CN104972201A - 超级双相不锈钢基体上堆焊Co-Cr-W硬质合金的方法 - Google Patents

超级双相不锈钢基体上堆焊Co-Cr-W硬质合金的方法 Download PDF

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范灵利
刘恒
关锰
张艳敏
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Abstract

本发明公开了一种超级双相不锈钢基体上堆焊Co-Cr-W硬质合金的方法，该方法以超级双相不锈钢为基体材料，通过钨极氩弧焊在基体材料表面堆焊Co-Cr-W硬质合金；超级双相不锈钢成分为：Cr24-26%；Ni6-8％；Mo3-4%；N0.2-0.3%；Cu0.05-1%；W0.5-1%；C≤0.03%；Si≤1.0%；Mn≤1.0%；P≤0.03%；S≤0.01%。本发明通过研究材料特性、优化工艺参数、焊接过程质量控制，实现了在超级双相不锈钢基体上堆焊Co-Cr-W硬质合金，获得满足核电法规RCC-M标准要求的试验数据，解决了核级泵轴套基体材料在使用过程中的腐蚀问题。

Description

超级双相不锈钢基体上堆焊Co-Cr-W硬质合金的方法
技术领域
本发明涉及堆焊Co-Cr-W硬质合金工艺技术领域，具体涉及一种超级双相不锈钢基体上堆焊Co-Cr-W硬质合金的方法，该方法是采用新基体材料代替传统基体材料进行表面堆焊Co-Cr-W硬质合金工艺。
背景技术
随着我国核电建设的快速发展，核泵作为核电站的核心装备之一，对其关键件的材料及焊接可靠性均提出了更严格的质量及技术要求。其中核级泵轴套在核电站大修期检修时，往往都是基体材料奥氏体不锈钢腐蚀情况严重，针对这种腐蚀情况的出现，只能更换新的零件，以保证机组的正常运行。
发明内容
针对现有技术核级泵轴套基体材料腐蚀情况严重的问题，本发明的目的在于提供一种超级双相不锈钢基体上堆焊Co-Cr-W硬质合金的方法，即，以超级双相不锈钢替代奥氏体不锈钢作为基体材料，并在其表面堆焊Co-Cr-W硬质合金，满足设备在工作运行下的耐磨性和耐腐蚀性能。
本发明技术方案如下：
一种超级双相不锈钢基体上堆焊Co-Cr-W硬质合金的方法，该方法是以超级双相不锈钢作为基体材料，根据单件小批量的生产特点，通过钨极氩弧焊在基体材料表面堆焊Co-Cr-W硬质合金；按重量百分含量计，所述超级双相不锈钢（ASME SA276S32760）化学成分为：Cr24-26%；Ni6-8％；Mo3-4%；N0.2-0.3%；Cu0.05-1%；W0.5-1%；C≤0.03%；Si≤1.0%；Mn≤1.0%；P≤0.03%；S≤0.01%。
焊接过程中，所采用的焊接材料按目前核级泵轴套硬度等级要求，选择RCC-M S8000标准中的6级焊接材料，选用焊接材料为焊丝ERCoCr-A。
焊接之前，工件整体均匀预热，预热温度不低于250℃；焊接过程中控制层间温度≤350℃，焊后采用伊索1260陶瓷纤维毯或蛭石粉保温缓冷。
钨极氩弧焊堆焊Co-Cr-W硬质合金时，采用直流弧焊电源，直流正接。焊接过程中，填充焊丝直径焊接电流150～170A，焊接电压15～18V，钨极直径氩气流量8～12L/min。
堆焊时钨极尖端与工件表面须保持约为钨极直径1.5倍的距离，钨极与工件表面夹角约75°。堆焊层厚度1.5mm。
本发明所产生的有益效果及优点如下：
1、本发明通过研究材料特性、优化工艺参数、焊接过程质量控制，实现了在超级双相不锈钢基体上堆焊Co-Cr-W硬质合金，获得满足核电法规RCC-M标准要求的试验数据。以此为依据制定超级双相不锈钢基体上堆焊Co-Cr-W硬质合金工艺，解决了核级泵轴套基体材料在使用过程中的腐蚀问题，满足设备在工作运行下的耐磨性和耐腐蚀性能，保证机组的正常运行。
2、本发明制造过程满足核电法规RCC-M标准要求。
3、本发明按核电法规RCC-M标准要求进行焊接工艺评定试验，获得满足标准要求的试验数据。以此为依据制定超级双相不锈钢基体上堆焊Co-Cr-W硬质合金工艺和成品件的批量生产。
4、本发明技术标准：RCC-M S8000，堆焊层厚度：1.5mm，堆焊层硬度等级：RCC-M标准6级HRC39～47，化学成分：RCC-M S8332a)，金相检验：RCC-MS8332b)。
附图说明
图1为实施例1中试件焊前坡口形式及尺寸图。
图2为实施例1中试件焊缝及热影响区的宏观及微观金相检验图；其中：（a）宏观；（b）微观热影响区；（c）微观焊缝。
