊金属成分有害元素含量低。不同的焊剂，匹配不同的焊带产品稳定性好。

表7堆焊金属性能示例一

表8堆焊金属性能示例二

由表7和表8可知，焊剂合适的成分配比与高Mn、高Nb特殊的焊带组合堆焊，降低了裂纹敏感性，堆焊金属抗裂性能好。

由上述数据可知，实施例中的三种特殊研制焊剂FM1、FM2、FM3，通过采用高纯粉料和冶金控制，结合优良的制造工艺，其特点杂质含量低，工艺性能好。依据国家标准GB/T29713和NB/T47018-2017中规定的焊剂成分，S≤0.035％，P≤0.040％，实际采用高纯粉料焊剂成分FM1：S＝0.014，P＝0.014，FM2：S＝0.012，P＝0.018，FM3：S＝0.014，P＝0.016，均满足标准要求。两种特制焊带WD1，WD2，通过增加Mn、Nb含量，控制杂质含量S+Si有效解决了核电工程容器大厚度堆焊热裂纹问题。

由上述实施例中所测试的各类指标和性能上，可以看出：

(1)本实施例中的焊剂杂质含量低，尽量减少原材料中带来的有害杂质，降低焊剂中的S、P含量，保证焊缝金属的纯净度。加入了CaO和铁合金进一步增加堆焊金属的脱S、P效果。通过焊带的Mn、Nb合金元素控制，找到最佳成分配比，攻克了同类产品裂纹敏感性高的问题，提出了S+Si的含量技术指标，解决了工程应用大厚度热裂纹问题，其他性能指标合格。

(2)通过调整焊剂的熔点和表面张力，重点解决了镍基材料埋弧焊方法脱渣困难，咬边等严重问题，搭接良好。

(3)本实施例中生产制造镍基埋弧焊焊剂工艺简单，易操作，可实现稳定化生产。