CN112475661B - 用于焊接镍基合金的镍铬铁药皮、焊条及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接材料技术领域，公开了用于焊接镍基合金的镍铬铁药皮、焊条及其制备方法，镍铬铁药皮的各组分按重量百分比计，包括六氟铝酸钠35.0~45.0%、碳酸钙10.0~30.0%、金红石5.0~20.0%、钛白粉4~8%、金属铬3.0~8.0%、电解锰0.6~1.8%、硅铁1.0~4.0%、铌铁1.0~4.0%、纯碱0.5~0.8%、CMC0.3~0.6%和钼铁0.5～2.0%；同时公开了包含药皮的焊条，以及焊条的制备方法，包括如下步骤：按比例称取药皮各组分，并均匀混合，再加入药皮总重的18~22%的粘接剂搅拌均匀，再送入压涂机内将其包裹于焊芯的表面，经烘焙处理得到。本申请的焊条，利用不同的药皮成分组成和焊芯成分来实现焊条的工艺性能和力学性能的双向兼顾。同时能够有效的改善手工焊接时的操作性，提高焊接效率和降低返修率。

Description

用于焊接镍基合金的镍铬铁药皮、焊条及其制备方法

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体地说，涉及用于焊接镍基合金的镍铬铁药皮、焊条及其制备方法。

背景技术

目前，随着我国工业的不断发展，镍基合金的应用越来越广泛，镍基合金拥有良好的耐酸、耐氧化腐蚀性，因而广泛应用于石油、化工、航空、核能工业等领域，从而使得镍基合金焊接材料的需求量剧增。

当前，国内外相应的镍基合金焊条，施焊时不同程度地存在电弧稳定性差，电弧吹力小，焊接飞溅大，焊缝成形较差，脱渣性能不好，焊接时尾部发红等弊病。因此，如何解决上述弊端，是当前急需解决的问题。

发明内容

因此，本发明的第一目的在于，提供一种用于焊接镍基合金的镍铬铁药皮。

本发明的第二目的在于，提供一种用于焊接镍基合金的镍铬铁焊条，该焊条利用不同的药皮成分组成和焊芯成分来实现焊条的工艺性能和力学性能的双向兼顾。以有效的改善手工焊接时的操作性，提高焊接效率和降低返修率。该焊条可在-196℃超低温至980℃工作温度范围内安全使用，适用于航天、石油化工、食品加工设备、热处理设备等领域使用的Inconel 600对接及其与不锈钢类异种材料的焊接。

本发明的第三目的在于，提供一种用于焊接镍基合金的镍铬铁焊条的制备方法。

具体内容如下：

第一，本发明提供了一种用于焊接镍基合金的镍铬铁药皮，各组分按重量百分比计，包括：六氟铝酸钠35.0~45.0%、碳酸钙10.0~30.0%、金红石5.0~20.0%、钛白粉4~8%、金属铬3.0~8.0%、电解锰0.6~1.8%、硅铁1.0~4.0%；铌铁1.0~4.0%、纯碱0.5~0.8%、CMC0.3~0.6%、钼铁0.5～2.0%。

该发明中，药皮作为焊条组分包覆于焊芯的外表面。

（六氟铝酸钠35.0~45.0%）

六氟铝酸钠的主要作用在于造渣、去氢，其在焊接电弧的作用下电离出F -，能降低电弧气氛中氢的分压，具有与碳酸盐相同的效果。六氟铝酸钠熔点低，能够有效降低熔渣高温粘度，改善熔渣流动性，并提高导电性，改善焊缝成形，对改善焊接工艺，提高熔敷金属机械性能有很大的作用。若六氟铝酸钠的添加量低于35%时，焊条的熔深不足，而且焊缝金属熔池的流动性较差，气体上浮亦不充分，会导致焊工操作过程中在坡口边缘停顿时间过长，焊缝波纹较粗，且易发生气孔、未熔合和夹渣缺陷。因此将六氟铝酸钠的添加量控制在35.0~45.0%。

