一種高Mn高Nb的抗裂紋缺陷鎳基焊絲及焊接方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及的是一種焊絲，具體地說是一種鎳基焊絲。
【背景技術】
[0002] 二十世紀五十年代，最初的蒸汽發生器采用Inconel600合金作為傳熱管材料， 所以管板采用ERNiCr-3焊材（Inconel82)堆焊，同樣亦采用ERNiCr-3焊材進行傳熱管與 堆焊層的焊接。但后來在上述焊縫中發現晶間應力腐蝕裂紋（IGSCC)，所以開始研制新的 傳熱管材料，經過一段時間的研究，二十世紀八十年代，開始采用Inconel690合金作為傳 熱管材料，并采用ERNiCrFe-7(Inconel52)焊材進行堆焊和焊接。這種材料的含鉻量達 到30%左右，所以有效地避免了晶間應力腐蝕裂紋的產生。但近年來，美國海軍在Inconel 52的焊縫中又發現了一種稱為DDC的缺陷。后來經過進一步的探索，在Inconel52的基 礎上加入了鈮、硼和鋯等元素，開發了一種新的改進型焊接材料，稱為Inconel52M焊絲或 Inconel152M焊條，基本上解決了低塑性開裂以及角焊縫根部開裂等問題。目前該焊材已 正式列入AWS焊材類別，2003年8月，52M被ASME命名為2142-2。另外一份公開文獻中介紹 了一種新一代的核焊接材料52MSS，含有2. 5%的Nb和4%的Μη可形成最佳的MC碳化物形 態和組織，應變裂紋試驗（straintotesting-STF)表明52MSS抗DDC能力甚至是Inconel 82的好幾倍。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于提供一種適用于核島主設備焊接，解決目前焊絲在現場焊接等 苛刻條件下容易出現裂紋缺陷的問題的高Μη高Nb的抗裂紋缺陷鎳基焊絲。本發明的目的 還在于提供一種基于高Μη高Nb的抗裂紋缺陷鎳基焊絲的焊接方法。
[0004] 本發明的高Μη高Nb的抗裂紋缺陷鎳基焊絲的重量百分比組成為C:〈0. 04%， Si:0. 10-0. 20 %,Μη: 3. 8-4. 2 %,S:<0. 003 %,?:<0.003 %,Cr:28. 0-31. 5 %, Mo:<0. 01%, Cu:<0. 05%, Nb:2. 2-2.5%,Mn+Nb:6. 2-6.6%,Ti:0. 4-0.9%,A1:<0. 50%, Fe:8. 5-10. 5%, Ca:<0. 005%, Mg:<0. 005%, 0:<0. 005%, N:0. 2〇-〇. 40%, B:<0. 001 %, Zr:〈0. 005%，Ta:〈0. 02%，Ni為余量，其他雜質元素總和〈0. 10%。
[0005] 本發明的高Μη高Nb的抗裂紋缺陷鎳基焊絲中，Μη的含量優選為3. 9-4. 1 %。
[0006] 基于本發明的高Μη高Nb的抗裂紋缺陷鎳基焊絲的焊接方法為：焊絲規格為 Φ1. 2mm，焊接工藝為自動填絲鎢極惰性氣體保護焊，焊接工藝是，電流：200-230A，電弧電 壓：14-16V，送絲速度1200mm/min，電流類型：直流正接（DCEN)，層間溫度：100-200°C，保 護氣體 99. 999%Ar,氣體流量：14-18L/min。
[0007] 通過我們的研究，當Nb含量基本保持不變，Μη含量由0. 79%增加到4. 1 %以后， 距離堆焊試板端面3. 2mm位置的裂紋數量由30減小到3,說明690焊絲熔敷金屬中加入Μη 元素能夠改善材料的裂紋敏感性。同時Nb在鎳基合金中是固溶強化元素，又是時效強化元 素，在焊縫中能提高原子間結合力，穩定焊縫，Nb是強碳化物析出元素，能夠在晶界和晶內 形成MC型析出物，影響焊絲熔敷金屬晶界的迀移和滑移，因此會對材料的高溫低塑性裂紋 敏感性產生影響，并且提高熔敷金屬抵抗高溫變形的能力。
[0008] 本發明的尚Μη尚Nb的抗裂紋缺陷銀基焊絲，米用媽極氣弧焊焊接，使用99. 999 % Ar作為保護氣體，得到的最終焊縫熔敷金屬，按重量百分比計，其基本化學成分組成為 C:<0. 04%,Si:0. 10-0. 20%,Mn:3. 8-4.2%,S:<0. 003%,P:<0. 003%,Cr:28. 0-31.5%, Mo:<0. 01%,Cu:<0. 05%,Nb:2. 2-2.5%,Mn+Nb:6. 2-6.6%,Ti:0. 4-0.9%,A1:<0. 50%, Fe:8. 5-10. 5%,Ca:<0. 005%,Mg:<0. 005%, 0:<0. 005%,N:0. 2〇-〇. 40%,B:<0. 001 %, Zr:〈0. 005%，Ta:〈0. 02%，Ni為余量，其他雜質元素總和〈0. 10%。
