耐热钢用焊接材料的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种耐热钢用焊接材料，所述焊接材料能够抑制耐热钢的焊接区产生裂纹。
【专利说明】
耐热钢用焊接材料
技术领域
[0001] 本发明设及一种焊接材料，更详细地，设及一种用于焊接高溫中使用的耐热钢材 的焊接材料。
【背景技术】
[0002] 在核反应堆、电厂管、高炉、流化床炉、退火炉等高溫环境中使用的耐热钢需要高 的高溫强度和抗裂性。另外，所述耐热钢通过焊接来制造成结构物，因此在焊接区也需要高 的高溫强度和抗裂性。
[0003] 目前，使用奥氏体系不诱钢和Ni、Co基的超耐热合金等作为运种耐热钢材料，但 是，运种Ni、Co基超耐热合金的钢材及焊接材料均为高价的高合金系材料，并且焊接性采用 气体保护鹤极电弧焊(GTAW)，生产性非常低，因此，Ni、Co基超耐热合金的使用非常有限。另 一方面，考虑到经济性和焊接性，奥氏体不诱钢可采用生产性高的药忍焊丝电弧焊(FCAW) 等所有种类的焊接，并且价格也相对便宜，因此，自1980年代W来，奥氏体系不诱钢的使用 一直在增加。
[0004] 尤其，在诸如核反应堆、电厂管、高炉、流化床炉、退火炉等高溫的高腐蚀及工作环 境下，主要使用奥氏体系不诱钢(STS300系列钢）中高溫腐蚀性和高溫强度及初性最优异的 完全奥氏体(Fully Austenite)不诱钢。在运种完全奥氏体不诱钢的焊接中，大部分使用完 全奥氏体系不诱钢焊接材料(STS310系列焊接材料）。
[0005] 然而，利用所述STS310系列的焊接材料而形成的焊接区容易产生裂纹。已知运种 STS310系列的焊接材料如同于母材，形成具有完全奥氏体系凝固组织的凝固单相，其含有 高的Μ和Cr，并且热膨胀系数也高，然而，由于对P和S的固溶度高，因此焊接区中完全没有 包含对减少高溫裂纹方面有效的S-铁素体组织，并且随着单相凝固，焊接区容易产生凝固 中产生的高溫裂纹。
[0006] 在利用奥氏体系焊接材料的焊接中，P和S将形成化3P或FeS等低烙点共晶化合物， 并在凝固中在晶界等上偏析而W液体状态存在，因此容易引起高溫裂纹。就目前市售的 STS310系列的焊接材料而言，由于其制造方法和组成特性，P和S的含量为200~3(K)ppm水 平，比较高。就作为耐热钢材料来最广泛使用的、STS300系列耐热钢的焊接中广泛使用的 STS310系列常用焊接材料而言，作为完全奥氏体系的δ-铁素体含量为"0"，并且在焊接中， 母材和焊接金属所含有的Ρ和S均在焊接金属的晶界上偏析，从而成为导致焊接区的裂纹的 主要原因。
[0007] 为了解决运些问题，提出了一种药忍焊丝焊接材料，所述药忍焊丝焊接材料中，将 所述STS30化或31化等的STS300系列用作钢材的外皮，并在内部充填助焊剂(专利文献1)。 所述专利文献1中，将所述STS300系列不诱钢用作外皮，在助焊剂中利用稀±金属（Rare Earth Metal,REM)或化等的成分，W抑制由P和S导致的裂纹的产生。然而，在所述专利文献 1中，P及S的含量也高，没有完全解决焊接区产生裂纹的问题。
[000引因此，目前迫切要求开发一种用于抑制耐热钢的焊接区产生裂纹的焊接材料。
[0009] (专利文献1)韩国授权专利第1118904号
【发明内容】
[0010] 本发明要解决的技术问题
[0011] 本发明的一方面欲提供一种用于抑制耐热钢的焊接区产生裂纹的耐热钢用焊接 材料。
[0012] 解决技术问题的技术手段
