产生堆焊的方法

专利名称：产生堆焊的方法
技术领域：
本发明总体涉及镍、铬、铁的焊接合金，由其制造的用于生产焊件的物件，以及 焊接件和生产这些焊件的方法。本发明还涉及焊条、焊丝、焊药涂剂(flux chemical coating)组合物以及焊接方法，以获得堆焊组合物，该堆焊组合物在原子能发电环境中尤 其具有抗失延裂纹性能，以及具有抗一次水(primary water)应力腐蚀裂纹性能。相关技术描述在包括用于原子能发电设备在内的各种焊接应用中，需要提供抵抗各种裂纹现象 的焊件。所述裂纹现象不但包括应力腐蚀裂纹，而且还包括热裂纹、冷裂纹以及根部裂纹。自20世纪的后半叶就已存在商用和军用的原子能发电。在这期间，该工业用含有 约30%的更高铬含量的合金取代了含有14%至15%铬的第一代NiCrFe合金。该变化是以 发现能用包含该含量铬的这种类型的合金来避免核纯水(pure water)中的应力腐蚀裂纹 为基础的。含约30%铬含量的NiCrFe合金现已使用了约20至25年。在核电站里需要大量焊接和被焊接产品的原子能发电设备的具体应用是核蒸汽 发生器的装配。该设备基本上是一个大的管_壳式热交换器，该热交换器可从来自一次核 反应堆冷却剂的二次水(secondary water)产生蒸汽。该蒸汽发生器的关键部件是管板。 该管板有时直径为15至20英寸，厚度大于一英寸，通常由高强度的低合金钢铸造而成，所 述合金钢必须用具有优良的可成型性并具有抗核纯水应力腐蚀裂纹性能的MCrFe合金进 行堆焊。由于管板的尺寸，在堆焊期间所述堆焊要承受相当大的残余应力。此外，在焊接金 属堆焊层(overlay)中钻孔后，其必须能够被重新焊接，所述孔接受数千个小蒸汽发生器 管。这些管子必须被焊封到堆焊层的堆焊上，以构成氦气密封的焊接。这些焊接必须具有 非常高的质量并且必须提供30至50年的可预测的寿命。另外，在堆焊层的堆焊和被焊接 的蒸汽发生器管中，必须提供极好的抗裂性。关于对抗热裂性，也称为抗“硬化裂纹”性以 及抗应力腐蚀裂纹性能的需求已通过大部分含30%铬的焊件得到解决。除了抗热裂性和抗应力腐蚀裂纹性能以外，管子与管板的焊接需要抗根部裂纹性 能。通过熔化管端和管周围的一圈堆焊层材料进行管子与管板的焊接(使用或不使用额外 的焊料)，从而密封管壁和管板的孔之间的空间。这些焊接在管子与管板界面处的焊接底部 有开裂倾向。由于其发生在焊接的根部，因此这种类型的裂纹被称为“根部裂纹”。含30% 铬的焊接合金不具有抗根部裂纹性能。可能遇到的第三种类型的裂纹是冷裂纹，也称为“失延裂纹”或“DDC”。该裂纹仅 发生在完成焊接凝固后的固化状态。在凝固发生后，由于在较低温度下焊接合金体积的减 少，收缩应力开始出现。同时，一旦凝固完成，对于几百度延展性复原迅速发生，然后延展性急剧暂时丧失，接着延展性再进一步逐步连续恢复直至到达室温。如果当合金显示出这种 急剧的延展性丧失时，冷却的残余应力足够大，那么可以发生固态裂纹(DDC)。这是由于在 通常温度下，不具有足以抵抗应力的强度或延展性的部分微观结构造成的。目前可商购的 含有30%铬的焊接合金不能充分抵抗DDC。在过去十年间，在用于核工业的单相奥氏体镍-铬-铁合金和焊接产品中，失延裂 纹(DDC)/冷裂纹已成为引起人们关注的主题。科学界已经意识到含约30% Cr的NiCrFe 合金具有抗核环境中的一次水应力腐蚀裂纹(PWSCC)的性能。然而，较高的Cr水平，以及减 少的Nb，趋于得到沿长直的树枝状结晶边界取向附生凝固的堆焊。当经受较高应变和升高 的温度时，这些边界尤其易于产生DDC。这些现象在含30%铬的镍合金中似乎更为普遍，所 述镍合金例如因科内尔合金690和AWS级NiCrFe-7的焊接产品。因科内尔焊料52M和焊 带52M(AWS级NiCrFe-7A-UNS3N06054)的发明已经解决了 DDC裂纹的倾向性。美国专利第 6，242，113号公开的本发明人的发明包括了这些产品，在此将其全部内容引入作为参考。本 申请具体解决了在药皮焊条中的DDC/冷裂纹。美国焊接学会(“AWS”)和美国国家标准协会(“ANSI”)的各种规范是令人关 注的背景信息，即ANSI/AWS规范A5. 11/A5. 