一种高Mn高Nb的抗裂纹缺陷镍基焊丝及焊接方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种焊丝，具体地说是一种镍基焊丝。
【背景技术】
[0002] 二十世纪五十年代，最初的蒸汽发生器采用Inconel600合金作为传热管材料， 所以管板采用ERNiCr-3焊材（Inconel82)堆焊，同样亦采用ERNiCr-3焊材进行传热管与 堆焊层的焊接。但后来在上述焊缝中发现晶间应力腐蚀裂纹（IGSCC)，所以开始研制新的 传热管材料，经过一段时间的研究，二十世纪八十年代，开始采用Inconel690合金作为传 热管材料，并采用ERNiCrFe-7(Inconel52)焊材进行堆焊和焊接。这种材料的含铬量达 到30%左右，所以有效地避免了晶间应力腐蚀裂纹的产生。但近年来，美国海军在Inconel 52的焊缝中又发现了一种称为DDC的缺陷。后来经过进一步的探索，在Inconel52的基 础上加入了铌、硼和锆等元素，开发了一种新的改进型焊接材料，称为Inconel52M焊丝或 Inconel152M焊条，基本上解决了低塑性开裂以及角焊缝根部开裂等问题。目前该焊材已 正式列入AWS焊材类别，2003年8月，52M被ASME命名为2142-2。另外一份公开文献中介绍 了一种新一代的核焊接材料52MSS，含有2. 5%的Nb和4%的Μη可形成最佳的MC碳化物形 态和组织，应变裂纹试验（straintotesting-STF)表明52MSS抗DDC能力甚至是Inconel 82的好几倍。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种适用于核岛主设备焊接，解决目前焊丝在现场焊接等 苛刻条件下容易出现裂纹缺陷的问题的高Μη高Nb的抗裂纹缺陷镍基焊丝。本发明的目的 还在于提供一种基于高Μη高Nb的抗裂纹缺陷镍基焊丝的焊接方法。
[0004] 本发明的高Μη高Nb的抗裂纹缺陷镍基焊丝的重量百分比组成为C:〈0. 04%， Si:0. 10-0. 20 %,Μη: 3. 8-4. 2 %,S:<0. 003 %,?:<0.003 %,Cr:28. 0-31. 5 %, Mo:<0. 01%, Cu:<0. 05%, Nb:2. 2-2.5%,Mn+Nb:6. 2-6.6%,Ti:0. 4-0.9%,A1:<0. 50%, Fe:8. 5-10. 5%, Ca:<0. 005%, Mg:<0. 005%, 0:<0. 005%, N:0. 2〇-〇. 40%, B:<0. 001 %, Zr:〈0. 005%，Ta:〈0. 02%，Ni为余量，其他杂质元素总和〈0. 10%。
[0005] 本发明的高Μη高Nb的抗裂纹缺陷镍基焊丝中，Μη的含量优选为3. 9-4. 1 %。
[0006] 基于本发明的高Μη高Nb的抗裂纹缺陷镍基焊丝的焊接方法为：焊丝规格为 Φ1. 2mm，焊接工艺为自动填丝钨极惰性气体保护焊，焊接工艺是，电流：200-230A，电弧电 压：14-16V，送丝速度1200mm/min，电流类型：直流正接（DCEN)，层间温度：100-200°C，保 护气体 99. 999%Ar,气体流量：14-18L/min。
[0007] 通过我们的研究，当Nb含量基本保持不变，Μη含量由0. 79%增加到4. 1 %以后， 距离堆焊试板端面3. 2mm位置的裂纹数量由30减小到3,说明690焊丝熔敷金属中加入Μη 元素能够改善材料的裂纹敏感性。同时Nb在镍基合金中是固溶强化元素，又是时效强化元 素，在焊缝中能提高原子间结合力，稳定焊缝，Nb是强碳化物析出元素，能够在晶界和晶内 形成MC型析出物，影响焊丝熔敷金属晶界的迀移和滑移，因此会对材料的高温低塑性裂纹 敏感性产生影响，并且提高熔敷金属抵抗高温变形的能力。
[0008] 本发明的尚Μη尚Nb的抗裂纹缺陷银基焊丝，米用妈极氣弧焊焊接，使用99. 999 % Ar作为保护气体，得到的最终焊缝熔敷金属，按重量百分比计，其基本化学成分组成为 C:<0. 04%,Si:0. 10-0. 20%,Mn:3. 8-4.2%,S:<0. 003%,P:<0. 003%,Cr:28. 0-31.5%, Mo:<0. 01%,Cu:<0. 05%,Nb:2. 2-2.5%,Mn+Nb:6. 2-6.6%,Ti:0. 4-0.9%,A1:<0. 50%, Fe:8. 5-10. 5%,Ca:<0. 005%,Mg:<0. 005%, 0:<0. 005%,N:0. 2〇-〇. 40%,B:<0. 001 %, Zr:〈0. 005%，Ta:〈0. 02%，Ni为余量，其他杂质元素总和〈0. 10%。