[0013] 本发明的一实施方式提供一种耐热钢用焊接材料，其特征为，所述耐热钢用焊接 材料包含助焊剂及包围所述助焊剂的外皮，
[0014] 所述焊接材料W重量％计，包含0.03~0.3%的C、0.5~3.0%的Mn、0.1~2.0%的 Si、0.01% W 下的P、0.01% W下的S、20~40% 的 Ni、15~35% 的Cr、3~7% 的Ti〇2、0.5~ 2.5%的Si化、0.5~2.5%的Zr化、余量的化及不可避免的杂质，
[0015] 所述外皮为包含30~50%的Ni的Ni-Fe系合金。
[0016] 发明的效果
[0017] 根据本发明，在高溫环境下所使用的高炉、流化床炉、核反应堆、发电厂等的耐热 钢中可形成不发生裂纹的焊接区。因此，预计安全性及利用率会非常高。
[0018] 另外，利用本发明的焊接材料而形成的焊接区为完全奥氏体系，其低溫初性突出， 因此，对要求超低溫特性的液化天然气(LNG)低溫储罐等进行焊接时，能够获得没有裂纹的 焊接区，因此，预计还可W适用于普通的奥氏体系厚板结构的制造中，所述普通的奥氏体系 厚板在炼油、管道、建设、造船、海洋等的技术领域中被广泛使用。
[0019] 最佳实施方式
[0020] 下面，对本发明的焊接材料进行详细说明。
[0021] 本发明的焊接材料是由助焊剂和包围所述助焊剂的外皮组成的药忍焊丝焊接材 料。
[0022] 本发明的焊接材料W包含所述助焊剂和外皮的总重量％计，包含0.03~0.3%的 0、0.5~3.0%的胞、0.1~2.0%的51、0.01%^下的口、0.01%^下的5、20~40%的化、15~ 35% 的Cr、3~7% 的Ti〇2、0.5 ~2.5%的51化、0.5~2.5%的2'化。
[0023] C为奥氏体形成元素，是提高强度的元素，当少于0.03%时，难W确保高溫强度，当 超过0.3%时，在焊接中形成过多共晶化合物，从而导致高溫裂纹和焊接烟尘(Fume)及瓣出 物产生，因此，优选将C含量控制在0.03~0.3%。
[0024] Μη在焊接中与氧和硫进行反应从而起到脱氧及脱硫的作用，因此，需要含有0.5% W上的Μη,当添加超过3%的量的Μη时，烙融金属的流动性将减少，从而产生烙深减少，W及 电弧不稳定，因此，优选将Μη含量控制在0.5~3.0 %。
[0025] 就Si而言，在焊接时，优选包含0.1 % W上的Si, W与Μη-起使复合脱氧效果极大 化，如果添加超过2.0%的量的Si,则析出过多的共晶化合物，从而使抗裂性降低，因此，优 选将该含量控制在0.1~2.0%。
[0026] 即使添加微量的P和S，也容易形成低烙点化合物，从而使材料的烙点降低，并且使 高溫裂纹敏感性增加，因此，优选尽可能不包含P和S，当不可避免地包含P和S时，优选各不 超过0.01 %。
[0027] Ni为奥氏体形成元素，优选添加20% W上的Ni，W形成完全奥氏体组织，并确保耐 高溫氧化性、高溫强度及初性。如果超过40%，则焊接区的粘度过度增加，导致气孔的形成 及烙深不足，因此，优选将Ni的含量控制在40 % W下。
[00%]化为铁素体形成元素，但是为了确保耐高溫强度，优选包含15% W上的化，如果该 含量超过35%，则会因高溫下的铁素体形成及铭碳化物的形成而使初性降低，因此，优选将 化的含量控制在15~35%。
[0029] Ti化为用于电弧稳定W及形成烙渣的元素，当少于3%时，电弧不稳定，尤其，由于 烙渣的含量太少，因此，不能完全涂覆于焊接金属，导致焊珠粗糖，如果超过7%，则向带钢 (strip)内添加成分方面受到限制，并且烙渣的含量也变得过多，因此，优选将Ti化的含量 控制在3~7 %。
