CN100467190C - 全位置焊接双相不锈钢的药芯焊丝 - Google Patents
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Abstract
全位置焊接双相不锈钢的药芯焊丝属于材料加工工程中的焊接领域。在进行双相不锈钢焊接时，使用传统的奥氏体不锈钢焊材不能满足其接头点蚀和冲击韧性的要求。本发明的双相不锈钢药芯焊丝，其特征为在于，所加的药芯质量百分比范围如下：35～40%的金属铬粉，11～15%的金属钼粉，2～4%的金属镍粉，3～5%的金属锰粉，2～5%的铝镁合金，1～4%的冰晶石，4～9%的石英，2～8%的长石，21～30%的金红石，0.5～4%的Al2O3，1～5%的锆英石，0.5～3%的Bi2O3，0.5～3%的氮化锰。采用该药芯焊丝施焊，焊缝金属具有优异的耐腐蚀性能和冲击韧性，而且具有极佳的焊接工艺性能和全位置焊接适应性。
Description
技术领域
该发明属于材料加工工程中的焊接领域，主要应用于在天然气与石油管道、海洋平台、化工、热交换器、压力容器等领域广泛应用的2205双相不锈钢全位置工艺的焊接。
背景技术
传统的奥氏体型不锈钢在应力腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀方面的抗力不足，尤其是点蚀和应力腐蚀引起的断裂，危害性极大。双相不锈钢(Duplex Stainless Steels，简称DSS)综合了奥氏体不锈钢和铁素体型不锈钢两者的优点，具有优良的耐中性氯化物应力腐蚀性能、良好的抗孔蚀性能和耐缝隙腐蚀的能力，同时还具有良好的韧性、强度和焊接性。而且该类钢中镍含量只有18-8型奥氏体不锈钢含镍量的一半，解决了世界上工业用镍资源的不足。优良的性能和较低的成本使得双相不锈钢有着广泛的应用前景，使得焊接材料开发显得日益紧迫，尤其是适应性强的全位置药芯焊丝的开发更始迫在眉睫。
针对双相不锈钢焊接来说，接头的力学性能和耐腐蚀性能是影响其应用的关键，而接头性能很大程度上取决于接头两相组织的保证和无有害析出物。在双相不锈钢焊接中必须注意：(1)维持适当的铁素体与奥氏体两相比例；(2)防止有害相析出。一般通过选用合适的焊接材料调整焊缝金属化学成分，或选用合适的焊接方法及焊接参数控制焊接热输入来解决。通常用熔敷金属中的成分保证两相组织的比例，从而保证接头的性能。另外，双相不锈钢其耐腐蚀性能，通常用抗孔蚀当量指数PREN来评价。
2205双相不锈钢(UNSS31803，22Cr-5Ni-3Mo-0.15N)为目前国内外应用最为广泛的双相不锈钢。但是，在进行双相不锈钢焊接时，使用传统的奥氏体不锈钢焊材不能满足其接头点蚀和冲击韧性的要求，更不用说具有全位置焊接性能的双相不锈钢药芯焊丝。为此开发专门针对2205双相不锈钢的全位置药芯焊丝，使其接头能够具有良好的腐蚀和力学性能，并且具有优良的全位置焊接性，从而适用更广泛的工况条件。
发明内容
本发明的目的是提供一种药芯焊丝，通过合理地调整药芯成分的方法，在药芯中加入Cr、Mo、Ni、N、Mn等成分，达到改善接头性能的目的并保证合适的两相比。本发明的特征在于，通过加入必要的合金元素，维持必要的相平衡来提高焊接接头的耐蚀性方面的能力，改善焊接接头的力学性能，同时还在药芯中加入了金红石、长石、氧化铝、石英等矿物粉，且合理配比锆英石、冰晶石等的含量，来保证药芯焊丝的全位置焊接工艺性能。
本发明所提供的全位置焊接双相不锈钢的药芯焊丝，其特征在于，所加的药芯成分质量百分比范围如下：35～40％的金属铬粉，11～15％的金属钼粉，2～4％的金属镍粉，3～5％的金属锰粉，2～5％的铝镁合金，1～4％的冰晶石，4～9％的石英，2～8％的长石，21～30％的金红石，0.5～4％的Al2O3，1～5％的锆英石，0.5～3％的Bi2O3，0.5～3％的氮化锰。
药芯中成分的作用如下：
金属铬粉：向焊缝金属中过渡合金元素。Cr能够改善抗点蚀能力，为保证焊缝金属的耐腐蚀性和强度应至少含35％的Cr。但是，Cr的含量过高(超过40％)，焊缝容易析出σ相，引起脆性变化，造成冲击韧性的降低，所以铬粉质量百分含量最好为35～40％。
金属钼粉：向焊缝金属中过渡合金元素。Mo是保证焊缝金属的耐腐蚀性和高强度所必须的一种成分。含量不足11％，作用不足够。含量超过15％，焊缝金属结构中会产生金属间化合物使得韧性降低而有关脆裂的脆性增加了，铝粉的质量百分含量为：11～15％。
金属镍粉：向焊缝金属中过渡合金元素。Ni是稳定产生奥氏体显微结构增强焊缝金属的耐腐蚀性和韧性的一种元素。因此，含量不足2％韧性会不足。含量超过4％，奥氏体分数率会过大使得强度趋于降低而有效的韧性增加几乎饱和，而且会影响两相比。因此，上限应定在4％。镍粉的质量百分含量为：2～4％。
金属锰粉：向焊缝金属中过渡合金元素。Mn能调节焊缝金属的显微结构有组于奥氏体的产生。然而，3％可达最大效果，上限定在5％，锰粉的质量百分含量为：3～5％。
