專利名稱：用于電焊鎳合金和鋼的鎳基合金、焊絲及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于電焊鎳合金和鋼，特別是非合金鋼或者低合金鋼以及不銹鋼的鎳基合金。
本發(fā)明也涉及特別是在核反應(yīng)堆的建設(shè)、組裝以及組件的修復(fù)領(lǐng)域，用于電焊由鎳合金和/或鋼制成的部件的焊絲和焊條。
背景技術(shù)：
眾所周知，已采用含鉻的鎳基合金制備核反應(yīng)堆中的某些組件或元件。
特別是，已經(jīng)使用稱作合金600的含鉻約15％的鎳基合金制備加壓水冷核反應(yīng)堆中的組件或元件。
為了改善加壓水冷核反應(yīng)堆中的組件或元件的耐腐蝕性，傾向于采用含鉻約30％和含鐵約10％的合金690代替含鉻約15％的合金600。
采用組成適于焊接合金600或合金690的鎳合金的電焊絲或焊條在這些鎳合金元件或組件上形成焊縫。
表1示出了用于焊接合金690以及用于焊接合金600的市售焊絲的典型組成(合金52或合金82)。
表1中前四列示出了商品名為Inconel 52的合金52焊絲的組成，該焊絲是美國公司Special Metals基于四種單獨(dú)鑄件生產(chǎn)并且用于焊接合金690的。
該表的最后一列給出了商品名為Phyweld 82的合金82焊絲的典型分析結(jié)果，該焊絲由Sprint Metal公司生產(chǎn)，用于焊接合金600。
特別是在對(duì)合金690或者合金600進(jìn)行惰性氣體電焊時(shí)，可以使用合金52焊絲或82焊絲。
表1 用于焊接合金600和690的焊絲的分析結(jié)果

特別是在核領(lǐng)域，對(duì)于加壓水冷的核反應(yīng)堆，可以使用合金52焊絲在核反應(yīng)器組件與一次流體接觸的區(qū)域形成焊縫，所述流體是處于高溫(約310℃)和高壓(約155巴)下的水。
合金52用于均勻焊接合金690部件，并且用于形成非均質(zhì)焊縫。所述非均質(zhì)焊縫例如可以是在含鉻15％的合金600上以固相形式形成的焊縫或者沉積在一種基體金屬上的焊縫，其中，沉積金屬中的鉻含量可以是15-20％。
合金52在非均質(zhì)焊接中的另一種應(yīng)用是對(duì)低合金鋼例如鋼16MND5，18MND5或20MND5進(jìn)行涂覆或者將低合金鋼焊接在奧氏體或者奧氏體-鐵素體不銹鋼上。
也可以使用合金52修復(fù)核反應(yīng)堆的元件或者組件區(qū)，所述元件或組件區(qū)包括各種金屬，例如低合金鋼(例如，根據(jù)法國標(biāo)準(zhǔn)的18MND5型)，根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)的304L型不銹鋼(例如以固態(tài)形式)，308L型(以沉積形式)或者其它316L型(以固態(tài)或者沉積形式)。所述這些區(qū)域可以包含多種所述合金，在這些合金上形成有由合金52構(gòu)成的非均質(zhì)焊縫。
當(dāng)使用商品合金52例如Special Metals公司的合金52時(shí)，已證實(shí)存在主要形式為小裂紋的某些缺陷。
特別是，當(dāng)熔融焊絲在通過焊接形成的鎳合金薄層上沉積時(shí)，會(huì)觀察到熱裂，這種熱裂可能源自于下述現(xiàn)象之一凝固、熔析、再分配或者缺乏熱延展性。已注意到在焊縫中可能存在單一種類型或者多種類型的裂紋。在上述條件下形成的小尺寸裂紋將被稱作1型裂紋。
在可變的焊接條件下，尤其是通過在各種基體金屬例如上述鎳合金和不銹鋼上熔化焊絲，以固態(tài)金屬或者是焊接形成的預(yù)沉積層形式，對(duì)具有不同組成的焊絲進(jìn)行試驗(yàn)。