[0030] Si化为用于提高烙渣粘度的元素，当少于0.5%时，其效果甚微，如果超过2.5%， 则会使粘度过度增加，从而会发生夹杂物残留等缺陷，因此，优选将Si化的含量控制在0.5 ~2.5%。
[0031] Zr化高溫烙点高，因此，其为用于提高烙渣(Slag)的烙点的元素，为了实现运种效 果，优选包含0.5% W上的化化，当该含量超过2.5%时，在电弧中形成未烙融火花(spark)， 因此，优选将Zr化的含量控制在0.5~2.5%。
[0032] 另外，就所述焊接材料而言，优选将所述P及S的总含量控制在0.012%?下。随着 所述P和S的含量的增加，焊接区的凝固裂纹敏感性会增加，因此，需要尽可能地抑制运些元 素的进入。因此，考虑到母材成分及焊接区中的母材和焊接材料的稀释量，所述P和S的总含 量优选不超过0.012 %。
[0033] 此外，本发明的焊接材料可W包含选自2.0 % W下的Mo、1.0 % W下的Cu、0.5 % W 下的A1及0.5% W下的Mg中的一种W上。
[0034] Mo是为了提高高溫强度和耐氧化性而可W添加的元素，但是，如果超过2.0%，贝。 延展性会降低，因此，优选不超过2.0%。
[0035] 就化而言，为了提高高溫耐氧化性，可W包含1.0% W下的化。
[0036] 就A巧日Mg而言，为了焊接金属的脱氧和脱硫及组织细化，可W包含A巧日Mg，但是， 如果该含量分别超过0.5%，则焊接金属的表面张力将升高，产生过多瓣出物，因此，优选控 制在0.5%W下。
[0037] 另外，本发明的焊接材料可W进一步包含选自0.5% W下的Ti、0.5% W下的F、 0.25% W下的化2〇、0.3% W下的K20、0.5% W下的Al2〇3、0.5% W下的MnO及0.5% W下的 MgO中的一种W上。
[0038] 就Ti而言，为了确保电弧稳定性W及防止晶界腐蚀，可W添加 Ti，但是，当超过 0.5%时，焊接区将形成碳化合物、氮化合物，从而初性会降低，因此，优选将Ti的含量控制 在0.5%W下。
[0039] 就F而言，为了提高焊接烙渣(Slag)的铺展性，可W添加 F，但是，如果F的含量过多 而超过0.5%，则粘度过低，从而导致焊珠的形状变差，因此，优选将F的含量控制在0.5% W 下。
[0040] 化2〇和Κ2〇为碱性氧化物，其容易实现离子化，可提高烙渣的流动性为目的而 添力日，但是，如果Na2〇超过0.化％、Κ2〇超过0.3 %，则产生过多焊接烟尘(fume)。
[0041] Ab〇3、MnO及MgO能够抑制焊接烙渣的粘度，因此，可ww形成良好的焊珠和保护焊 接烙池的目的而添加，但是，优选控制在0.5 % W下。
[0042] 下面，对本发明焊接材料的外皮进行详细说明。
[0043] 所述外皮为优选为包含30~50%的Μ的Ni-Fe系合金。本发明为了制备一种具有 高耐腐蚀性、抗高溫腐蚀性、高溫强度、高初性，同时高溫抗裂性优异的高合金系不诱钢用 焊接材料，在焊接材料的外皮成分中，优选使用P和S的含量非常低且耐热合金成分中Μ含 量高的高合金外皮材料即Ni-Fe系合金。
[0044] 外皮含有高Μ，从而可W尽可能地去除Cr，W使对P的固溶度最小化，从而可W使 焊接区中的P含量最小化，并且由于没有Cr化合物等析出强化因素，因此，材料自身的延展 性和可加工性突出，从而能够制备含有高Ni的耐热钢用焊接材料。