11 M :2005，题为“用于屏蔽金属弧焊的镍和镍 合金焊条的规范” ("Specification for Nickel andNickel-Alloy Welding Electrodes for Shielded Metal Arc Welding”)和 ANSI/AWS 规范 A5. 14/A5. 14 M :2005，题为“镍禾口 镍合金的裸焊条和焊棒的规范” ("Specification for Nickel and Nickel-Alloy Bare Welding Electrodesand Rods”)。在此将这两篇规范的全部内容引入作为参考。发明概述本发明的目的是提供镍、铬、铁的焊接合金，由此制得的焊件，以及焊接方法，该焊 接方法除了提供抗热裂纹、抗DDC/冷裂纹、抗根部裂纹以及抗应力腐蚀裂纹的性能以外， 还提供期望的强度和耐蚀性。本发明的另一目的是提供具有焊剂涂层的镍、铬、铁型焊接合金，该焊接合金尤其 适用于装配原子能发电所使用的设备。根据本发明，提供了用于产生堆焊的镍、铬、铁合金。按照重量百分比，所述合金包 含约27%至31%的铬；约6%至11%的铁；约0.01%至0. 04%的碳；约1.5%至4%的锰； 约至3%的铌和钽；低于0. 75%的硅；约0.01%至0. 50%的钛；至多0. 50%的铝；低于 0. 50的铜；低于1.0%的钨；低于1.0%的钼；低于0. 12%的钴；约0. 0003%至0. 02%的 锆；低于约0.015%的硫；约0. 0005%至0. 004%的硼；低于约0. 02%的磷；高达约0. 02的 镁；以及余量的镍(优选最少48% Ni)和附带的杂质。以铬含量来说，所述合金具有足够的抗应力腐蚀裂纹性能。所述合金的形式可以 是堆焊、药皮焊条、具有药皮的焊丝形式的焊条、具有焊剂芯的鞘形式的焊条、堆焊层或包 含合金基体的焊件，例如带有本发明合金堆焊层的钢。其可用于产生堆焊或焊件的方法，该 焊件的形式是用于产生堆焊的药皮焊条。产生堆焊的方法可包括生产镍、铬焊丝或镍、铬、 铁焊丝的药皮焊条，以及使用“短弧”熔化焊条以产生堆焊，同时由于焊剂涂层和堆焊的相 互作用，保持期望水平的硼、锆和镁。短弧被定义为从焊条端到堆焊的距离，并且该距离小 于0. 125英寸并优选为约0. 020至0. 040英寸。为了堆焊的优良抗裂纹性能，期望将堆焊 中Nb:Si之比维持在5 1至7 1。本领域技术人员公知焊条药皮的生产，因此无需在此详细描述。本发明的焊剂涂层包含氟化物、氧化物、碳酸盐以及本文提及的所选金属间化合 物的混合物。简言之，本发明涉及Ni-Cr-Fe合金，按重量百分比，其包含27-31Cr、6_llFe、 0. 01-0. 04C、1. 5-4Mn、l-3Nb、高达 3Ta、1-3(Nb+Ta)、0· 10-0· 50Ti、0· 0003-0.02Zr、 0· 0005-0. 004Β、< 0.50Si、至多 0· 20A1、< 0. 20Cu、< LOW、< 1· ΟΜο、< 0. 12Co、
<0. 015S、< 0. 015P、至多0. OlMg、余量的Ni和附带的添加物和杂质。优选地，该合金至 少包含 48% 的 Ni。更优选地，该合金包含 29-31Cr、6. 5_9Fe、0. 0007-0. 004B、2. 5-3. 5Mn、 0. 003-0. OlZr 和至少 50Ni。本发明还包括不掺杂的Ni-Cr-Fe合金堆焊，按重量百分比，其包含27_31Cr、 6-llFe、0. 01-0. 04C、1. 5_4Mn、l_3Nb、高达 3Ta、1-3 (Nb+Ta)、0. 10-0. 50Ti、0. 0003-0. 02Zr、 0. 0005-0. 004B、< 0.50Si、至多 0· 20A1、< 0. 20Cu、< LOW、< 1. 0Mo、< 0. 12Co、