在這些試驗(yàn)期間，已證實(shí)當(dāng)沉積在含鉻15％或30％的鎳合金或者不銹鋼上時(shí)，作為通過焊接沉積在低合金鋼組件上的涂層形式的市售的焊絲，特別是用于焊接鎳690合金的合金52的結(jié)果很差。
除了小的1型裂紋之外，在某些情況下還觀察到其它較大的裂紋，這類裂紋將被稱作2型熱裂紋。
特別是在焊接合金稀釋明顯的區(qū)域(在首先進(jìn)行的焊接道次期間沉積的金屬中或者在待連接的部件區(qū))，或者更通常在焊接不銹鋼時(shí)，可觀察到2型裂紋。
在上述試驗(yàn)期間還使用了為了改善抗熱裂性和抗氧化性，其等級(jí)已加以修正的市售焊絲。
在表1中的第5和6列給出了這些市售焊絲修正后的組成。為了改善抗熱裂性和防止因氧化出現(xiàn)缺陷而加以修正的等級(jí)與未修正的商品等級(jí)相比，其鈮含量明顯較高(大于0.9％)，而鋁含量和鈦含量明顯較低。
在所述改善的等級(jí)中，鈮與硅之比高(大于30或者甚至大于45)。最后，所述等級(jí)中含有硼和鋯作為補(bǔ)充元素。
已發(fā)現(xiàn)所述改善的市售合金在焊接含鉻15％或30％的鎳合金期間，在稀釋區(qū)得到良好的結(jié)果，這些區(qū)實(shí)際上未發(fā)生熱開裂，但是，當(dāng)焊接不銹鋼時(shí)，在稀釋區(qū)得到的結(jié)果較差，在這些稀釋區(qū)檢測(cè)到了2型熱裂紋。
所實(shí)施的試驗(yàn)表明沒有市售的焊絲能夠在鎳合金和鋼上形成無開裂和無氧化的均勻或非均質(zhì)的電焊焊縫。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于電焊接鎳合金和鋼，尤其是不銹鋼的鎳基合金，該合金能夠在上述材料上形成無熱開裂且沒有氧化跡象的均勻或非均質(zhì)的焊縫。
所以，根據(jù)本發(fā)明的合金含有，以重量計(jì)低于0.05％碳，0.015-0.5％硅，0.4-1.4％錳，28-31.5％鉻，8-12％鐵，2-7％鉬，0-0.8％鈦，鈮和鉭總量為0.6-2％，鈮和鉭與硅的百分比值至少為4，0-0.75％鋁，低于0.04％氮，0.0008-0.0120％鋯，0.0010-0.010％硼，低于0.01％硫，低于0.020％磷，低于0.30％銅，低于0.15％鈷和低于0.10％鎢，合金的余下部分除了總含量至多0.5％的不可避免的雜質(zhì)之外，均為鎳。
本發(fā)明也涉及一種優(yōu)選含有低于0.20％硅、約4％鉬、0.006％鋯和0.004％硼的合金。
本發(fā)明還涉及一種根據(jù)本發(fā)明的用于氣體保護(hù)電焊鎳基合金的焊絲。
本發(fā)明又涉及所述合金和所述電焊絲應(yīng)用于焊接核反應(yīng)堆，尤其是加壓水冷核反應(yīng)堆的元件或組件，以便在建造核反應(yīng)堆期間實(shí)現(xiàn)各連接件的連接、通過金屬沉積在組件上形成涂層以及進(jìn)行修復(fù)，其中，所述焊接操作可以是對(duì)任何一種鎳合金或鋼組件進(jìn)行的均勻或非均質(zhì)焊接操作。
優(yōu)選實(shí)施方案描述為了幫助了解本發(fā)明，將借助實(shí)施例對(duì)用于制備焊絲的多種等級(jí)的根據(jù)本發(fā)明的合金進(jìn)行介紹，在對(duì)鎳合金和不銹鋼進(jìn)行的均勻和非均質(zhì)焊接試驗(yàn)期間已使用了所述合金。
表2中，第1列示出了合金中各元素的最低含量，第2列是這些元素的最高含量，而第3列則是優(yōu)選含量。