[0045] 在本发明中，作为所述Ni-Fe合金的一例，可W使用36%Ni-Fe的因瓦（Invar)合 金〇
[0046] 下面，对本发明焊接材料的助焊剂进行详细说明。
[0047] 所述助焊剂W自身重量％计，包含0.1~2.0%的C、2.0~10.0%的Mn、0.5~8.0% 的 51、0.01%^下的？、0.01%^下的5、40~80%的化、0.1~8.0%的]?〇、7~25%的1'102、2 ~10%的Si〇2、l~10%的Zr化。
[0048] C为用于实现奥氏体组织稳定性W及提高强度的元素，当少于0.1%时，难W确保 耐热高溫强度，如果含有超过2.0%的量的C，则焊接中产生过多烟尘(Fume)及瓣出物，因 此，优选将添加量控制在0.1~2.0%。
[0049] Μη在焊接中与氧和硫进行反应并通过脱氧和脱硫而被烙渣化，从而回收率会减 少，因此，考虑到运个问题，需要含有2.0 % W上的Μη，如果添加超过10.0 %的量的Μη，则烟 尘(Fume)会增加，并且烙融金属的流动性会迅速减少，因此，优选将添加量控制在2.0~ 10.0%。
[0050] Si在焊接时与Μη-起通过复合脱氧的方式变成烙渣，因此，考虑到运些，优选含有 0.5% W上的Si，如果添加超过8%的Si，则抗裂性会降低，因此，优选将添加量控制在8% W 下。
[0051] P和SW杂质形态包含在助焊剂中，因此，使用运些杂质时，控制杂质含量为，W助 焊剂总重量计为0.01 % W下。当助焊剂中含有超过0.01 %的量的P和S时，由于外皮中含有 的P、S和焊接时从母材中稀释得到的巧日S，高溫裂纹敏感性将增加，因此，W重量比计，优选 将含量控制在0.01 % W下。
[0052] 化是用于提高耐腐蚀、高溫腐蚀及高溫强度，W及使铁素体在组织上稳定化的、不 诱钢及焊接材料中必需含有的元素，当使用化-Ni系合金外皮时，优选包含20% W上，但是， 当超过80%时，无法添加(：、111、51、1'1化等全位置焊接用药忍焊丝的基本助焊剂成分，因此， 优选将化的含量控制在80 % W下。
[0053] 就Mo而言，为了提高高溫强度及耐氧化性，将添加0.1 % W上的Mo，当添加超过 8.0%的Mo时，会出现延展性的降低，并且充填量过多，从而在生产时会产生过多的焊丝断 裂，因此，优选将Mo的含量控制在8.0 % W下。
[0054] Ti化为在电弧稳定W及形成烙渣方面必要的助焊剂成分，当少于7%时，电弧不稳 定，尤其，由于烙渣含量太少，因此，无法完整地涂覆于焊接金属，从而焊珠会变得粗糖，如 果助焊剂中的Ti化含量超过25%，则向带钢内添加(：、吐、51、111等基本成分方面受到限制， 并且烙渣的含量也会变得过多，从而导致焊接性降低，因此，优选将Ti化的含量控制在25% W下。
[0055] Si化为用于提高烙渣粘度的助焊剂成分，当少于2%时，在WTi化为主烙渣的焊接 材料中，粘度提高效果甚微，当添加超过10%的Si化时，粘度会过度地增加，从而夹杂物残 留等缺陷和烙敷金属的Si含量会增加，从而导致裂纹发生的可能性增加，因此，优选将Si化 的含量控制在10% W下。
[0056] Zr〇2高溫烙点高，因此是一种提高烙渣的烙点的助焊剂成分，为了运些，优选包含 1 % W上的化化，当添加超过10%的化化时，在电弧中形成未烙融火花，因此，优选将化化的 含量控制在10% W下。
[0化7] 此外，所述助焊剂可W包含选自8% W下的Ni、8% W下的Cu、3.5% W下的A1、 2.5%^下的1邑、3.0%^下的11及8.0%^下的尸中的一种^上。