<0. 015S、< 0. 015P、0. 004-0. OlMg、余量的Ni和附带的添加物和杂质。优选地，该堆焊至 少包含50Ni。优选地，该堆焊还包含0. 0007-0. 003B、0. 001-0. 01&和至少50Ni。更进一 步优选，该堆焊包含0. 0005-0. 002B、0. 001-0. OlZr和至少50Ni。根据本发明，目前优选的用于产生堆焊的方法包括以下步骤提供具有与之相 关焊剂的Ni-Cr-Fe或Ni-Cr-Fe焊丝的药皮焊条以及用短弧技术在焊接步骤中熔化所 述焊条或焊丝，其中焊条或钢丝端与堆焊的间隔小于0. 125英寸，以产生堆焊，按重量百 分比，该堆焊包含27-31Cr、6-llFe、0. 01-0. 04C、1. 5_4Mn、l_3Nb、高达 3Ta、1-3 (Nb+Ta)、 0. 01-0. 50Ti、0. 0003-0. 02Zr、0. 0005-0. 004B、< 0. 50Si、至多 0. 50A1、< 0. 50Cu、< 1. Off,
<1. 0Mo、< 0. 12Co、< 0. 015S、< 0. 015P、0. 004-0. OlMg、余量的 Ni 和附带的添加物和杂 质。焊条或焊丝端至堆焊的间隔优选为0.02至0.04英寸。优选使用屏蔽金属电弧法进行 本发明的焊接步骤。在本方法中，焊剂优选包含一种或多种M、Mg和Si的混合物并产生堆 焊，其中Nb和Si的重量比为5 1至7 1。发明详细描述本发明的NiCrFe焊接合金含有足量的镍和铬，并且相当严格地控制次要化学组 分以及痕量元素，以便于除了提供极好的抗应力腐蚀裂纹性能以外，还提供适当的耐蚀性。 另外，该合金在重新加热的条件下必须具有抗硬化裂纹性能、抗根部裂纹性能以及抗冷裂 纹性能。为了赋予抗硬化裂纹性能，对于其合金元素，所述合金应具有足够的溶解性以及 窄的液相线_固相线温度范围。同样，该合金应具有低水平的硫、磷和其它低熔点的元素， 并且该合金应含有最低水平的在合金中形成低熔点相的元素。通过提高晶界的热稳性和延展性来控制抗冷裂纹性能。根据本发明的范围，其通 过铌、锆和硼的仔细组合得以实现。需要限制铌含量来避免二次相(secondary phases)的 形成，同时有助于固态的晶界强度。对于抗应力腐蚀裂纹性能也需要铌。硼有助于晶界强 度并且改善热延展性，但是高于本发明的水平时，对抗热裂纹性能是不利的。锆改善了晶界 的固态强度和延展性，并改善了晶界的抗氧化性。当高于本发明的水平时，锆导致热裂纹。 当硼和锆的水平低于本发明时，具有相对较低的抗冷裂纹性能。当单独加入硼时，显示出对 抗冷裂纹性能非常微小的改进，但是使用本发明水平的硼和锆时，基本上消除冷裂纹。镍合金焊接领域的技术人员很容易理解，指定用于核设施(nuclearservice)的
5焊接的质量要求包括抗热裂纹性能、抗冷裂纹性能、抗弯曲裂纹性能、抗根部裂纹性能以及 抗弧坑裂纹性能。现有的MCrFe-7分类产品通常对大部分这些类型的裂纹提供不同程度 的抵抗性能，但是倾向于DDC。对本发明进行设计以提供对DDC的补救以及改善的抗弧坑裂 纹性能，从而使用屏蔽金属弧焊法(SMAW)能够进行焊接。失延裂纹是一种现象，其特征在 于，在远低于单相奥氏体NiCrFe合金和焊缝的固相线温度下，固态中发生的晶界裂纹。这 被认为与高温蠕变现象有关，并且例如加入少量的硼和锆以改善晶界强度和延展性。以下 试验用于评价上述类型的裂纹(1)通过堆焊层堆焊的渗液探伤试验来评价热裂纹和弧坑裂纹；(2)对具有模拟管子和管板焊接和修补的堆焊层中的一系列钻孔进行切割、蚀刻， 并在60倍的放大倍数下评价以检查DDC和任何其它的热裂纹迹象；(3)为了评价根部裂纹，使用端面焊缝，将因科内尔合金690的固定板(solid plate)沿着焊接堆焊层的一侧进行焊接，以模拟管子和管板的焊缝。对该接缝进行切割、磨 光，并在60倍的放大倍数下，在沿其长度的不同位置进行观察以检查根部裂纹趋势；(4)还将标准3/8英寸厚的横向侧弯从焊接堆焊层上切下，并绕2T心轴弯曲 180°。然后使用每次弯曲所记录的裂缝数和裂缝尺寸来研究被拉长约20%的弯曲外表面 的弯曲裂纹或“裂缝”。一系列堆焊的化学性质如以下表1所示。每种堆焊的化学组成包含约30% Cr、 58% Ni、8% Fe和不同含量的Nb、Mn以及其它微量元素。在表中每一组分之下将上述试验的 简要报告制成表格。表格和结果是显而易见的，但是对硼和锆与DDC或冷裂纹的检验表明， 当不含两者之一或不含两者时，规律性出现冷裂纹；而在硼含量为约0. 0005%至0. 004%, 且锆含量为约0. 0003%至0. 02%时，可避免冷裂纹。