一種抗輻照低活化鋼氣體保護焊用焊絲及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及氣體保護焊用焊絲的技術領域，具體涉及一種抗輻照低活化鋼氣體保 護焊用焊絲及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 聚變堆包層需要承受堆芯14MeV高能中子輻照，高能量密度熱流（>lMW/m2)的 沖擊等惡劣環境。低活化鐵素體/馬氏體（Reduced Activaiton Ferritic/Martensitic steel，RAFM)鋼具有抗高能中子輻照、低活化、高溫性能良好等優點被認為是未來第一座聚 變堆的首選結構材料。中國抗福照低活化鋼（China Low Activation Martensitic steel， CLAM)是中科院核能安全技術研宄所牽頭國內多家單位研發的具有自主知識產權的低活化 鋼。經過十余年的發展，CLAM鋼已被選為中國ITER實驗包層模塊的首選結構材料，同時也 是中國聚變工程實驗堆包層的首選結構材料。另外，由于聚變堆包層所處環境非常惡劣，其 內部需要通入大量的冷卻劑對包層結構進行冷卻，因而包層結構也是非常復雜。氣體保護 焊（如鎢極氬弧（TIG)焊，熔化極氣體保護（MIG)焊）由于具有良好的焊接適應性目前在 包層結構的焊接過程中被廣泛采用。
[0003] CLAM鋼的化學成分如表1所示，通過公式（1)和⑵計算CLAM鋼的Cr當量為 11. 8和Ni當量為3. 2，
[0004] Cr 當量：Creq= = Cr+6Si+V+5Nb+2. 5Ta+l. 5W (1)
[0005] Ni當量：Nieq= Ni+Co+0. 3Cu+0. 5Mn+25N+30C (2)
[0006] 根據Schfiffler-Schneier圖（見圖1)可以看出，CLAM鋼在凝固過程中具有較強 的鐵素體形成傾向，如果采用CLAM鋼母材作為焊接材料會導致接頭中存在較多塊狀S鐵 素體。研宄發現，塊狀鐵素體的產生降低了焊縫的強度，嚴重削弱了接頭的沖擊性能，而且 會提高結晶裂紋傾向，降低高溫蠕變性能等。可以說，塊狀S鐵素體的存在是接頭性能惡 化的根本原因。因此，如何降低甚至消除焊接組織中的S鐵素體，是改善接頭性能的關鍵 技術所在。本發明專利通過分析元素成分對鐵素體形成的影響情況，對CLAM鋼的焊絲成分 進行設計和優化。
[0007] 表1 CLAM鋼設計成分（wt % )
【發明內容】
[0009] 本發明的目的是提供一種低活化鋼氣體保護焊焊絲以及這種焊絲的制造方法和 工藝，并將這種焊絲應用于中國抗輻照低活化鋼的氣體保護焊接。本發明的技術方案通過 合理調整和控制合金元素的成分及含量，降低CLAM鋼焊接材料的S鐵素體形成傾向，獲得 完全的馬氏體組織焊接接頭。
[0010] 為實現上述目的，本發明提出依據鉻當量和鎳當量計算公式，適當降低鐵素體形 成元素（Cr、W、Ta等）的含量，同時提高奧氏體形成元素（C、Mn等）的含量，使優化后的焊 絲具有完全馬氏體形成傾向。另外，通過盤條及冷拔工藝制備的焊絲適用于自動和半自動 焊接，同時適當的熱處理工藝使焊絲保持良好的加工性能。
[0011] 本發明的具體方案為：一種抗輻照低活化鋼氣體保護焊用焊絲，所述的焊絲的化 學成分組成及質量百比分（wt% )為：C :0? 10~0? 15, Cr :8. 0~9. 0, W :1. 0~1. 6, V : 0? 18 ~0? 22，Ta :0? 10 ~0? 17，Mn :0? 50 ~0? 70，Si :0 ~0? 05，N :0 ~0? 02,0、Ni、Cu、Al、 Co均為：0~0? 01，P、S、Ag、Mo、Nb成分均為：0~0? 005,余量為Fe。
[0012] 其中，所述的焊絲的Cr當量小于11，Ni當量大于3. 5。
[0013] 其中，所述的焊絲適用于中國抗輻照低活化鋼的氣體保護焊接。
