CN114260615A - T91-tp304h异种材料焊接用焊丝及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种T91‑TP304H异种材料焊接用焊丝及制备方法,该焊丝包括药芯和焊皮,其中药粉按质量百分比由以下组分组成:Cr粉45~50%,Mo粉17~20%,Nb粉13~15%,V粉8~10%,锰铁粉3~5%,硅铁粉2~4%,Al粉1~3%,Cu粉1~3%,以上组分质量百分比之和为100%。其制备方法为:将Cr粉、Mo粉、Nb粉、V粉、锰铁粉、硅铁粉、Al粉和Cu粉混合后烘干,然后纯镍带包裹,拉拔即得。本发明的药芯焊丝所得焊接接头具有优良的强韧性;本发明药芯焊丝合金元素较少,制备工艺简单,便于进行大规模批量生产。
Description
技术领域
本发明属于金属材料焊接技术领域,具体涉及T91-TP304H异种材料焊接用焊丝及该焊丝的制备方法。
背景技术
火电厂用钢对材料性能要求比较苛刻,在力学性能方面,主要是室温和高温的强度。T91钢的性能满足ASME-AS335的标准规定,室温抗拉强度可达770MPa,而且塑韧性较好,加工性和抗氧化性也较好,具有优越的综合力学性能。在物理性能方面,T91钢具有良好的导热性能,热交换效率较高,可以减小管道和附件的温度梯度应力;具有低的热膨胀系数,使用它能够降低温度梯度产生的热瞬时应力和热膨胀应力,能够很好的适应火电厂恶劣的高温高压环境。此外,由于T91钢在高温下具有优异的性能,减小管道壁厚也不影响其功能,因此可以减轻管子重量,降低管道对汽轮机和锅炉等设备的推力,提高管道***的弹性,且便于管道的加工和安装。
TP304H不锈钢属于奥氏体耐热钢,用于制造过热器、再热器的高温管道,其特点是持久强度高、抗氧化和抗腐蚀性能优越。在电厂管道***中,随着各个部位工作温度的不同,火力发动机组各部件相应的使用各种不同化学成分和组织结构的钢材,必然会遇到异种钢的焊接问题。其中,T91与TP304H管道连接就是典型的电厂异种钢连接形式。但是,目前在进行T91和TP304H焊接的时候,未有专门针对T91和TP304H异种材料连接匹配的焊接材料。由于T91和TP304H存在热物理性能、化学成分的差异,导致焊接连接时易出现应力集中、合金元素扩散等现象,影响整体的使用性能。因此,开发一种专门用于T91和TP304H连接用的焊接材料,具有重要的工程实际意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种T91-TP304H异种材料焊接用焊丝,解决T91-TP304H异种材料焊接时性能不稳定等问题。
本发明的另一个目的是提供一种T91-TP304H异种材料焊接用焊丝的制备方法。
为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案如下:
一种T91-TP304H异种材料焊接用焊丝,包括药芯和焊皮,其中药粉按质量百分比由以下组分组成:Cr粉45~50%,Mo粉17~20%,Nb粉13~15%,V粉8~10%,锰铁粉3~5%,硅铁粉2~4%,Al粉1~3%,Cu粉1~3%,以上组分质量百分比之和为100%。
本发明的特点还在于:
药粉包括的八种金属粉的纯度均≥99.9%,八种金属粉的粒度均为200目。
焊皮采用纯镍带,纯镍带厚度0.3mm,宽度7mm。
药芯焊丝的填充量控制在35~40wt%。
本发明所采用的第二个技术方案是,T91-TP304H异种材料焊接用焊丝的制备方法,具体步骤如下:
步骤1:按质量百分比分别称取Cr粉45~50%,Mo粉17~20%,Nb粉13~15%,V粉8~10%,锰铁粉3~5%,硅铁粉2~4%,Al粉1~3%,Cu粉1~3%,以上组分质量百分比之和为100%;
步骤2:将步骤1称取的粉末,置于真空加热炉内加热,加热温度为260-300℃,保温时间为0.5-1h,去除药粉中的结晶水;烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合,混合时间为0.3-0.5h;
步骤3:采用酒精去除纯镍带表面的油脂,通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内,第一道拉拔磨具孔径为2.5mm;