（碳酸钙10.0~30.0%）

碳酸钙选用过800目特细粉（单个碳酸钙颗粒尺寸≤18μm），与焊材行业常用的40~200目（颗粒尺寸为75~380μm）的大理石粉相比，颗粒度显著降低。特细粉的碳酸钙能够均匀分布于焊条药皮中，在焊接电弧作用下能够实现稳定分解，CO₂气体释放过程和焊条药皮熔化过程稳定，可避免大颗粒碳酸钙分解过程时CO₂气体短时大量释放而导致的电弧和熔滴过渡过程不稳定。特细粉碳酸钙分解后，产物为CaO和CO ₂气体，从而起到造渣和造气的作用。CaO是碱性氧化物，能提高熔渣碱度，稳定电弧，增大熔渣与金属表面的界面张力和表面张力，改善脱渣性能，并有较好的脱S能力，CO₂能降低电弧气氛中的氢分压，减少焊缝氢含量。但是，若特细粉碳酸钙过多，会导致焊条的透气性变差，在烘焙过程中易发生开裂。因此将特细粉碳酸钙的添加量控制在10.0~30.0%。

（金红石5.0~20.0%）

金红石的主要作用是改善渣的物理性能，把长渣变为短渣，使熔渣随温度的变化快，使焊缝成型良好，改善脱渣性。本发明将金红石的添加量控制在5.0~20.0%。

（钛白粉4.0~8.0%）

钛白粉的主要作用是增强焊条药皮的塑形、黏性，有利于焊条压涂生产。本发明将钛白粉的添加量控制在4.0~8.0%。

（金属铬3.0~8.0%）

金属铬的主要作用是提高熔敷金属中铬的含量，且其易形成Cr₂ O₃氧化膜，使得材料具有优良的抗常温、高温氧化性能，提高耐腐蚀性能。本发明将金属铬的添加量控制在3.0~8.0%。

（电解锰0.6~1.8%）

电解锰的主要作用是脱氧脱硫，提高熔敷金属中的锰含量，提高焊缝金属的强度和塑性。本发明将电解锰的添加量控制在0.6~1.8%。

（硅铁1.0~4.0%）

硅铁的主要作用是脱氧脱硫，提高熔敷金属中的硅含量。本发明将硅铁的添加量控制在1.0~4.0%。

（铌铁1.0~4.0%）

铌铁的主要作用是提高焊缝金属的强度、塑性及耐热耐腐蚀的能力，Nb是强碳化物形成元素，能形成稳定的碳化物NbC，这种碳化物极为稳定。但是随着Nb含量的增加会导致延伸率的降低，这是由于NbFe₂的体积比增加而造成，过高的Nb含量显著降低焊缝金属的韧性。因此将铌铁的添加量控制在1.0~4.0%

（纯碱0.5~0.8%）

纯碱的主要作用是润滑剂，在焊条中加入纯碱可以增加焊条的压涂性，同时也有稳弧的作用。本发明将纯碱的添加量控制在0.5~0.8%。

（CMC0.3~0.6%）

CMC的主要作用是润滑剂和粘结剂，能改善焊条的压涂性。本发明将CMC的添加量控制在0.3~0.6%。

（钼铁0.5~2.0%）

钼铁的主要作用是向熔敷金属中过渡钼含量。Mo主要为固溶强化，同时也参与形成析出强化，能够显著提高钢的蠕变极限和持久强度极限。Mo还能使再结晶温度显著升高，并使得在变形后的回复温度显著提高。本发明将钼铁的添加量控制在0.5~2.0%。

第二，本发明提供了一种用于焊接镍基合金的镍铬铁焊条，包括焊芯以及包覆于焊芯表面的药皮，所述焊芯的化学成分按重量百分比计，包括C 0.06~0.09%、 Mn 1.5~2.5%、Si≤0.15%且不包含0%、S≤0.01%且不包含0%、P≤0.02%且不包含0%、Cr 12.0~15.0%、Fe 5.0~8.0%、Nb 1.0~1.5%、Cu≤0.03%且不包含0%、余量为Ni以及不可避免的杂质。

