耐热高温镍基合金焊丝及焊接方法
【专利摘要】本发明涉及焊接材料和工艺【技术领域】。一种耐热高温镍基合金焊丝，其化学成分质量百分比为：C0.005-0.05%，Mn0.05-0.8%，Si0.05-0.5%，Cr23-24%，Al0.2-0.4%，Ti0.1-0.2%，且Al/Ti=2，Ni60-64%，S0.001-0.005％，P0.001-0.01%，余者为Fe，以及其他不可避免的杂质元素。一种耐热高温镍基合金焊丝的焊接方法，是基于上述焊丝成分，以气体保护焊为主的弧焊，焊接电流70-150A，电弧电压为10-18V，焊接速度为150-220mm/min，层间温度控制在100℃以内。本发明能应用在光亮退火马弗炉修复制造过程中，满足耐高温运行条件要求。
【专利说明】耐热高温镍基合金焊丝及焊接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及焊接材料和工艺【技术领域】，主要涉及一种用于镍基合金体系中耐热高温合金修复或者焊接制造以及耐热高温合金与碳钢、不锈钢等异种钢的焊接中，尤其适用于光亮退火马弗炉的制造与修复。
【背景技术】
[0002]在ASME 标准中 5.14 (Specification for Nickel and Nickel Alloy BareWelding Electrodes and Rods)相关的镇基合金焊丝标准ERNiCrFe-11 成分为:C<0.1%,Mn ( 1.0%, Si ( 0.5%, Cr 21-25%，Al 1.0-1.7%, Ni58-63%, S ( 0.015%, P ( 0.03%，余者为Fe,以及其他不可避免的杂质元素。
[0003]中国专利94102564公开了一种镍基合金，其化学成分(重量％)为:Cr20~35%，Cu (或 Si) 0.5 ~1.5 %，RE (稀土)0.01 ~0.3 %，C0.01 ~0.2 %，Fe < 2 %，余为 Ni。I 2 O (TC高温下仍具有良好的高温抗氧化性和耐熔融玻璃腐蚀性，主要用于制造偶丝。
[0004]中国专利200910076328.0公开了一种薄层铁镍基合金碳钢复合管焊接方法，在复合管端部加工台阶；在台阶表面采用氩弧焊堆焊和修磨堆焊层；加工坡口 ；采用钨极氩弧焊沿焊缝管周均匀点焊三点定位，采用钨极氩弧焊在根部打底焊；采用手工电弧焊在第二层打底焊上部 进行填充焊接和盖面焊接；焊接材料化学成分重量百分比为C:0.02~
0.1%, S1:0.2 ~1.0%，Mn:1.0 ~2.2%，Cr:20.0 ~31.5 %，Ni:40.0 ~60.0%，Mo:
8.0 ~14.5%, Cu:0.5 ~2.5%，Co:0 ~5.0%, Nb:0.3 ~4.2%，剩余量为 Fe。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种耐热高温镍基合金焊丝及焊接方法，该焊丝及焊接方法能应用在光亮退火马弗炉修复制造过程中，满足一定的耐高温运行条件要求。
[0006]为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案:
一种耐热高温镍基合金焊丝，其化学成分质量百分比为:c 0.005-0.05%, Mn
0.05-0.8%,Si 0.05-0.5%,Cr 23-24%,Al 0.2-0.4%,Ti 0.1-0.2%，且 Al/Ti=2，Ni 60-64%，S 0.001-0.005%, P 0.001-0.01%，余者为Fe，以及其他不可避免的杂质元素。
[0007]—种耐热高温镍基合金焊丝的焊接方法，是基于上述焊丝成分，以气体保护焊为主的弧焊，焊接电流70-150A，电弧电压为10-18V，焊接速度为150-220mm/min，层间温度控制在100°C以内。
[0008]所述焊接方法得到的熔敷金属具有如下性能指标:屈服强度(τ ) ^ 380MPa、抗拉强度( ' )≥680MPa、延伸率)≥37%、冲击韧性(為^ , 20°C )≥100J/cm2。
[0009]本发明的焊接材料采用N1-Cr-Fe合金系统，在严格控制S、P元素含量的基础上，适当加入少量的T1、Al元素。本发明的焊接工艺采用弧焊(气体保护焊为主)，焊丝直径为
1.6 或 2.4mmη[0010]C是耐热高温合金体系中强化元素最具有性价比的强化元素之一，因此，一定C含量是必不可少的。但同时，对于弧焊工艺而言，在熔融高温作用下，过饱和的C元素，将与合金体系中的Fe、Cr、Ti等元素结合，形成M23C6和块状的TiC等碳化物，不但由于固溶基体中Cr含量的降低，金属的腐蚀性能下降，而且根据焊缝热裂纹产生的机理，即由于晶粒间界面结合力弱于晶间结合强度的时候，在焊缝冷却过程中的拉伸应力的作用下，将产生裂纹，而间隙原子C是产生热裂纹的主要影响元素之一，因此为了避免或者降低焊缝金属热裂纹的敏感性，控制C含量在0.05%以内。