[0009] 本發明具有以下優點：
[0010] 1.經試驗，本發明高Μη高Nb的抗裂紋缺陷鎳基焊絲，堆焊厚度達到30mm時，恪 敷金屬依然無裂紋缺陷，適用于核島主設備焊接（包括壓力容器驅動管座、接管安全端、堆 芯支承塊、蒸汽發生器管板堆焊以及管子與管板的焊接）的鎳基焊絲。解決目前焊絲在現 場焊接等苛刻條件下容易出現裂紋缺陷的問題。
[0011] 2.利用本發明焊絲焊接時，工藝參數適應性強，過程穩定，焊絲送絲性能好，無浮 渣，成形性能好。
[0012] 3.本發明焊絲能夠實現焊縫的微合金化，得到符合標準要求的焊縫。
[0013] 4.本發明焊絲的焊縫熔敷金屬，焊態室溫抗拉強度R"^ 630MPa，屈服強 度馬。.2彡45010^，斷后伸長率厶彡35%，350°(：高溫抗拉強度1? |11彡55010^，屈服強度 Rro.2> 380MPa，斷后伸長率A彡30%，室溫沖擊功Ακν彡150J。焊接過程電弧穩定，成形好， 缺陷少，工藝性能好。
[0014] 本發明的高Μη高Nb的抗裂紋缺陷的鎳基焊絲，適用于核島主設備焊接（包括壓 力容器驅動管座、接管安全端、堆芯支承塊、蒸汽發生器管板堆焊以及管子與管板的焊接）。 解決了目前焊絲在現場焊接等苛刻條件下容易出現裂紋缺陷的問題。
【具體實施方式】
[0015] 下面舉例對本發明做更詳細的描述。
[0016] 實施例1，將母合金鋼錠進行鍛造、乳制，然后經過多道次冷拉及在線退 火，清洗處理后，最終形成焊絲，最終使焊絲的化學成分為c:0. 024 %，Si:0. 18%， Mn:3. 96%,S:<0. 003%,P:<0. 003%,Cr:29. 75%,Mo:0. 03%,Cu:<0. 05%,Nb:2. 37%, Mn+Nb:6. 2-6. 6 %,Ti:0. 55 %,A1:0. 18 %,Fe:9. 00%,Ca:<0. 005%,Mg:<0. 005%, 0:〈0· 005%，N:0. 29%，B:〈0. 001%，Zr:〈0. 005%，Ta:〈0. 02%，Ni為余量。
[0017] 實施例2,將母合金鋼錠進行鍛造、乳制，然后經過多道次冷拉及在線退火，清洗 處理后，最終形成焊絲，最終使焊絲的化學成分為C:0. 02,3%，Si:0. 16%，Mn:4. 01%， S:<0. 003%,P:<0. 003%,Cr:29. 62%,Mo:0. 03%,Cu:<0. 05%,Nb:2. 40%,Ti:0. 50%, A1:0. 19%,Fe:8. 36%,Ca:<0. 005%,Mg:<0. 005%, 0:<0. 005%,N:0. 28%,B:<0. 001%, Zr:〈0. 005%，Ta:〈0. 02%，Ni為余量。
[0018] 本發明中，焊絲可采用真空感應爐冶煉生產，亦可采用電爐加爐外精煉方法冶煉 生產，只要焊絲最終的化學成分能滿足以上
【發明內容】
的要求即可。
[0019] 為了驗證本發明的效果，下面將兩個實施例與三個對比例進行比較。
[0020] 表1為實施例鎳基焊絲的基本化學成分（重量比％ ):
[0023] 以下將分析焊絲中各個元素的作用以及使用這些元素處于成分控制范圍內的原 因。
[0024] C:C在奧氏體鎳基合金中的溶解度很小，當合金從固溶溫度冷卻下來時，C處于過 飽和狀態，收到敏化處理時，C和Cr形成碳化物（主要為（&^423(：6型）在晶界析出，會導 致晶界處貧Cr，降低熔敷金屬的抗晶間腐蝕能力，因此需要對C含量加以限制，C含量應控 制在0. 04%以下。
[0025] Si:Si即可作為合金元素，又存在有害作用。首先，Si可以作為脫氧劑，參加脫氧 反應，少量的Si能夠改善TIG焊的工藝性，增加液態金屬的浸潤性，改善焊道成形，另外Si 還能提高材料的強度；但另一方面，Si能夠形成低熔點共晶物，增加熱裂紋敏感性，因此在 合金設計時要考慮Si的因素。本發明設計Si的含量可控制在0. 1-0. 2%之間。
[0026] Μη:Μη的加入有利于鎳基耐蝕合金的抗結晶開裂性能。一方面，Μη優先與S結合形 成MnS(熔點1610°C)，減小S形成低熔點共晶物（如：Ni-Ni3S2熔點645°C)的傾向，使得 奧氏體-硫化物共晶溫度提高；另一方面，增加固液相表面能，減小晶界低熔點共晶液膜形 成的可能性，抑制了S、P的不利作用，從而降低熔敷金屬結晶裂紋形成傾向。同時，Μη又是 脫氧劑，可降低焊縫金屬中的含氧量，減少了形成硅酸鹽的條件，一般認為，在焊縫金屬中 加入1 %的Μη就可以達到脫S的目的，但是在鎳基焊縫金屬中Μη有強烈的偏析傾向，在焊 縫中存在貧Μη區和富Μη區。當焊縫中含Μη量不足時，貧Μη區會因缺Μη達不到脫S的目 的而產生高溫裂紋，因此焊縫中應含有足夠的Μη，即使存在偏析，也保證貧Μη區能夠有