步骤4:第一道工序拉拔完毕后,将磨具孔径依次换至2.3mm,2.2mm,2.1mm,2.0mm,1.9mm,1.8mm,1.7mm,1.6mm,1.5mm,1.4mm,1.3mm,1.2mm孔径的磨具拉拔,最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm;
步骤5:药芯焊丝拉拔完毕后,经绕丝机缠绕在焊丝盘上,最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
本发明所采用的第三个技术方案是,采用上述焊丝焊接T91-TP304H异种材料的坡口形式,开V型坡口,其中T91侧的坡口角度为30°,TP304H侧的坡口角度为20°。
本发明的有益效果是,
(1)采用Cr、Mo、Nb、V等多合金复合强化,可有效提高焊缝的强度和韧性;
(2)考虑T91铁素体钢和TP304H奥氏体钢中Cr含量不同所导致的增碳与脱碳问题,合理设计焊丝中的Cr含量,从而降低T91铁素体焊缝侧的脱碳与TP304H奥氏体不锈钢侧的增碳现象。
(3)采用纯镍焊带拉拔,含C量较低,接头脆性倾向小;
(4)本发明药芯焊丝直径比较小,丝径为1.2mm的药芯焊丝适用广泛,该药芯焊丝既可用于TIG焊,又可用于MIG焊;
(5)T91-TP304H异种材料焊接时,T91侧的坡口角度大于TP304H侧,主要是考虑两侧母材不同的合金元素而设定的。和TP304H相比,增大T91侧坡口角度,可有效降低T91母材焊接时的稀释率,从而降低脱碳问题。
(6)本发明药芯焊丝合金元素较少,制备工艺简单,便于进行大规模批量生产。
附图说明
图1是本发明中T91-TP304H异种材料焊接时的坡口结构;
图2为实施案例2制备的药芯焊丝,在T91-TP304H异种材料焊接时,TP1与焊缝界面处的显微组织(采用4%硝酸酒精腐蚀);
图3为实施案例2制备的药芯焊丝,在T91-TP304H异种材料焊接时,焊缝处的显微组织(采用王水腐蚀,横截面);
图4为实施案例2制备的药芯焊丝,在T91-TP304H异种材料焊接时,焊缝处的显微组织形貌(采用王水腐蚀,纵截面);
图5为实施案例2制备的药芯焊丝,在T91-TP304H异种材料焊接时,焊缝处的冲击断口形貌。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明T91-TP304H异种材料焊接用焊丝,包括药芯和焊皮,其中药粉按质量百分比由以下组分组成:Cr粉45~50%,Mo粉17~20%,Nb粉13~15%,V粉8~10%,锰铁粉3~5%,硅铁粉2~4%,Al粉1~3%,Cu粉1~3%,以上组分质量百分比之和为100%。
药粉包括的八种金属粉的纯度均≥99.9%,八种金属粉的粒度均为200目。
焊皮采用纯镍带,纯镍带厚度0.3mm,宽度7mm。
药芯焊丝的填充量控制在35~40wt%。
该药芯焊丝中各组分的作用和功能如下:
焊皮采用纯镍带,Ni与两侧母材之间的焊接性较好,以Ni为主的焊缝,其低温韧性较优异。此外,Ni元素是石墨化的元素,能够提高碳原子的活性,降低碳的扩散速率以及碳化物的稳定性,减缓从低合金耐热钢侧向高合金钢侧的碳迁移。
Cr作为药芯焊丝药粉的主要合金组元,Cr能够扩大α-Fe相区,封闭γ-Fe相区,升高A1点,Cr在α-Fe中可以形成置换固溶体并能够无限固溶,可以较强的形成碳化物。Cr元素具有提高耐热钢抗氧化性、抗腐蚀能力的作用。含Cr量小于5%时,600℃开始剧烈氧化,而含Cr含量超过5%时具有良好的抗氧化性。T91本身母材的含Cr量约在8~10%之间,本申请中提高焊缝中的Cr含量,可有效改善T91一侧贫Cr的产生。
Mo作为药芯焊丝药粉的主要合金元素,Mo元素也可以扩大α-Fe相区,封闭γ-Fe相区,强烈升高A1点。Mo可以在α-Fe中形成置换固溶体,但不能无限固溶,是强碳化物形成元素。
V和Nb作为药芯焊丝药粉的主要合金元素,均是强碳化物形成元素,加入后能与碳形成细小而稳定的合金碳化物,有很强的弥散强化效果。V可以扩大α-Fe相区,封闭γ-Fe相区,强烈升高A1点,V在α-Fe中可以形成置换固溶体并能够无限固溶,也是强碳化物形成元素。Nb也可以扩大α-Fe相区,封闭γ-Fe相区,强烈升高A1点。
C是钢中固溶强化最明显的元素,随含C量的增加,钢的短时强度上升,塑性、韧性下降,对于T91这类铁素体钢而言,含C量的上升会加快碳化物球化和聚集速度,加速合金元素的再分配,降低钢的焊接性、耐腐蚀性和抗氧化性,故本发明中采用纯镍焊带拉拔,含C量较低,通过其余的合金元素强化来弥补由于低碳而造成的强度下降。