[0011]Cr是高温合金体系中提高抗高温氧化的主要元素之一，针对高温合金服役温度通常在800-100(TC区间，更严酷的可以达到1100°C，因此本发明设计成分体系中，采用一定Cr含量保证基体固溶强化强化的同时，还对Cr元素一定程度上降低固溶体堆垛层错能，使高温持久强度明显提高的特点进行利用；Cr在高温合金Y基体中可以形成Cr203的氧化膜，极其致密的氧化膜的将大大提高焊缝金属的抗高温氧化性能。因此，一定Cr含量是必不可少的，但是由于Cr也是铁素体形成元素，过高的Cr含量将导致焊缝冷却过程中出现先共析δ铁素体，慢冷时先共析δ铁素体可以一定程度上转化成Y奥氏体，但是由于焊接过程是一个非平衡状态过程，过高的Cr含量导致先共析δ铁素体必将不会完全转变，残留在焊缝组织的晶粒间，是S铁素体产生应力腐蚀开裂的主要因素之一。因此必将根据合金设计原则，综合考虑，本发明成分体系中的Cr含量在23-24%范围。
[0012]Ni是本发明成分体系中的基本元素，是构成固溶强化型奥氏体焊丝成分体系中的主要元素，在镍 基高温合金中，为了稳定奥氏体，常用Ni元素进行合金化，通过形成Y ' (Ni3Al)相而进行固溶析出强化。当尤其当焊丝在弧焊作用下形成的焊缝熔敷金属在高温条件下进行服役时，可以通过相的析出，保证材料的高温强度，为了达到强化效果，以及Ni的价格因素，本发明的Ni含量在60-64%范围。
[0013]Al和Ti的加入也是利用其典型的在奥氏体基体中的固溶强化作用，利用其溶解在Y相中，降低基体的堆垛层错能，提高焊缝金属在高温条件下的整体蠕变性能。本发明成分体系中，Al、Ti含量的控制是非常关键的设计因素，因为在镍基高温合金中，当Al含量较高或者Al/Ti>2时，将在Y基体中析出块状NiAl相，呈棒状或者链状分布在晶界上，可以成为裂纹形核或者扩展的通道，降低金属的塑性性能；当Al/Ti = 2时，基体中析出的NiAl相是颗粒状弥散析出，在不降低金属韧性的情况下，极大改善在高温条件下的持久性能。当Al/Ti < 2时，Ti将和C结合形成TiC，不能有效提高或者改善熔敷金属的高温持久性能。
[0014]弧焊是耐热高温合金大量使用的方法之一，为了达到耐热高温合金的焊接接头的使用性能要求，本发明焊丝必须在一定的焊接工艺条件下才能得到正确的使用性能以及焊缝成型效果。本发明合金成分下的焊接工艺为焊接电流70-150A，电弧电压为10-18V，焊接速度为150-220mm/min，层间温度控制在100°C以内。
[0015]本发明能满足耐热高温合金的使用要求，其熔敷金属具有如下性能指标:屈服强度(CTi)≥380MPa、抗拉强度〔T )≥680MPa、延伸车〔)≥37%、冲击韧性(為^ , 20°C )≥ 100J/cm2。
[0016]本发明耐热高合金焊丝可用于NiCrFe合金体系板材的焊接或者耐热高温合金与碳钢、不锈钢等异种钢的焊接使用中，可以应用在光亮退火马弗炉修复制造过程中，满足一定的耐高温运行条件要求。
【具体实施方式】
[0017]下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例
[0018]按照本发明设计的成分范围，经过冶炼、轧制、拉拔等工序制造的焊丝成分见表1，焊丝的直径为1.6或2.4mm。采用钨极氩弧焊的方法进行熔敷金属性能测试，相应的焊接工艺参数见表2，层间温度控制在100°C以内；试样试验后得到相应的性能见表3。
[0019]表1实例焊丝成分(％ )
【权利要求】
1.一种耐热高温镍基合金焊丝，其特征是:所述焊丝的化学成分质量百分比为:C0.005-0.05%, Mn 0.05-0.8%, Si 0.05-0.5%, Cr 23-24%，Al 0.2-0.4%, Ti 0.1-0.2%，且 Al/Ti=2, Ni 60-64%, S 0.001-0.005%, P 0.001-0.01%，余者为 Fe，以及其他不可避免的杂质元素。
2.一种耐热高温镍基合金焊丝的焊接方法，其特征是:所述焊丝的化学成分质量百分比为:C 0.005-0.05%, Mn 0.05-0.8%, Si 0.05-0.5%, Cr 23-24%，Al 0.2-0.4%, Ti0.1-0.2%，且 Al/Ti=2，Ni 60-64%，S 0.001-0.005%, P 0.001-0.01%，余者为 Fe，以及其他不可避免的杂质元素； 所述焊接方法是:以气体保护焊为主的弧焊，焊接电流70-150A，电弧电压为10-18V，焊接速度为150-220mm/min，层间温度控制在100°C以内。
3.根据权利要求2所述的耐热高温镍基合金焊丝的焊接方法，其特征是:所述焊接方法得到的熔敷金属具有如下性能指标:屈服强度(σ})≥380MPa、抗拉强度(％)≥680MPa、延伸率(3 )≥37%、冲击韧性(為^ , 20°C )≥100J/2cm ο
【文档编号】B23K35/34GK103962748SQ201310028889
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年1月25日 优先权日:2013年1月25日
【发明者】王宝森, 朱双春 申请人:宝山钢铁股份有限公司