[0014] 本發明還提供一種抗輻照低活化鋼氣體保護焊用焊絲的其制備方法，該方法用 于制備上述的抗輻照低活化鋼氣體保護焊用焊絲，焊絲的制備采用盤條和多道次拉拔的 方式，盤條前進行退火熱處理，道次拉拔之間進行回火處理。盤條拉拔前的退火工藝為： 940~1020°C保溫20~60分鐘，然后以小于45°C /小時冷卻速度冷卻至650°C以下，然后 空冷至室溫；盤條拉拔過程中的回火工藝為：760~820°C保溫0. 5~2小時后空冷。
[0015] 本發明的原理在于：
[0016] 一種低活化鋼的氣體保護焊絲，在保證低活化的條件下，通過降低Cr、W、 Ta含量，提高C、Mn含量，且控制CLAM鋼的Cr當量小于11，Ni當量大于3. 5,根據 Schf iff ler-Schneier圖判斷以使CLAM鋼具有形成完全馬氏體的傾向，同時，考慮焊縫熔 敷金屬成分和母材成分具有良好的匹配性，并提高接頭的韌性。
[0017] 焊絲合金元素的調整原則為：
[0018] Cr元素：可以提高材料的抗氧化性和耐腐蝕性，形成碳化物起到沉淀強化作用， Cr是強烈的鐵素體形成元素，降低Cr含量可以顯著降低材料的鐵素體形成傾向；
[0019] W兀素：可以提尚材料的回火穩定性，W含量在1%左右時接頭具有良好的初性；
[0020] C元素：C是對焊接性最敏感的元素，對沖擊性能影響較大；另外，C是強烈的奧氏 體穩定元素，提高C含量可以降低鐵素體形成傾向；
[0021] Mn元素：超過母材上限含量時可以顯著提高接頭韌性，但含量過高可能影響Acl 溫度以及材料的抗腐蝕性。
[0022] 通過分析和計算，CLAM鋼焊絲的成分設計（質量百分比，wt% )如下（見表2):
[0023] (1)保證低活化要求，以及較低的夾雜含量，各元素的控制范圍如下：
[0024] N 含量為：0~0?02,0、Ni、Cu、Al、Co 含量均為：0~0?01，？、538、]?〇、恥含量均 為：0 ~0? 005;
[0025] (2)為降低CLAM鋼Cr當量，并提高接頭韌性，元素控制如下：
[0026] Cr 含量為：8. 0 ~9. 0, W 含量為 0? 10 ~0? 16, Ta 含量為 0? 10 ~0? 17;
[0027] (3)提高CLAM鋼Ni當量，元素控制如下：
[0028] C 含量為：0? 10 ~0? 15, Mn 含量為：0? 55 ~0? 65 ;
[0029] (4)為保證與母材的成分匹配性，其他元素與母材基本一致：
[0030] 如 V :0? 15 ~0? 25, Si :0 ~0? 05。
[0031] 表2 CLAM鋼焊絲設計成分（wt % )
[0033] 本發明提供了上述低活化鋼氣體保護焊焊絲的制備方法，焊絲的制備采用盤條和 多道次拉拔的方式，盤條前進行退火熱處理，道次拉拔之間進行回火處理。盤條之前的退火 工藝為：940~1020°C保溫20~60分鐘，然后以小于45°C /小時冷卻速度冷卻至650°C 以下，然后空冷至室溫；盤條在每兩道次拉拔過程中進行回火處理，采用的回火工藝為： 760~820°C，保溫0? 5~2小時。
[0034] 正常熱處理下的CLAM鋼為回火馬氏體組織，強度高且延伸率低，加工難度大。盤 條前的退火處理可有效改善材料的塑性，使CLAM鋼盤條獲得完全鐵素體組織，使其拉伸強 度下降并具有良好的塑性。另外，焊絲在冷拔過程中采用多次拉拔方式，直徑逐次遞減至所 需尺寸。絲材在拉拔過程中會有強烈的硬化和強化，每兩道次拉拔過程間對絲材進行回火 熱處理，以降低強度，恢復塑性。本發明提供的焊絲制造方法有效降低了 CLAM鋼絲材在拉 拔過程中斷裂的風險。
[0035] 本焊絲的交貨狀態為：退火態，表面光滑，無毛刺、劃痕、銹蝕、氧化皮等缺陷。纏 繞焊絲應適于在自動和半自動焊機上連續送絲。本發明提供的焊絲所獲得熔敷金屬可以將 CLAM鋼接頭的S鐵素體含量控制在0.5%以內，且熔敷金屬夾雜物含量可以符合表3的限 制要求。
[0036] 表3 CLAM鋼焊接熔敷金屬非金屬夾雜物含量要求