第三，本发明提供了提供一种用于焊接镍基合金的镍铬铁焊条的制备方法，包括如下步骤：

按比例称取药皮各组分，并均匀混合，再加入药皮总重的18~22%的粘接剂搅拌均匀，再送入压涂机内将其包裹于焊芯的表面，经烘焙处理得到。

本发明的有益效果表现在：

（1）本发明的焊条解决当前的镍基合金焊条，施焊时不同程度存在电弧稳定性差，电弧吹力小，焊接飞溅大，焊缝成形较差，脱渣性能不好，焊接时尾部发红等弊病。同时，该焊条不仅具有良好的焊接工艺性能，且熔敷金属具有良好的强度和塑韧性，可适用于全位置焊接。

（2）本发明的焊条为低氢钠型焊条，焊条中各成份合理匹配，对改善焊接组织和焊缝的机械性能起到了良好的作用。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

第一，本发明提供了一种用于焊接镍基合金的镍铬铁药皮，各组分按重量百分比计，包括：六氟铝酸钠35.0~45.0%、碳酸钙10.0~30.0%、金红石5.0~20.0%、钛白粉4~8%、金属铬3.0~8.0%、电解锰0.6~1.8%、硅铁1.0~4.0%；铌铁1.0~4.0%、纯碱0.5~0.8%、CMC0.3~0.6%、钼铁0.5～2.0%。

优选地，各组分按重量百分比计，包括：六氟铝酸钠36%、碳酸钙23%、金红石19%、钛白粉5%、金属铬8%、电解锰1%、硅铁2.5%、铌铁2.5%、纯碱0.8%、CMC0.6%、钼铁1.6%。

优选地，各组分按重量百分比计，包括：六氟铝酸钠43%、碳酸钙27%、金红石10%、钛白粉6%、金属铬5%、电解锰1.8%、硅铁2%、铌铁2.8%、纯碱0.6%、CMC0.4%、钼铁1.4%。

优选地，各组分按重量百分比计，包括：六氟铝酸钠41%、碳酸钙30%、金红石8%、钛白粉8%、金属铬4%、电解锰1.5%、硅铁2%、铌铁3%、纯碱0.5%、CMC 0.3%、钼铁1.7%。

优选地，各组分按重量百分比计，包括：六氟铝酸钠45%、碳酸钙20%、金红石12%、钛白粉8%、金属铬3%、电解锰0.6%、硅铁4%、铌铁4%、纯碱0.8%、CMC 0.6%、钼铁2%。

优选地，各组分按重量百分比计，包括：各组分按重量百分比计，包括：六氟铝酸钠38%、碳酸钙25%、金红石15%、钛白粉4%、金属铬8%、电解锰0.8%、硅铁4%、铌铁2%、纯碱0.8%、CMC0.4%、钼铁2%。

优选地，各组分按重量百分比计，包括：六氟铝酸钠45%、碳酸钙10%、金红石20%、钛白粉8%、金属铬8%、电解锰1.8%、硅铁4%、铌铁1%、纯碱0.8%、CMC0.6%、钼铁0.8%。

本发明中，碳酸钙的颗粒尺寸不超过18 μm，也即是需过800目后形成的特细碳酸钙粉。

第二，本发明提供了一种用于焊接镍基合金的镍铬铁焊条，包括焊芯以及包覆于焊芯表面的药皮，所述焊芯的化学成分按重量百分比计，包括C 0.06~0.09%、 Mn 1.5~2.5%、Si≤0.15%且不包含0%、S≤0.01%且不包含0%、P≤0.02%且不包含0%、Cr 12.0~15.0%、Fe 5.0~8.0%、Nb 1.0~1.5%、Cu≤0.03%且不包含0%、余量为Ni以及不可避免的杂质。