第4和5列給出了根據(jù)此后將進(jìn)行介紹的兩個(gè)實(shí)施方案的合金組成。
下面，將介紹合金中各元素的作用以及使這些元素處于所要求的范圍或界限的原因。
表2

碳，硫，磷這些元素是殘留元素，它們的含量必須盡可能加以限制，并且，在任何情況下，碳含量固定低于0.05％，硫含量低于0.010％，磷含量低于0.020％。根據(jù)用于制備所述合金的制備方法和初始產(chǎn)品，碳、硫和磷的有效含量可以顯著低于所給定的最高極限。如與實(shí)施例1和2有關(guān)的第4和第5列所示，所涉及的鑄件的有效碳、硫和磷的含量顯著低于此前給定的最大值。
硅硅是合金中永遠(yuǎn)存在的一種元素，但是應(yīng)將其含量限制在低水平，優(yōu)選低于0.20％(例如，0.12％或0.15％)。無論如何，其含量必須低于0.5％，以便限制焊縫金屬發(fā)生熱裂。但是，由于硅影響焊接期間熔液的潤濕性和粘度，因此，為了獲得良好的焊接性，硅含量必須至少為0.015％。
此后將看到就鈮而言，鈮與硅的重量百分比是抗熱龜裂性能的重要參量。
錳錳含量必須至少為0.4％，以便在存在硫(后面將談到其含量被限制為0.01％)時(shí)獲得令人滿意的合金制備條件。
錳有助于抗熱龜裂性能，但是，此效應(yīng)隨錳含量提高快速達(dá)到飽和，將錳含量限制在1.4％可獲得令人滿意的結(jié)果。
鉻鉻含量必須接近合金690中鉻的百分?jǐn)?shù)，而且，已發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用合金690或不銹鋼形成均勻或非均質(zhì)焊縫時(shí)，28-31.5％的組成范圍(這也是合金52的組成范圍)令人滿意。為了在一次PWR介質(zhì)中獲得良好的抗腐蝕性，要求鉻具有上述含量。
銅必須嚴(yán)格限制銅含量低于0.30％，以避免合金性能下降。
鈷鈷含量有必要必須限制低于0.15％。實(shí)際上，該元素在核反應(yīng)堆中存在輻射時(shí)會(huì)被激活，因此，在建造或修復(fù)核反應(yīng)堆的任何場(chǎng)合，都必須盡可能避免存在鈷。
鉬鉬在根據(jù)本發(fā)明的合金的制備中是一種特別重要的元素，而且，這是相對(duì)于前述已知合金(見表1)的一個(gè)顯著差別，前述已知合金僅存在極低含量的鉬。
由本專利申請(qǐng)的申請(qǐng)人實(shí)施的試驗(yàn)表明特別是當(dāng)焊絲以通過涂藥焊條或者TIG電焊獲得的實(shí)體或沉積層形式沉積在不銹鋼，例如含鉻18％和含鎳8％并且添加或者沒有鉬的鋼上時(shí)，鉬對(duì)通過熔化鎳合金焊絲沉積形成的金屬的開裂抗力有決定性影響。
已進(jìn)行的試驗(yàn)表明-特別是在焊接不銹鋼時(shí)，當(dāng)焊絲的熔融金屬中的鉬含量低，典型地低于0.5％時(shí)，觀察到2型裂紋的形成，-隨著熔融金屬中鉬含量的增加，例如增至1％，發(fā)現(xiàn)如果合金中含有充分量的鈦(和/或鋁)，則焊縫金屬的抗開裂性能顯著改善。特別是在焊接不銹鋼時(shí)，當(dāng)合金中鉬含量為1％時(shí)，0.3-0.4％的鈦和/或鋁的最低含量則可以將焊縫金屬中2型裂紋的數(shù)目限制在低水平。該結(jié)果意味著為了限制或者消除開裂，應(yīng)該將鉬、鈦和/或鋁含量提高至上述極限以上，-當(dāng)熔融金屬中的鉬含量提高至至少2％時(shí)，試驗(yàn)表明2型裂紋完全消失，而且，與鉬含量為1％時(shí)相比，鈦和/或鋁對(duì)抗開裂性能的影響降低。