图3为实施例1化学分析检验示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详述。
本发明以超级双相不锈钢作为基体材料，并在超级双相不锈钢基体上堆焊Co-Cr-W硬质合金，超级双相不锈钢ASME SA276S32760的化学成分如表1。焊接材料按目前核级泵轴套硬度等级要求，选择RCC-M S8000标准中的6级焊接材料，根据单件小批量的生产特点，焊接方法采用钨极氩弧焊，选用焊接材料为焊丝ERCo，其成分如表2。
表1 超级双相不锈钢化学成分（重量百分含量wt.%）
表2 焊丝ERCoCr-A化学成分（重量百分含量wt.%）
元素 C Cr W Ni Mo Mn Si Fe Co
标准值 0.9-1.4 26.0-32.0 3.0-6.0 ≤3.0 ≤1.0 ≤1.0 ≤2.0 ≤3.0 余
实测值 1.25 30.86 5.50 2.50 0.55 0.005 1.28 0.02 余
实施例1
本实施例以超级双相不锈钢作为核级泵轴套工件的基体材料，并在超级双相不锈钢基体上堆焊Co-Cr-W硬质合金，其工艺过程如下：
1、焊前预热：焊前工件整体均匀预热，预热温度250℃，预热时间（补充）。
2、焊接工艺参数
钨极氩弧焊堆焊Co-Cr-W硬质合金采用直流弧焊电源，直流正接。填充焊丝直径与焊接电流、焊接电压、钨极直径、氩气流量的关系下表3：
表3
3、试件的形状和尺寸应能代表实际产品，考虑焊接变形产生的收缩量，焊前里孔和外圆均需留量，试件焊前坡口形式及尺寸如图1。
4、焊接操作要领
堆焊时钨极尖端与工件表面须保持约为钨极直径1.5倍的距离，钨极与工件表面夹角约75°。电弧引燃后，待基体表面堆焊起始点形成熔池后，将电弧作适当大小的圆弧形摆动。当熔池适当扩大后，将焊丝端部加入钨极与电弧之间，使其熔化并使熔滴滴入熔池；而后退出焊丝，将电弧在熔池前缘作弧形摆动，使熔池向堆焊进行方向扩展。当熔池面积达到适当大小时，再将焊丝端部加入钨极与电弧之间熔化，并使熔滴滴入熔池，如此按以上要领重复进行。
堆焊前还应仔细检查钨极氩弧焊设备、高频引弧、保护气、冷却水等控制***是否正常。堆焊过程中，弧长应保持不变。钨极摆动幅度不应大于钨极直径的3倍。多道堆焊时，焊道两侧边缘应平缓，不可过厚，避免造成道间熔合不良，形成未焊透、夹渣、气孔等缺陷。
5、焊接过程质量控制
稀释率是评价堆焊层质量的重要指标。稀释率大，基体材料混入焊层熔敷金属的量多，改变了堆焊合金的化学成分，严重影响堆焊合金的性能，如硬度、耐蚀性、耐磨性、耐热性等。
为使工件表面硬度及化学成分达到标准要求，选择堆焊两层来降低母材表面工作层的稀释率，且第一层堆焊后进行机械加工表面PT检验无任何缺陷显示再进行第二层堆焊。
6、焊接过程中控制层间温度≤350℃，焊后采用伊索1260陶瓷纤维毯或蛭石粉保温缓冷。
7、试验检验结果：
（1）无损检验
焊缝表面液体渗透检验，按照RCC-M S8000标准规定满足最高级质量要求评判，检验结果合格。
（2）硬度检验
焊缝表面硬度检验，按照RCC-M S8000标准规定在加工到最小尺寸的堆焊表面上作硬度曲线测量，均匀测量10个HRC硬度值，取平均值在39～47，且最大值与最小值不得超过5个点，检验结果如下表4，合格。
表4
检验结果 HRC
焊缝表面 47、46.5、47、45.5、45、46、46.5、46.5、47、44
（3）金相检验
焊缝及热影响区按照RCC-M S8000标准规定进行5倍的宏观及200倍的微观金相检验。检验结果无裂纹、未熔合等其它缺陷及异常组织，如图2（a-c）所示。
（4）化学分析检验
对于湿法化学分析用金属屑取样，在未经处理的堆焊层表面至少去掉0.5mm厚度后，在与规定的最小最终厚度的相应深度处进行，如图3所示。
化学成分分析结果如下表5（重量百分含量wt.%）：
表5
元素 C Cr W Ni Mo Mn Si Fe Co
标准值 0.9-1.4 26.0-32.0 3.0-6.0 ≤3.0 ≤1.0 ≤1.0 ≤2.0 ≤6.0 余
实测值 1.26 31.71 5.22 2.79 0.52 0.07 1.35 5.92 余
通过超级双相不锈钢基体上堆焊Co-Cr-W硬质合金试验研究，进一步优化了工艺，创新点是基体材料采用超级双相不锈钢代替奥氏体不锈钢。
试验研究还表明，超级双相不锈钢是由奥氏体加铁素体组成，兼有两相组织的特性，具有较好的综合机械性能和很好的抗腐蚀能力，焊接性能良好，基体上堆焊Co-Cr-W硬质合金，其试验结果满足核电法规RCC-M标准的要求，保证产品工况运转的复杂条件，解决了核级泵轴套在使用过程中的腐蚀问题，具有广泛的实用性。

