CN103273220A - 一种用于低热胀系数合金连接的焊接材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种焊接材料，在30～500℃范围内的热膨胀系数为1.53×10-6～2.84×10-6K-1，主要由以下质量分数组分组成：Ni：35%～36.5%；C：0.05%～0.12%；Mn：1.0%～3.0%；Si：0.01%～0.1%；Ti：0.8%～1.5%；Co：0.4%～0.7%；Sc2O3：0.5%～8.0%；余量为Fe；杂质S≤0.01%；P≤0.01%。生产工艺包括（1）配料；（2）真空感应熔炼；（3）待模壳浇注完毕后自然冷却；（4）压锭成型；（5）退火处理。焊接材料可用于低热膨胀系数合金的焊接，也可以作为缓冲材料实现低热膨胀系数合金与较高热胀系数的碳钢等材料的异质连接。

Description

一种用于低热胀系数合金连接的焊接材料
技术领域
本发明涉及一种低热膨胀系数合金的焊接，特别是涉及一种低热膨胀系数合金在添加焊剂或不添加焊剂条件下焊接所需的焊接材料，属于焊接冶金技术领域。
背景技术
焊接材料是焊接时所消耗材料的通称，是制造大型焊接构件所需要的材料之一，特别是在造船（如LNG船等）、航空等行业大型焊接构件的制造，不可或缺，且对焊接材料的质量有更高的要求。随着经济技术的发展，越来越多的低热胀系数合金成为众多高端装备制造的首选合金，如硬质合金、因瓦合金、可伐合金等，在-130～400°C温度范围内具有较低的热膨胀系数，低热膨胀系数合金消耗量不大，但其作用无可替代，在高端装备制造中扮演者关键的角色，特别是在要求使用温度范围内不允许有引起膨胀特性明显变化的相变的条件下。1991年，Inco Alloys International,Inc.公司的Robert Anthony Bishel,David Brian O'Donnell发明了Welding material for low coefficient ofthermal expansion alloys（EP0482889A2），1991年10月22日，提出了一种用于低热膨胀系数合金埋弧焊的焊接材料，与焊剂结合使用可获得良好的焊接质量。研究表明：用于低热膨胀系数合金的焊接材料能够从根本上减小材料连接过程焊材和母材之间由于热膨胀系数差异而引起的热应力。然而，低热膨胀系数合金通常是镍基合金，在焊接条件下，特别是船用多层多道焊结构中，热裂倾向大。焊脚和层间是热裂倾向较大的位置，以致破坏低热膨胀系数合金原有的组织和性能，成为低热膨胀系数合金产业应用、高端装备制造的关键问题和瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术所存在的上述问题，提供一种用于低热膨胀系数合金连接的焊接材料。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于低热膨胀系数合金连接的焊接材料，是添加稀土Sc2O3的镍铁合金，其基体相为γ-(Ni,Fe)，在30～500℃范围内的热膨胀系数为1.53×10-6～2.84×10-6K-1，主要由Ni、C、Mn、Si、Ti、Co、Sc2O3组成，各组分质量分数如下：Ni：35%～36.5%；C：0.05%～0.12%；Mn：1.0%～3.0%；Si：0.01%～0.1%；Ti：0.8%～1.5%；Co：0.4%～0.7%；Sc2O3：0.5%～8.0%；余量为Fe；杂质控制：S≤0.01%；P≤0.01%。
优选的，其中各组分的质量分数为：Ni：35.5%～36%；C：0.09%～0.11%，Mn：1.0%～1.5%；Si：0.01%～0.1%；Ti：1.0%～1.2%；Co：0.47%～0.52%，Sc2O3：2.5%～3.2%；余量为Fe。
这种焊接材料的制备方法包括以下步骤：
（1）按照所述的组分配比进行配料；
（2）采用真空感应熔炼方法进行真空熔炼；
优选的，真空熔炼的温度为1370～1450℃，以试样横截面厚度计，保温时间为11～20分钟/厘米；
（3）待模壳浇注完毕后，自然冷却；
（4）压锭成型为棒材；
（5）热处理后备用；
热处理的工艺为：将棒材加热到780～800℃，惰性气体保护下保温20～40分钟，然后以56～65℃/h的冷却速度随炉冷却至295～310℃；再空气冷却至室温。
上述的焊接材料可用于焊接低热膨胀系数（平均热膨胀系数一般为1.4×10-6K-1～2.4×10-6K-1）的硬质合金、因瓦合金（镍钢合金，平均热膨胀系数一般为1.4×10-6K-1～1.8×10-6K-1）、可伐合金（铁镍钴合金，相当于GB4J29，ASTM F15，UNS K94610）；还可以作为缓冲材料实现低热膨胀系数合金与较高热胀系数的碳钢等材料的异质连接。