[0009] 本发明具有以下优点：
[0010] 1.经试验，本发明高Μη高Nb的抗裂纹缺陷镍基焊丝，堆焊厚度达到30mm时，恪 敷金属依然无裂纹缺陷，适用于核岛主设备焊接（包括压力容器驱动管座、接管安全端、堆 芯支承块、蒸汽发生器管板堆焊以及管子与管板的焊接）的镍基焊丝。解决目前焊丝在现 场焊接等苛刻条件下容易出现裂纹缺陷的问题。
[0011] 2.利用本发明焊丝焊接时，工艺参数适应性强，过程稳定，焊丝送丝性能好，无浮 渣，成形性能好。
[0012] 3.本发明焊丝能够实现焊缝的微合金化，得到符合标准要求的焊缝。
[0013] 4.本发明焊丝的焊缝熔敷金属，焊态室温抗拉强度R"^ 630MPa，屈服强 度馬。.2彡45010^，断后伸长率厶彡35%，350°(：高温抗拉强度1? |11彡55010^，屈服强度 Rro.2> 380MPa，断后伸长率A彡30%，室温冲击功Ακν彡150J。焊接过程电弧稳定，成形好， 缺陷少，工艺性能好。
[0014] 本发明的高Μη高Nb的抗裂纹缺陷的镍基焊丝，适用于核岛主设备焊接（包括压 力容器驱动管座、接管安全端、堆芯支承块、蒸汽发生器管板堆焊以及管子与管板的焊接）。 解决了目前焊丝在现场焊接等苛刻条件下容易出现裂纹缺陷的问题。
【具体实施方式】
[0015] 下面举例对本发明做更详细的描述。
[0016] 实施例1，将母合金钢锭进行锻造、乳制，然后经过多道次冷拉及在线退 火，清洗处理后，最终形成焊丝，最终使焊丝的化学成分为c:0. 024 %，Si:0. 18%， Mn:3. 96%,S:<0. 003%,P:<0. 003%,Cr:29. 75%,Mo:0. 03%,Cu:<0. 05%,Nb:2. 37%, Mn+Nb:6. 2-6. 6 %,Ti:0. 55 %,A1:0. 18 %,Fe:9. 00%,Ca:<0. 005%,Mg:<0. 005%, 0:〈0· 005%，N:0. 29%，B:〈0. 001%，Zr:〈0. 005%，Ta:〈0. 02%，Ni为余量。
[0017] 实施例2,将母合金钢锭进行锻造、乳制，然后经过多道次冷拉及在线退火，清洗 处理后，最终形成焊丝，最终使焊丝的化学成分为C:0. 02,3%，Si:0. 16%，Mn:4. 01%， S:<0. 003%,P:<0. 003%,Cr:29. 62%,Mo:0. 03%,Cu:<0. 05%,Nb:2. 40%,Ti:0. 50%, A1:0. 19%,Fe:8. 36%,Ca:<0. 005%,Mg:<0. 005%, 0:<0. 005%,N:0. 28%,B:<0. 001%, Zr:〈0. 005%，Ta:〈0. 02%，Ni为余量。
[0018] 本发明中，焊丝可采用真空感应炉冶炼生产，亦可采用电炉加炉外精炼方法冶炼 生产，只要焊丝最终的化学成分能满足以上
【发明内容】
的要求即可。
[0019] 为了验证本发明的效果，下面将两个实施例与三个对比例进行比较。
[0020] 表1为实施例镍基焊丝的基本化学成分（重量比％ ):
[0023] 以下将分析焊丝中各个元素的作用以及使用这些元素处于成分控制范围内的原 因。
[0024] C:C在奥氏体镍基合金中的溶解度很小，当合金从固溶温度冷却下来时，C处于过 饱和状态，收到敏化处理时，C和Cr形成碳化物（主要为（&^423(：6型）在晶界析出，会导 致晶界处贫Cr，降低熔敷金属的抗晶间腐蚀能力，因此需要对C含量加以限制，C含量应控 制在0. 04%以下。
[0025] Si:Si即可作为合金元素，又存在有害作用。首先，Si可以作为脱氧剂，参加脱氧 反应，少量的Si能够改善TIG焊的工艺性，增加液态金属的浸润性，改善焊道成形，另外Si 还能提高材料的强度；但另一方面，Si能够形成低熔点共晶物，增加热裂纹敏感性，因此在 合金设计时要考虑Si的因素。本发明设计Si的含量可控制在0. 1-0. 2%之间。
[0026] Μη:Μη的加入有利于镍基耐蚀合金的抗结晶开裂性能。一方面，Μη优先与S结合形 成MnS(熔点1610°C)，减小S形成低熔点共晶物（如：Ni-Ni3S2熔点645°C)的倾向，使得 奥氏体-硫化物共晶温度提高；另一方面，增加固液相表面能，减小晶界低熔点共晶液膜形 成的可能性，抑制了S、P的不利作用，从而降低熔敷金属结晶裂纹形成倾向。同时，Μη又是 脱氧剂，可降低焊缝金属中的含氧量，减少了形成硅酸盐的条件，一般认为，在焊缝金属中 加入1 %的Μη就可以达到脱S的目的，但是在镍基焊缝金属中Μη有强烈的偏析倾向，在焊 缝中存在贫Μη区和富Μη区。当焊缝中含Μη量不足时，贫Μη区会因缺Μη达不到脱S的目 的而产生高温裂纹，因此焊缝中应含有足够的Μη，即使存在偏析，也保证贫Μη区能够有