Al作为药芯焊丝药粉的另一个添加元素,Al可以与N形成AlN,AlN在1100℃以上才大量溶入基体,在较低温度下又重新析出,能起到较好的弥散强化效果。
药芯焊丝药粉中添加了一定量的Cu元素,Cu元素可以在钢管的服役过程中产生弥散、沉淀于奥氏体基体内的富铜相,并与其紧密结合。这种富铜相遇NbC、NbN、NbCrN和M23C6等化合物起到极佳的弥散强化作用。
上述T91-TP304H异种材料焊接用焊丝的制备方法,具体步骤如下:
步骤1:按质量百分比分别称取Cr粉45~50%,Mo粉17~20%,Nb粉13~15%,V粉8~10%,锰铁粉3~5%,硅铁粉2~4%,Al粉1~3%,Cu粉1~3%,以上组分质量百分比之和为100%;
步骤2:将步骤1称取的粉末,置于真空加热炉内加热,加热温度为260-300℃,保温时间为0.5-1h,去除药粉中的结晶水;烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合,混合时间为0.3-0.5h;
步骤3:采用酒精去除纯镍带表面的油脂,通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内,第一道拉拔磨具孔径为2.5mm;
步骤4:第一道工序拉拔完毕后,将磨具孔径依次换至2.3mm,2.2mm,2.1mm,2.0mm,1.9mm,1.8mm,1.7mm,1.6mm,1.5mm,1.4mm,1.3mm,1.2mm孔径的磨具拉拔,最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm;
步骤5:药芯焊丝拉拔完毕后,经绕丝机缠绕在焊丝盘上,最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
如图1所示,采用上述焊丝焊接T91-TP304H异种材料时,开V型坡口,其中T91侧的坡口角度为30°,TP304H侧的坡口角度为20°。
实施例1
步骤1:按质量百分比分别称取Cr粉45%,Mo粉17%,Nb粉15%,V粉8%,锰铁粉5%,硅铁粉4%,Al粉3%,Cu粉3%,以上组分质量百分比之和为100%;
步骤2:将步骤1称取的粉末,置于真空加热炉内加热,加热温度为260℃,保温时间为0.5h,去除药粉中的结晶水;烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合,混合时间为0.3h;
步骤3:采用酒精去除纯镍带表面的油脂,通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内,第一道拉拔磨具孔径为2.5mm;
步骤4:第一道工序拉拔完毕后,将磨具孔径依次换至2.3mm,2.2mm,2.1mm,2.0mm,1.9mm,1.8mm,1.7mm,1.6mm,1.5mm,1.4mm,1.3mm,1.2mm孔径的磨具拉拔,最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm;
步骤5:药芯焊丝拉拔完毕后,经绕丝机缠绕在焊丝盘上,最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例1制备的药芯焊丝进行T91-TP304H异种材料的焊接,开V型坡口,其中T91侧的坡口角度为30°,TP304H侧的坡口角度为20°。采用多层多道方式进行焊接,焊接方法选择TIG焊,焊接电流选择80~120A,层间温度控制在100~150℃。
经测试,焊接接头力学性能为:抗拉强度701MPa,断后延伸率20%,室温冲击韧性为90J。
实施例2
步骤1:按质量百分比分别称取Cr粉50%,Mo粉20%,Nb粉13%,V粉10%,锰铁粉3%,硅铁粉2%,Al粉1%,Cu粉1%,以上组分质量百分比之和为100%;
步骤2:将步骤1称取的合金粉末,置于真空加热炉内加热,加热温度为300℃,保温时间为1h,去除药粉中的结晶水;烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合,混合时间为0.5h;
步骤3:采用酒精去除纯镍带表面的油脂,通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内,第一道拉拔磨具孔径为2.5mm;