本发明解决了焊接过程中存在的热胀系数差异较大引起过较大热裂的问题；利用本发明技术可有效解决现有技术中存在的多层多道焊过程焊脚和层间热裂倾向较大、以致破坏低热膨胀系数合金原有的组织和性能的技术问题，可有效控制低热膨胀系数合金的热裂倾向，实现油气运输关键设备中复合组件以及高端装备的制造。
附图说明
图1是实施例1制备的焊接材料在30℃～500℃范围内的热胀系数变化；
图2为实施例1制得的焊接材料的微观组织。其中：图2（a）是实施例1中真空熔炼后焊接材料的显微组织；图2（b）是实施例1中热处理条件下焊接材料的微观组织。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细、完整地说明。
实施例1
选择Ni、C、Mn、Si、Ti、Co、Sc2O3粉末混合，重量配比如下：Ni：35.8%；C：0.1%；Mn：1.2%；Si：0.08%；Ti：1.1%；Co：0.5%；Sc2O3：3.0%；Fe：余量；杂质控制：S≤0.01%；P≤0.01%。
按照如下生产工艺制备：
（1）按照所述的组分配比进行配料、混合均匀、搅拌压坯；
（2）采用真空感应熔炼方法进行真空熔炼，真空感应熔炼的温度为1420℃；加热时间为：试样横截面厚度，每厘米加热时间为11～20分钟；即横截面厚度2cm，真空感应熔炼时间为22～40分钟；
（3）待模壳浇注完毕后，自然冷却；
（4）压锭成型为棒材；
（5）对棒材进行热处理，工艺为：加热试样到790℃，惰性气体保护下保温30分钟，以60℃/h的冷却速度炉冷到300℃，空冷至室温、备用。
所得到的焊接材料基体相为γ-(Ni,Fe)；30℃～500℃范围内的热膨胀系数为1.53×10-6～2.84×10-6K-1。在该温度范围内的热膨胀系数变化如图1所示，可以看到，随着温度的升高，热胀系数增加，但仍保持在较低水平。
在利用真空感应熔炼试样后，所得到的产物显微组织如图2（a）所示；经过热处理后所得到的焊接材料微观组织如图2（b）。
经过热处理后得到的焊接材料作为中间层，用于低热膨胀系数合金硬质合金（平均热膨胀系数1.5×10-6K-1）与钢（平均热膨胀系数1.8×10-5K-1）的焊接时，采用激光TIG焊填丝单层焊工艺，20个试样中，在硬质合金侧界面、钢焊脚处没有发现裂纹。使用普通焊材焊接时容易发生裂纹的问题，20个试样中有5个试样出现裂纹。
由此可见，采用实施例1中焊丝，能有效控制低热胀系数硬质合金与钢焊接过程中发生的热胀差异致裂的问题。
最后有必要在此指出的是：以上内容只用于对本发明的技术方案作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于低热膨胀系数合金连接的焊接材料，其特征在于，是一种添加稀土Sc2O3的镍铁合金，在30～500℃范围内的热膨胀系数为1.53×10-6～2.84×10-6K-1，主要由Ni、C、Mn、Si、Ti、Co、Sc2O3组成，各组分质量分数如下：Ni：35%～36.5%；C：0.05%～0.12%；Mn：1.0%～3.0%；Si：0.01%～0.1%；Ti：0.8%～1.5%；Co：0.4%～0.7%；Sc2O3：0.5%～8.0%；余量为Fe；杂质控制：S≤0.01%；P≤0.01%。 
2.权利要求1所述用于低热膨胀系数合金连接的焊接材料，其特征在于，其基体相为γ-(Ni,Fe)。 
3.权利要求1或2所述用于低热膨胀系数合金连接的焊接材料，其特征在于，其中各组分的质量分数为：Ni：35.5%～36%；C：0.09%～0.11%，Mn：1.0%～1.5%；Si：0.05%～0.1%；Ti：1.0%～1.2%；Co：0.47%～0.52%，Sc2O3：2.5%～3.2%；余量为Fe。 
4.权利要求1～3任一项所述用于低热膨胀系数合金连接的焊接材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 
（1）按照所述的组分配比进行配料； 
（2）采用真空感应熔炼方法进行真空熔炼； 
（3）待模壳浇注完毕后，自然冷却； 
（4）压锭成型为棒材； 
（5）热处理。 
5.权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述 真空熔炼的温度为1370～1450℃。 
6.权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）所述热处理的工艺为：将棒材加热到780～800℃，惰性气体保护下保温20～40分钟，然后以56～65℃/h的冷却速度随炉冷却至295～310℃；再空气冷却至室温。 
7.权利要求1～3任一项所述焊接材料在焊接低热膨胀系数的硬质合金、因瓦合金、可伐合金方面的应用。 
8.权利要求1～3任一项所述焊接材料在连接低热膨胀系数合金与高热膨胀系数材料方面的应用。 
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