在根據(jù)本發(fā)明的合金焊絲或焊條中，已經(jīng)對(duì)鉬含量進(jìn)行了固定，而同時(shí)，又符合在缺陷區(qū)，稀釋程度高，并且可以達(dá)到50％，但是又不超過該極限值太多，這已經(jīng)被認(rèn)為尊重了構(gòu)成本專利申請(qǐng)基礎(chǔ)的所有工作并且與正常的焊接條件相符。
試驗(yàn)結(jié)果表明已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)為了在所有用于焊接的情況下獲得極高的抗開裂性能，特別是使2型裂紋完全消失，必須使鉬含量至少為2％，同時(shí)又將鈦和鋁總含量限制在能夠避免焊縫金屬氧化的水平。
高于7％的鉬含量是可能的，但不是必需的，因?yàn)樵诩s7％左右，鉬對(duì)抗開裂性能的影響達(dá)到飽和。含量高于7％會(huì)增大合金的成本，并且會(huì)使焊縫金屬的性能發(fā)生不希望的改變。
應(yīng)優(yōu)選鉬含量處于4％的范圍。
鋁和鈦可以在焊縫金屬中提供某種比例的鈦和鋁，但是，應(yīng)對(duì)鋁的比例進(jìn)行限制，以避免在焊接期間，熔融液池發(fā)生所不希望的氧化。
鈦在合金中的存在比例可以為0-0.8％，例如接近0.30％。不希望鈦含量高于0.8％。
鋁在合金中的存在比例可以為0-0.75％，例如在0.15％附近。不希望鋁含量高于0.75％。
鋯和硼一起使用時(shí)，由于發(fā)生延性坑(dip)開裂，這兩種元素對(duì)抗開裂性能有有利影響。但是，這兩種元素單獨(dú)不足以消除根據(jù)本發(fā)明的合金解決的開裂問題。此外，同鋁一樣，鋯影響焊接期間熔池的氧化。因此，合金中必需存在鋯和硼，但是含量有限。
鋯在根據(jù)本發(fā)明的合金中的存在比例必須為0.0008-0.012％，并且優(yōu)選約0.006％。
與鋯的所述含量相關(guān)，硼含量必須為0.001-0.010％，并且優(yōu)選處于0.004％的范圍。
鈮和鉭鈮影響抗熱開裂性能。為了避免增加發(fā)生熱開裂的危險(xiǎn)以及使沉積金屬發(fā)生所不希望的變化，不允許該元素過多存在。
結(jié)果，為了獲得對(duì)抗熱開裂性能的理想影響，鈮的比例必須至少0.6％，但至多2％。
處于此范圍的鈮的比例必須滿足鈮的百分?jǐn)?shù)與硅的百分?jǐn)?shù)之比大于4的關(guān)系，以便獲得令人滿意的對(duì)抗熱開裂性能的影響。
鐵如同在商品合金中，鐵含量固定在8-12％，為的是通過避免形成有序的NiCr脆性相的任何危險(xiǎn)獲得良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
氮氮是一種殘留元素，它不是合金中的必需元素。在所有情況下，將氮含量限制在少于0.040％。
鎢鎢是一種合金中不需要的元素，在任何情況下，將該殘留元素限制為0.10％，以避免焊縫金屬的性能發(fā)生不希望的變化。
所述合金可以含有少量的其它殘留元素；這些元素例如可以是錫、釩、鉛、鎘、鎂、鋅、銻、碲、鈣或鈰。合金中這些元素的含量很小，和上述其它殘留元素(碳、硫、磷、銅、鈷、氮和鎢)一起的總含量低于0.5％(重量)。
鎳作為基體合金，它構(gòu)成組成的余下部分，使組成達(dá)100％。
在表2中的第5和第6列(實(shí)施例1和實(shí)施例2)示出了根據(jù)本發(fā)明的兩種焊縫合金的組成。
實(shí)施例1
對(duì)于實(shí)施例1，鉬含量處于最佳值(4％)。鋁含量處于鋁含量的下限區(qū)域，鈦含量接近0.30％的典型值。