还应指出，当具有足够水平的Nb和 Mn,并适当控制其它微量元素时，可避免热裂纹。硼和锆的添加以及改善的Nb和Mn水平的 另一优点是可以降低Al的水平，这改善抗弧坑裂纹性能。指定批号83F8短弧和76F9HTG 的表1的试验显示，用于得到最高质量堆焊的焊条堆焊的最佳化学组分。根据本发明，通过 SMAW法堆焊的不掺杂的化学组成如下所示优选地，最少48% Ni ；27%至31% Cr ；6%至 11% Fe ；至 3% Nb ；1. 5%至 4% Mn ；0. 01 至 0. 04% C ；0. 005 至 0. OlMg ；低于 0. 015% S ；低于 0. 015% P ；0. 0005%至 0. 004% B ；0. 0003%至 0. 02% Zr ；0. 01%至 0. 50% Ti ；以 及至多0.50% Al。在其它功能中，Nb和Ta形成一次碳化物(源自熔融物)，该碳化物在凝 固过程中趋于控制晶粒大小和针状(Pin)晶界，并且趋于冷却，以使得在晶界产生更大的 迂曲度。弯曲的晶界有利于在焊接过程中减少产生DDC(失延裂纹)的趋势。本文引用的 AffS规范包括题为Nb+Ta的专栏。在历史上，这些元素被列在一起，这是因为它们一起天然 地出现在地壳中，并且在电子学应用出现之前，人们没有花费过多的精力将全部的Ta从Nb 中提取出来。由于它们一起出现并且行为相似，所以将它们列在一起。这两种元素都具有 非常高的熔化温度，但是铌的密度约是钽的一半。这两种元素都具有体心立方晶体结构并 都具有同样的晶格参数(最接近原子)。因此，这些观测的实践结果为，由于钽的成本极高， 通常它不作为添加物与铌一同使用。铌的密度约是钽的一半。这导致Ta在作为碳化物形 成元素(carbide former)时所起的作用是铌的一半。虽然Ta可以是更活泼的碳化物形成 元素，但是需要两倍的铌的重量百分比，以提供与铌相同的原子数。使用本发明的这种堆焊材料(指定为“152M”)所获得的通常机械性能为
152M-机械性能硬度TS0. 2% YS 伸长率％90Rb96ksi60ksi35%表 权利要求
产生堆焊的方法，其包括如下步骤提供具有与之相关焊剂的Ni Cr Fe或Ni Cr Fe焊丝的药皮焊条以及用短弧技术在焊接步骤中熔化所述焊条或焊丝，其中所述焊条或焊丝端与堆焊的间隔小于0.125英寸，以产生堆焊，按重量百分比，所述堆焊包含27 31Cr、6 11Fe、0.01 0.04C、1.5 4Mn、1 3Nb、高达3Ta、1 3(Nb+Ta)、0.01 0.50Ti、0.0003 0.02Zr、0.0005 0.004B、＜0.50Si、至多0.50Al、＜0.50Cu、＜1.0W、＜1.0Mo、＜0.12Co、＜0.015S、＜0.015P、0.004 0.01Mg、余量的Ni和附带的添加物和杂质。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述焊条或焊丝端与堆焊的所述间隔为0.02至 0. 04英寸。
3.如权利要求1所述的方法，其中使用屏蔽金属弧焊法进行所述焊接步骤。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述焊剂包含Ni、Mg和Si的混合物并产生堆焊，其 中Nb和Si的重量比为5 1至7 1。
全文摘要
使用Ni-Cr-Fe合金的Ni-Cr-Fe合金形式的堆焊、焊条和焊剂以及焊接方法。所述合金按重量百分比包含27-31Cr、6-11Fe、0.01-0.04C、1.5-4Mn、1-3Nb、高达3Ta、1-3(Nb+Ta)、0.01-0.50Ti、0.0003-0.02Zr、0.0005-0.004B、＜0.50Si、至多0.50Al、＜0.50Cu、＜1.0W、＜1.0Mo、＜0.12Co、＜0.015S、＜0.015P、至多0.01Mg、余量的Ni和附带的添加物和杂质。所述焊接方法包括使用短弧的焊接，其中焊条端至堆焊的距离保持在小于0.125英寸。
文档编号B23K35/30GK101979210SQ20101029370
公开日2011年2月23日 申请日期2006年1月25日 优先权日2005年1月25日
发明者赛缪尔·D·凯泽 申请人:亨廷顿冶金公司