[0058] Ni为用于提高奥氏体组织稳定、耐高溫腐蚀、高溫强度、初性的耐热合金的主要成 分，其基本上充分包含在Fe-Ni系外皮合金中，但是当需要进一步确保高溫腐蚀、高溫强度 及初性时，可W添加 Ni，但考虑到添加其它元素，优选控制在8 % W下。
[0059] 化是为了确保高溫耐氧化性W及提高C的固溶度而可W添加的物质，但是，优选控 制在8% W下。
[0060] A1和Mg是为了焊接金属的脱氧和脱硫及组织细化而可W添加的物质，但是，如果 A1超过3.5 %、Mg超过2.5 %，则助焊剂烙融金属的表面张力将上升，导致产生过多的瓣出 物，因此，优选分别W3.5% W下及2.5% W下的量添加。
[0061] Ti是为了确保电弧稳定性和防止晶界腐蚀而可W添加的物质，但是，如果添加过 多，则焊接区形成碳化合物、氮化合物，从而降低初性，因此，优选将Ti的含量控制在3.0% W下。
[0062] 就F而言，为了提高焊接烙渣(Slag)的铺展性，将W化F2、A1F6等各种形态添加 F，但 是，如果助焊剂中添加的F总含量超过8.0%，则烙渣的流动性会过多，从而无法实现全位置 焊接，并且会使焊珠的形状变差，因此，优选将F的含量控制在2.0% W下。
[0063] 另外，所述助焊剂可W进一步包含选自2.5%W下的化20、4.0%W下的K20、4.0% W下的Al2〇3、4.0%W下的MnO及4.0%W下的MgO中的一种W上。
[0064] 化2〇和Κ2〇为碱性助焊剂成分，其容易实现离子化，W提高烙渣的流动性的目的而 添加 Na2〇和Κ2〇，但是，如果化2〇超过2.5 %、Κ2〇超过4.0 %，则产生过多的焊接烟尘(fume)， 因此，优选分别控制在2.5% W下及4.0% W下。
[0065] Ab化和MgO是烙渣粘度控制助焊剂成分，W形成良好的焊珠及保护焊接烙池作为 目的而添加的物质，其中，Ab化和MgO用于增加烙渣的粘度，MnO用于降低焊接烙渣的粘度， 但是，考虑到它们为低比重物质，优选将Al2〇3、MnO及MgO的含量均控制在4.0%W下。
[0066] 所述助焊剂的充填率优选为15~40%。所述充填率由根据外皮金属的成分和厚度 及宽度而添加助焊剂的空间和成分所决定。如果充填率小于15%，则为了发挥全位置药忍 焊丝的特性，无法添加足够的助焊剂，如果助焊剂充填率超过40 %，则在制造焊丝时，外皮 金属部太薄，因此在拉延时，将产生过多的断裂，因此无法正常制造，因此，优选将充填率控 制在15~40%。
【具体实施方式】
[0067] 下面，对本发明的实施例进行详细说明。下述实施例仅是为了理解本发明而提出 的，本发明并不限定于运些实施例。
[0068] (实施例）
[0069] 制造了具有下述表1及2的组成(重量％，其余的为不可避免的杂质和Fe)的焊接材 料。利用所述焊接材料，并适用表3的母材及焊接方法来进行焊接，从而形成焊接区。观察所 述焊接区的裂纹发生与否、焊珠涂覆性、除了裂纹W外的缺陷，并将其结果示于表4中。
[0070] 焊接后，去除陶瓷带和烙渣，并刷净（brushing)后，通过渗透试验(Penetration Test, PT)观察初始焊层焊珠的裂纹，并确认了是否有高溫裂纹。一边确认高溫裂纹，同时完 成了最终焊接，然后通过放射线检验(Radiogra地ic Test)确认了是否有裂纹W及其它缺 陷。
[0071] 表1
[0072]
[0073] ~^2 ' ' ' ' '
' ' ' ' ' ' '