該合金中的硅含量低(0.025％)，并且明顯處于前述優(yōu)選上限以下。盡管鈮含量只有0.80％，但是鈮/硅之比較高，與表1中示出的改進(jìn)型商品合金(32)大致相同。該比值遠(yuǎn)高于所設(shè)定的下限。鋯和硼含量處于所要求范圍的下限附近。
實(shí)施例2對(duì)于實(shí)施例2，鉬含量比作為優(yōu)選值的平均含量(4％)高。鋁含量明顯比實(shí)施例1高，其固定在0.15％的典型值以上，而鈦含量比典型值低。實(shí)施例1和實(shí)施例2中鋁和鈦的總量(重量百分?jǐn)?shù))基本相同。
硼含量比實(shí)施例1高，與優(yōu)選值相對(duì)應(yīng)。
硅含量明顯比實(shí)施例1高。鈮含量也比實(shí)施例1稍高。由于存在相當(dāng)多的硅，鈮與硅之比顯著低于實(shí)施例1。
但是，該比值是要求的最小值的兩倍。
制備出與實(shí)施例1和2對(duì)應(yīng)的兩個(gè)級(jí)別的焊絲。所述焊絲用于對(duì)含有30％和15％的鉻的鎳合金與不銹鋼進(jìn)行不同的均勻或非均質(zhì)焊接。
已觀察到甚至在焊縫的稀釋區(qū)，沉積金屬中也完全沒有2型裂紋。
在所有情況下，沉積金屬中實(shí)際上沒有1型裂紋。
未發(fā)現(xiàn)任何可能導(dǎo)致沉積金屬劣化的氧化跡象。
對(duì)于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的合金焊絲，絕不可能獲得這種結(jié)果。
考慮表1中第5和6列的對(duì)照例，可以看出第5列中的對(duì)照合金(CF 52)的硅含量與根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1相當(dāng)，但是鈮含量稍高，結(jié)果，鈮與硅之比值比實(shí)施例1中的鈮與硅之比值高約50％。但是，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的該合金只含有極少量的鉬(0.012％)，而根據(jù)本發(fā)明的合金中含有超過2％，并且一般為4％或更高的鉬。盡管鈮與硅之比值較高，并且含有相似含量的鋁和鈦，但是，合金CF 52沒有獲得與根據(jù)本發(fā)明的合金相當(dāng)?shù)目归_裂性能。
對(duì)于在表2中第6列的第二個(gè)對(duì)照例(合金52M)，硅和鈮的含量以及鈮與硅含量之比值均與實(shí)施例1類似。另一方面，將鋁和鈦含量限制在與根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例相當(dāng)?shù)乃?。而且，所述?duì)照合金中的鋯和硼含量分別與根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1和2的合金類似。
非常清楚的是在第二個(gè)對(duì)照例中鉬的近乎不存在解釋了其焊接特性同根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例特別是實(shí)施例1的差異以及本發(fā)明獲得的良好結(jié)果的原因。
結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)合金的實(shí)施例的對(duì)照結(jié)果表明含有約4％或稍高一些的鉬、和鈮含量充分高以獲得明顯高于4的鈮與硅之比值，并且含有少量的鋁和鈦的焊縫合金解決了將含約15％和30％的鉻的鎳合金與不銹鋼焊接一起的問題。