Claims (7)

1.一种超级双相不锈钢基体上堆焊Co-Cr-W硬质合金的方法，其特征在于：该方法是以超级双相不锈钢作为基体材料，通过钨极氩弧焊在基体材料表面堆焊Co-Cr-W硬质合金；按重量百分含量计，所述超级双相不锈钢化学成分为：Cr24-26%；Ni6-8％；Mo3-4%；N0.2-0.3%；Cu0.05-1%；W0.5-1%；C≤0.03%；Si≤1.0%；Mn≤1.0%；P≤0.03%；S≤0.01%。
2.根据权利要求1所述的超级双相不锈钢基体上堆焊Co-Cr-W硬质合金的方法，其特征在于：焊接过程中，选用焊接材料为焊丝ERCoCr-A。
3.根据权利要求1所述的超级双相不锈钢基体上堆焊Co-Cr-W硬质合金的方法，其特征在于：焊接之前对工件整体均匀预热，预热温度不低于250℃；焊接过程中控制层间温度≤350℃；焊后采用伊索1260陶瓷纤维毯或蛭石粉保温缓冷。
4.根据权利要求1所述的超级双相不锈钢基体上堆焊Co-Cr-W硬质合金的方法，其特征在于：钨极氩弧焊堆焊Co-Cr-W硬质合金时，采用直流弧焊电源，直流正接。
5.根据权利要求4所述的超级双相不锈钢基体上堆焊Co-Cr-W硬质合金的方法，其特征在于：钨极氩弧焊过程中，填充焊丝直径焊接电流150～170A，焊接电压15～18V，钨极直径φ3.0mm，氩气流量8～12L/min。
6.根据权利要求1所述的超级双相不锈钢基体上堆焊Co-Cr-W硬质合金的方法，其特征在于：堆焊时钨极尖端与工件表面须保持约为钨极直径1.5倍的距离，钨极与工件表面夹角约75°。
7.根据权利要求1所述的超级双相不锈钢基体上堆焊Co-Cr-W硬质合金的方法，其特征在于：堆焊层厚度1.5mm。
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