不可避免的杂质，是熔炼时不可避免混入的杂质。

第三，本发明提供了一种用于焊接镍基合金的镍铬铁焊条的制备方法，包括如下步骤：

按比例称取药皮各组分，并均匀混合，再加入药皮总重的18~22%的粘接剂搅拌均匀，再送入压涂机内将其包裹于焊芯的表面，经烘焙处理得到。

本发明中，粘接剂为钾钠水玻璃，其中钾钠比例为10:1~5:1，波美浓度为43°~45°。

选用高钾低钠水玻璃作为粘接剂，是由于钾水玻璃能够有效地改善焊条的电弧稳定性，加入少量的钠水玻璃则能改善焊条的压涂性。将钾钠比例限定为10:1~5:1的高钾低钠水玻璃，能够同时满足两种条件的改善。

本发明中，烘焙工艺为，先经80~100℃低温烘焙，再经350~380℃高温烘焙1.5h。

<实施例>

实施例1

一种用于焊接镍基合金的镍铬铁焊条，包括焊芯以及包覆于焊芯表面的药皮，药皮的各组分见表1。

焊芯的化学组分按重量百分比计，包括C 0.06~0.09%、 Mn 1.5~2.5%、Si≤0.15%且不包含0%、S≤0.01%且不包含0%、P≤0.02%且不包含0%、Cr 12.0~15.0%、Fe 5.0~8.0%、Nb1.0~1.5%、Cu≤0.03%且不包含0%、余量为Ni以及不可避免的杂质。

取焊芯及药皮，将药皮的各组分均匀混合后，加入占药皮总重20%的43~ 45°Be＂钾钠水混合玻璃，水玻璃中钾钠比例为6:1，制备出药皮用膏体，与焊芯一起，用常规工艺在焊条生产设备上进行焊条制备。其中，烘焙工序是先经80~100℃低温烘焙，再经350~380℃高温烘焙1.5h。

按照上述工艺生产的焊条，表面光滑、成品率高、偏心稳定，焊接时电弧稳定、脱渣性良好，焊条操作性能优异，焊缝成型美观，焊道高度适中，焊缝浸润性适中。焊条金属的力学性能见表2。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，药皮的各组分不同，具体组分见表1。

按照上述工艺生产的焊条，表面光滑、成品率高、偏心稳定，焊接时电弧稳定、脱渣性良好，焊条操作性能优异，焊缝成型美观，焊道高度适中，焊缝浸润性适中。焊条金属的力学性能见表2。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于，药皮的各组分不同，具体组分见表1。

按照上述工艺生产的焊条，表面光滑、成品率高、偏心稳定，焊接时电弧稳定、脱渣性良好，焊条操作性能优异，焊缝成型美观，焊道高度适中，焊缝浸润性适中。焊条金属的力学性能见表2。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于，药皮的各组分不同，具体组分见表1。

按照上述工艺生产的焊条，表面光滑、成品率高、偏心稳定，焊接时电弧稳定、脱渣性良好，焊条操作性能优异，焊缝成型美观，焊道高度适中，焊缝浸润性适中。焊条金属的力学性能见表2。

实施例5

本实施例与实施例1的区别在于，药皮的各组分不同，具体组分见表1。

按照上述工艺生产的焊条，表面光滑、成品率高、偏心稳定，焊接时电弧稳定、脱渣性良好，焊条操作性能优异，焊缝成型美观，焊道高度适中，焊缝浸润性适中。焊条金属的力学性能见表2。

实施例6

本实施例与实施例1的区别在于，药皮的各组分不同，具体组分见表1。

按照上述工艺生产的焊条，表面光滑、成品率高、偏心稳定，焊接时电弧稳定、脱渣性良好，焊条操作性能优异，焊缝成型美观，焊道高度适中，焊缝浸润性适中。焊条金属的力学性能见表2。