根據(jù)本發(fā)明的合金導(dǎo)致了用于在核反應(yīng)堆組件的建造和修理期間，能夠?qū)︽嚭辖鹋c不銹鋼進(jìn)行完美的均勻或非均質(zhì)焊接的氣體保護(hù)電焊絲。
本發(fā)明不受所述實(shí)施方案的嚴(yán)格限制。
在所述及的場(chǎng)合，可以將用于電焊的合金中的各元素含量調(diào)整至所要求的范圍內(nèi)，以便優(yōu)化焊縫金屬的性能和焊接條件。
根據(jù)本發(fā)明的合金不僅可以以氣體保護(hù)電焊焊絲或焊條的形式使用，而且也可以以其它形式，例如涂藥焊條的形式使用。
盡管所述合金打算專門應(yīng)用于核反應(yīng)堆的建造和修復(fù)領(lǐng)域，但是，可以考慮在其它工業(yè)領(lǐng)域使用該合金。
權(quán)利要求
1.一種用于電焊接鎳合金和鋼尤其是不銹鋼的鎳基合金，其中，所述合金含有，以重量計(jì)低于0.05％碳，0.015-0.5％硅，0.4-1.4％錳，28-31.5％鉻，8-12％鐵，2-7％鉬，鈮和鉭的總量0.6-2％，鈮和鉭之和與硅的百分比值至少為4，低于0.04％氮，0.0008-0.0120％鋯，0.0010-0.0100％硼，最多0.75％鋁，最多0.8％鈦，低于0.01％硫，低于0.020％磷，低于0.30％銅，低于0.15％鈷和低于0.10％鎢，合金的余下部分除了總含量至多0.5％的不可避免的雜質(zhì)之外，均為鎳。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的合金，其優(yōu)選含有低于0.20％硅、約4％鉬、0.006％鋯和0.004％硼的合金。
3.用于氣體保護(hù)電焊接鎳合金和鋼尤其是不銹鋼的焊絲，其中，所述焊絲由根據(jù)權(quán)利要求1的合金制成。
4.用于氣體保護(hù)電焊接鎳合金和鋼尤其是不銹鋼的焊絲，其中，所述焊絲由根據(jù)權(quán)利要求2的合金制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的合金在對(duì)核反應(yīng)堆的元件或組件進(jìn)行建造、組裝或修復(fù)操作期間，在焊接所述核反應(yīng)堆的元件或組件上的應(yīng)用。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的合金在對(duì)核反應(yīng)堆的元件或組件進(jìn)行建造、組裝或修復(fù)操作期間，在焊接所述核反應(yīng)堆的元件或組件上的應(yīng)用。
全文摘要
一種合金含有，以重量計(jì)低于0.05％碳，0.015－0.5％硅，0.4－1.4％錳，28－31.5％鉻，8－12％鐵，2－7％鉬，0－0.75％鋁，0－0.8％鈦，鈮和鉭的總量為0.6－2％，鈮和鉭與硅的百分比值至少為4，低于0.04％氮，0.0008－0.0120％鋯，0.0010－0.0100％硼，低于0.01％硫，低于0.020％磷，低于0.30％銅，低于0.15％鈷和低于0.10％鎢，合金的余下部分除了總含量至多0.5％的不可避免的雜質(zhì)之外，均為鎳。所述合金專門用來制備用于氣體保護(hù)電焊接核反應(yīng)堆，更具體地是加壓水冷核反應(yīng)堆的元件或組件的焊絲。
文檔編號(hào)B23K35/02GK1496781SQ0315945
公開日2004年5月19日 申請(qǐng)日期2003年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月26日
發(fā)明者A·沙伯納, D·皮埃龍, A·托馬斯, F·福雷, C·古揚(yáng), A, A 沙伯納, 硭 申請(qǐng)人:法瑪通Anp公司