步骤4:第一道工序拉拔完毕后,将磨具孔径依次换至2.3mm,2.2mm,2.1mm,2.0mm,1.9mm,1.8mm,1.7mm,1.6mm,1.5mm,1.4mm,1.3mm,1.2mm孔径的磨具拉拔,最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm;
步骤5:药芯焊丝拉拔完毕后,经绕丝机缠绕在焊丝盘上,最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例2制备的药芯焊丝进行T91-TP304H异种材料的焊接,开V型坡口,其中T91侧的坡口角度为30°,TP304H侧的坡口角度为20°。采用多层多道方式进行焊接,焊接方法选择TIG焊,焊接电流选择80~120A,层间温度控制在100~150℃。
经测试,焊接接头力学性能为:抗拉强度731MPa,断后延伸率22%,室温冲击韧性为94J。
实施例2制备得到的药芯焊丝焊接T91-TP304H异种材料,所得到的焊接接头T91与焊缝界面处的形貌如图2所示,从图中可以看出,由于T91和TP304的耐蚀性差异,采用4%硝酸酒精腐蚀后,T91处呈现出马氏体组织,而焊缝处由于焊皮采用纯镍带,Ni含量较高,耐蚀性强,在4%硝酸酒精腐蚀后未显现出组织。图3是焊缝经过王水(浓盐酸HCl和浓硝酸HNO3按体积比为3:1组成的混合物)腐蚀后的组织形貌,焊缝主要以柱状树枝晶γ相为主。图4是焊缝纵截面的显微组织形貌,从图中可以看出,图3中的柱状树枝晶的截面为等轴状组织。图5是焊缝冲击试验后的断口形貌,可以看出焊缝主要以轫窝为主,韧性较好。
实施例3
步骤1:按质量百分比分别称取Cr粉47%,Mo粉18%,Nb粉14%,V粉9%,锰铁粉4%,硅铁粉3%,Al粉2%,Cu粉3%,以上组分质量百分比之和为100%;
步骤2:将步骤1称取的合金粉末,置于真空加热炉内加热,加热温度为280℃,保温时间为0.7h,去除药粉中的结晶水;烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合,混合时间为0.4h;
步骤3:采用酒精去除纯镍带表面的油脂,通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内,第一道拉拔磨具孔径为2.5mm;
步骤4:第一道工序拉拔完毕后,将磨具孔径依次换至2.3mm,2.2mm,2.1mm,2.0mm,1.9mm,1.8mm,1.7mm,1.6mm,1.5mm,1.4mm,1.3mm,1.2mm孔径的磨具拉拔,最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm;
步骤5:药芯焊丝拉拔完毕后,经绕丝机缠绕在焊丝盘上,最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例3制备的药芯焊丝进行T91-TP304H异种材料的焊接,开V型坡口,其中T91侧的坡口角度为30°,TP304H侧的坡口角度为20°。采用多层多道方式进行焊接,焊接方法选择TIG焊,焊接电流选择80~120A,层间温度控制在100~150℃。
经测试,焊接接头力学性能为:抗拉强度722MPa,断后延伸率23%,室温冲击韧性为89J。
实施例4
步骤1:按质量百分比分别称取Cr粉48%,Mo粉17.5%,Nb粉14.5%,V粉8%,锰铁粉3.5%,硅铁粉3.5%,Al粉2.5%,Cu粉2.5%,以上组分质量百分比之和为100%;
步骤2:将步骤1称取的合金粉末,置于真空加热炉内加热,加热温度为270℃,保温时间为0.8h,去除药粉中的结晶水;烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合,混合时间为0.35h;
步骤3:采用酒精去除纯镍带表面的油脂,通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内,第一道拉拔磨具孔径为2.5mm;
步骤4:第一道工序拉拔完毕后,将磨具孔径依次换至2.3mm,2.2mm,2.1mm,2.0mm,1.9mm,1.8mm,1.7mm,1.6mm,1.5mm,1.4mm,1.3mm,1.2mm孔径的磨具拉拔,最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm;