[007引 表4
[0079]
[0080]
[0081] 产生与否：Ο产生裂纹，X未产生裂纹
[0082] 焊珠涂覆性：0良好，X不良
[0083] 除了裂纹W下的缺陷：〇发现缺陷，X没有缺陷
[0084] 如所述表4的结果中所示，就满足本发明的条件的焊接材料而言，焊接区没有产生 裂纹，并且没有产生除了裂纹W外的其它缺陷，焊珠涂覆性优异，从而能够确保优异的可焊 性。
[0085] 另一方面，就使用现有的300系列的外皮的现有例和比较例1至8而言，焊接区产生 了裂纹。另外，可W确认，即使将高Ni-Fe合金作为外皮使用，但是在没有满足本发明的焊接 材料的组成成分的比较例9、10及11中，焊接区产生了缺陷，或产生了焊珠涂覆性或其它缺 陷。
【主权项】
1. 一种耐热钢用焊接材料，其特征在于，所述耐热钢用焊接材料包含助焊剂及包围所 述助焊剂的外皮， 所述焊接材料以重量％计，包含0.03~0.3%的(：、0.5~3.0%的]?11、0.1~2.0%的51、 0.01%以下的？、0.01%以下的3、20~40%的附、15~35%的0、3~7%的11〇2、0.5~2.5% 的Si02、0.5~2.5%的Zr02、余量的Fe及不可避免的杂质， 其中，所述外皮为包含30~50 %的Ni的Ni-Fe系合金。2. 根据权利要求1所述的耐热钢用焊接材料，其特征在于，所述P及S的总含量为 0.012% 以下。3. 根据权利要求1所述的耐热钢用焊接材料，其特征在于，所述焊接材料包含选自 2.0%以下的Mo、1.0%以下的Cu、0.5%以下的A1及0.5%以下的Mg中的一种以上。4. 根据权利要求1所述的耐热钢用焊接材料，其特征在于，所述焊接材料包含选自 0.5%以下的1^、0.5%以下的？、0.25%以下的他2〇、0.3%以下的1(2〇、0.5%以下的厶12〇3、 0.5%以下的MnO及0.5%以下的MgO中的一种以上。5. 根据权利要求1所述的耐热钢用焊接材料，其特征在于，所述Ni-Fe系合金为因瓦 (INVAR)合金。6. 根据权利要求1所述的耐热钢用焊接材料，其特征在于，所述助焊剂以重量％计，包 含0.1 ~2.0%的C、2.0~10.0% 的Μη、0·5~8% 的Si、0.01% 以下的Ρ、0·01% 以下的S、40~ 80% 的 Cr、0.1~8.0% 的Mo、7~25% 的Ti02、2~10% 的Si02、l~10% 的 Zr02、余量的Fe及不 可避免的杂质。7. 根据权利要求6所述的耐热钢用焊接材料，其特征在于，所述P和S的总含量为0.01 % 以下。8. 根据权利要求6所述的耐热钢用焊接材料，其特征在于，所述助焊剂进一步包含选自 8%以下的Ni、8%以下的Cu、3.5%以下的Al、2.5%以下的Mg、3.0%以下的Ti及8.0%以下 的F中的一种以上。9. 根据权利要求6所述的耐热钢用焊接材料，其特征在于，所述助焊剂进一步包含选自 2.5%以下的似2〇、4.0%以下的1(2〇、4.0%以下的六12〇3、4.0%以下的]\111〇及4.0%以下的]\%0 中的一种以上。10. 根据权利要求1所述的耐热钢用焊接材料，其特征在于，所述助焊剂的充填率为15 ~40%〇
【文档编号】B23K35/30GK105848819SQ201380081877
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2013年12月24日
【发明人】韩煜, 韩一煜, 金正吉, 李奉根, 李相哲
【申请人】Posco公司