[0038] 本發明與現有技術相比的優點在于：
[0039] (1)本發明提出之前，中國抗輻照低活化鋼氣體保護焊所用的焊絲主要通過母材 線切割加工制備。相對于母材而言，本發明降低了接頭熔敷金屬的鐵素體形成傾向，可以改 善接頭的力學性能。
[0040] (2)與線切割焊絲相比，本發明所采用的焊絲制備工藝可適用于生產自動和半自 動焊接用焊絲，提高了焊絲的表面清潔度以及焊絲的均勻性，保證了焊接過程的穩定性和 接頭的可靠性。
【附圖說明】
[0041] 圖1為Schfiffler-Schneier圖及CLAM鋼的鐵素體形成傾向。
【具體實施方式】
[0042] 實施例1:
[0043] 一種低活化鋼氣體保護焊實芯焊絲，采用真空熔煉，焊絲直徑為1. 2mm，其主要化 學成分組成及質量百比如表4所示。其接頭熔敷金屬組織為完全馬氏體。其Cr當量為9. 2， Ni當量為4. 4。
[0044] 表4實施例1焊絲化學成分（wt% )
[0046] 實施例2 :
[0047] 一種低活化鋼氣體保護焊實芯焊絲，采用真空熔煉，焊絲直徑為1mm，其主要化學 成份組成及質量百比如表5。其接頭熔敷金屬組織為完全馬氏體。其Cr當量為9. 14，Ni當 量為3. 9。
[0048] 表5實施例2焊絲化學成分（wt % )
【主權項】
1. 一種抗輻照低活化鋼氣體保護焊用焊絲，其特征在于：所述的焊絲的化學成分組成 及質量百比分（Wt% )為：C :0? 10 ~0? 15, Cr :8. O ~9. 0, W :1. O ~1. 6, V :0? 18 ~0? 22， Ta :0? 10 ~0? 17，Mn :0? 50 ~0? 70, Si :0 ~0? 05，N :0 ~0? 02,0、Ni、Cu、Al、Co 均為：0 ~ 0? 01，P、S、Ag、Mo、Nb 成分均為：0 ~0? 005,余量為Fe。2. 根據權利要求1所述的抗輻照低活化鋼氣體保護焊用焊絲，其特征在于：所述的焊 絲的Cr當量小于11，Ni當量大于3. 5。3. 根據權利要求1所述的抗輻照低活化鋼氣體保護焊用焊絲，其特征在于：所述的焊 絲適用于中國抗輻照低活化鋼的氣體保護焊接。4. 一種抗輻照低活化鋼氣體保護焊用焊絲的制備方法，該方法用于制備權利要求1所 述的抗輻照低活化鋼氣體保護焊用焊絲，其特征在于：焊絲的制備采用盤條和多道次拉拔 的方式，盤條前進行退火熱處理，道次拉拔之間進行回火處理；盤條拉拔前的退火工藝為： 940~1020°C保溫20~60分鐘，然后以小于45°C/小時冷卻速度冷卻至650°C以下，然后 空冷至室溫；盤條拉拔過程中的回火工藝為：760~820°C保溫0. 5~2小時后空冷。
【專利摘要】本發明涉及一種抗輻照低活化鋼氣體保護焊用焊絲及其制備方法，焊絲化學成份組成(質量百分比，wt％)為：C：0.10～0.15，Cr：8.0～9.0，W：1.0～1.6，V：0.15～0.25，Ta：0.10～0.17，Mn：0.50～0.70，Si：0～0.05，N：0～0.02，O、Ni、Cu、Al、Co均為：0～0.01，P、S、Ag、Mo、Nb成分均為：0～0.005，余量為Fe。焊絲的Cr當量小于11，Ni當量大于3.5。焊絲的制備采用盤條和多道次拉拔的方式，盤條前進行退火熱處理，道次拉拔之間進行回火處理。盤條拉拔前的退火工藝為：940～1020℃保溫20～60分鐘，然后以小于45℃/小時的冷卻速度冷卻至650℃以內，然后空冷至室溫。盤條拉拔過程中的回火工藝為：760～820℃，保溫0.5～2小時。本發明可極大降低甚至消除低活化鋼焊接接頭組織中的δ鐵素體生成傾向。
【IPC分類】B23K35/30, B23K35/40, B23K9/16
【公開號】CN104907733
【申請號】CN201510408504
【發明人】黃波, 黃群英, 張俊鈺, 翟玉濤, 李春京
【申請人】中國科學院合肥物質科學研究院
【公開日】2015年9月16日
【申請日】2015年7月10日