步骤5:药芯焊丝拉拔完毕后,经绕丝机缠绕在焊丝盘上,最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例4制备的药芯焊丝进行T91-TP304H异种材料的焊接,开V型坡口,其中T91侧的坡口角度为30°,TP304H侧的坡口角度为20°。采用多层多道方式进行焊接,焊接方法选择TIG焊,焊接电流选择80~120A,层间温度控制在100~150℃。
经测试,焊接接头力学性能为:抗拉强度739MPa,断后延伸率22%,室温冲击韧性为94J。
实施例5
步骤1:按质量百分比分别称取Cr粉46.5%,Mo粉20%,Nb粉15%,V粉8.5%,锰铁粉4.5%,硅铁粉2.5%,Al粉1.5%,Cu粉1.5%,以上组分质量百分比之和为100%;
步骤2:将步骤1称取的合金粉末,置于真空加热炉内加热,加热温度为290℃,保温时间为0.9h,去除药粉中的结晶水;烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合,混合时间为0.45h;
步骤3:采用酒精去除纯镍带表面的油脂,通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内,第一道拉拔磨具孔径为2.5mm;
步骤4:第一道工序拉拔完毕后,将磨具孔径依次换至2.3mm,2.2mm,2.1mm,2.0mm,1.9mm,1.8mm,1.7mm,1.6mm,1.5mm,1.4mm,1.3mm,1.2mm孔径的磨具拉拔,最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm;
步骤5:药芯焊丝拉拔完毕后,经绕丝机缠绕在焊丝盘上,最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例5制备的药芯焊丝进行T91-TP304H异种材料的焊接,开V型坡口,其中T91侧的坡口角度为30°,TP304H侧的坡口角度为20°。采用多层多道方式进行焊接,焊接方法选择TIG焊,焊接电流选择80~120A,层间温度控制在100~150℃。
经测试,焊接接头力学性能为:抗拉强度737MPa,断后延伸率26%,室温冲击韧性为95J。
Claims (5)
1.一种T91-TP304H异种材料焊接用焊丝,其特征在于,包括药芯和焊皮,其中药粉按质量百分比由以下组分组成:Cr粉45~50%,Mo粉17~20%,Nb粉13~15%,V粉8~10%,锰铁粉3~5%,硅铁粉2~4%,Al粉1~3%,Cu粉1~3%,以上组分质量百分比之和为100%。
2.根据权利要求1所述的T91-TP304H异种材料焊接用焊丝,其特征在于,药粉包括的八种金属粉的纯度均≥99.9%,八种金属粉的粒度均为200目。
3.根据权利要求1所述的T91-TP304H异种材料焊接用焊丝,其特征在于,焊皮采用纯镍带,纯镍带厚度0.3mm,宽度7mm。
4.根据权利要求1所述的T91-TP304H异种材料焊接用焊丝,其特征在于,药芯焊丝的填充量控制在35~40wt%。
5.权利要求1至4任一项所述的T91-TP304H异种材料焊接用焊丝的制备方法,其特征在于,具体步骤如下:
步骤1:按质量百分比分别称取Cr粉45~50%,Mo粉17~20%,Nb粉13~15%,V粉8~10%,锰铁粉3~5%,硅铁粉2~4%,Al粉1~3%,Cu粉1~3%,以上组分质量百分比之和为100%;
步骤2:将步骤1称取的粉末,置于真空加热炉内加热,加热温度为260-300℃,保温时间为0.5-1h,去除药粉中的结晶水;烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合,混合时间为0.3-0.5h;
步骤3:采用酒精去除纯镍带表面的油脂,通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内,第一道拉拔磨具孔径为2.5mm;
步骤4:第一道工序拉拔完毕后,将磨具孔径依次换至2.3mm,2.2mm,2.1mm,2.0mm,1.9mm,1.8mm,1.7mm,1.6mm,1.5mm,1.4mm,1.3mm,1.2mm孔径的磨具拉拔,最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm;
步骤5:药芯焊丝拉拔完毕后,经绕丝机缠绕在焊丝盘上,最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
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