表1 各样品药皮的组分配比表（质量，%）

（实验例用E表示）

药皮组分	E1	E2	E3	E4	E5	E6
							六氟铝酸钠	36	43	41	45	38	45
碳酸钙	23	27	30	20	25	10
							金红石	19	10	8	12	15	20
钛白粉	5	6	8	8	4	8
							金属铬	8	5	4	3	8	8
电解锰	1	1.8	1.5	0.6	0.8	1.8
							硅铁	2.5	2	2	4	4	4
铌铁	2.5	2.8	3	4	2	1
							纯碱	0.8	0.6	0.5	0.8	0.8	0.8
CMC	0.6	0.4	0.3	0.6	0.4	0.6
							钼铁	1.6	1.4	1.7	2	2	0.8

表2 焊条熔敷金属的力学性能（实施例用E表示）

样品	抗拉强度Rm(MPa)	屈服强度ReL(MPa)	伸长率 （%）	-196℃冲击功KV2(J)
					E1	648	410	38	133~137
E2	655	403	41.5	130~135
					E3	658	410	40.5	137~142
E4	640	383	39.5	136~141
					E5	643	408	42	137~143
E6	650	415	36	125~131

实施例1-6中的熔敷金属的强度、塑性符合标准要求。

综上所述，本发明的焊条为低氢钠型焊条，焊条中各成份合理匹配对改善焊接组织和焊缝的机械性能起到了良好作用。其熔敷金属力学性能符合GB/T13814-2008 中ENi6062和AWS A5.11中对ENiCrFe-1的要求。抗拉强度为649MPa，屈服强度383~415MPa，延伸率36~42%，-196℃冲击功(KV2)平均值约为135J。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于焊接镍基合金的镍铬铁药皮，其特征在于，该药皮选择下述任意一种组合，各组分按重量百分比计，包括：

六氟铝酸钠36%、碳酸钙23%、金红石19%、钛白粉5%、金属铬8%、电解锰1%、硅铁2.5%、铌铁2.5%、纯碱0.8%、CMC0.6%、钼铁1.6%；

六氟铝酸钠43%、碳酸钙27%、金红石10%、钛白粉6%、金属铬5%、电解锰1.8%、硅铁2%、铌铁2.8%、纯碱0.6%、CMC0.4%、钼铁1.4%；

六氟铝酸钠41%、碳酸钙30%、金红石8%、钛白粉8%、金属铬4%、电解锰1.5%、硅铁2%、铌铁3%、纯碱0.5%、CMC 0.3%、钼铁1.7%；

六氟铝酸钠45%、碳酸钙20%、金红石12%、钛白粉8%、金属铬3%、电解锰0.6%、硅铁4%、铌铁4%、纯碱0.8%、CMC 0.6%、钼铁2%；

六氟铝酸钠38%、碳酸钙25%、金红石15%、钛白粉4%、金属铬8%、电解锰0.8%、硅铁4%、铌铁2%、纯碱0.8%、CMC0.4%、钼铁2%；

六氟铝酸钠45%、碳酸钙10%、金红石20%、钛白粉8%、金属铬8%、电解锰1.8%、硅铁4%、铌铁1%、纯碱0.8%、CMC0.6%、钼铁0.8%。

2.根据权利要求1所述的用于焊接镍基合金的镍铬铁药皮，其特征在于，碳酸钙的颗粒尺寸不超过18 μm。

3.一种用于焊接镍基合金的镍铬铁焊条，其特征在于，包括焊芯以及包覆于焊芯表面的权利要求1至2中任意一项所述的药皮，所述焊芯的化学成分按重量百分比计，包括C0.06~0.09%、 Mn 1.5~2.5%、Si≤0.15%且不包含0%、S≤0.01%且不包含0%、P≤0.02%且不包含0%、Cr 12.0~15.0%、Fe 5.0~8.0%、Nb 1.0~1.5%、Cu≤0.03%且不包含0%、余量为Ni以及不可避免的杂质。

4.一种如权利要求3所述的用于焊接镍基合金的镍铬铁焊条的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

按比例称取药皮各组分，并均匀混合，再加入药皮总重的18~22%的粘接剂搅拌均匀，再送入压涂机内将其包裹于焊芯的表面，经烘焙处理得到。