Al-Mg合金粉：主要作用是脱氧，保护铬、镍等有益合金元素的过渡，可改善冲击韧性。脱氧后生成的Al2O3、MgO具有造渣作用。Al-Mg合金粉是钛型药芯焊丝实现全位置焊接工艺不可缺少的原材料。随着Al-Mg合金粉配方比例的增加，药芯焊丝电弧喷射状态明显改善，对电弧声音、飞溅、焊缝成形有很好的作用。质量百分含量为：2～5％。
冰晶石：冰晶石的主要成分Na3AlF6，通常有利于改善渣壳的物化性能，对熔渣的改进有一定的作用。质量百分含量为：1～4％。
石英：石英主要起造渣作用，石英的含量不易过量，容易形成长渣，不利于立焊和仰焊，质量百分含量为：4～9％。
长石：长石主要的作用是造渣剂，由于含K2O及Na2O，有助于提高电弧稳定性、细化熔滴和提高熔化系数等作用，质量百分含量为：2～8％。
金红石：金红石是熔渣形成主要组分，可以改善熔渣的覆盖性和焊后的脱渣性。金红石对全位置焊有较好的影响，氧化钛(金红石的主要成分)的加入能显著地降低熔渣的高温粘度及表面张力，熔渣粘度的下降会改善高温熔渣透气性，因而焊缝表面斑点减少，表面张力的下降，同时焊接熔渣的碱度很小，渣中TiO2的量较多，容易形成“短渣”，有利于获得良好的焊缝成型。其质量百分含量为：21～30％。
Al2O3：Al2O3提高渣的凝固温度而不改变其粘度，改善脱渣能力。随着Al2O3含量的增加，熔滴尺寸变小，熔渣的熔点和熔渣的粘度会提高，对焊丝的全位置焊接工艺有一定帮助。质量百分含量为：0.5～4％。
锆英石：锆英石主要起造渣，调整熔渣的物化性能，适量添加ZrO2，使熔滴尺寸变小，焊道两边整齐，可改善焊丝的全位置焊接工艺。质量百分含量为：1～5％。
Bi2O3：药芯焊丝中常常加入铋来改善脱渣性，但含铋焊缝在温度高于823K加热或运行时，常常会有再热裂纹的产生，严格控制Bi2O3的含量，可防止焊缝在高温和热处理过程中出现裂纹。质量百分含量为：0.5～3％
氮化锰：向焊缝金属中过渡N元素。N能促使Mo向铁素体相转移，可以提高奥氏体相的耐缝隙腐蚀能力。N对双相不锈钢钢中奥氏体相和铁素体相的PREN(抗点蚀当量)值起到平衡作用。N是在有效产生铁素体时提高焊缝金属拉伸强度用的一种元素。因此，若含量不足0.5％，作用不够。含量超过3％，会降低韧性而降低冲击值。另外由于会引起焊接孔隙和时效硬化，所以上限定为3％。质量百分含量为：0.5～3％。
研究发现，金红石、冰晶石和锆英石对改善全位置焊接的工艺性能有较大的作用，通过合理配比三者的比例，可以得到优良的焊缝成形。
所发明的药芯焊丝脱渣容易，电弧稳定，飞溅颗粒极少且细小，焊缝成形美观，全位置焊接工艺优异，具有优良的冲击韧性，良好的抗点蚀性能。此焊丝主要应用于天然气与石油管道、海洋平台、化工、热交换器、压力容器等领域广泛应用的2205双相不锈钢的全位置焊接。
本发明的制备方法采用现有技术，包括以下步骤：
1、将钢带轧成U形，以17-24％的填充率向U形槽中加入本发明药粉；
2、将U形槽合口，使药粉包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.2mm，得到最终产品。
具体实施方式
所有实施例焊丝都是由昆明重机厂制造的“FCWM50药芯拉丝机”制出：选用宽度为8-12mm，厚度为0.25-0.5mm的304L奥氏体不锈钢带。先将其轧成U形，再向U形槽中加入粒度为过80目筛子的混合药粉，药粉的填充率为17-24％。将U形槽合口，使药粉包裹其中。
实施例如下：
1.选用8×0.25(宽度为8mm，厚度为0.25mm)的304L不锈钢带。先将其轧成U形。取金属铬粉末35克、金属钼粉末13克、金属镍粉末3克、金属锰粉末5克、铝镁合金粉末4克、冰晶石粉末1克、石英粉末4克、锆英石粉末1克、长石粉末4克、金红石粉末24克、Al2O3粉末2.5克、Bi2O3粉末1.5克、氮化锰粉末2克。(所取粉末的粒度为能通过80目的筛子)。将所取各种粉末放入混粉机内混合40分钟，然后将混合粉末加入U形的304L不锈钢带槽中，填充率为17％。将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使其分别通过直径为：2.3mm、2.1mm、1.9mm、1.7mm、1.6mm、1.5mm、1.4mm、1.3mm、1.18mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.2mm。
2.选用9×0.3(宽度为9mm，厚度为0.3mm)的304L不锈钢带。先将其轧成U形。取金属铬粉末38克、金属钼粉末11克、金属镍粉末2克、金属锰粉末4克、铝镁合金粉末5克、冰晶石粉末2克、石英粉末4克、锆英石粉末2克、长石粉末6克、金红石粉末22克、Al2O3粉末0.5克、Bi2O3粉末0.5克、氮化锰粉末3克。(所取粉末的粒度为能通过80目的筛子)。将所取各种粉末放入混粉机内混合40分钟，然后将混合粉末加入U形的304L不锈钢带槽中，填充率为19％。将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使其分别通过直径为：2.3mm、2.1mm、1.9mm、1.7mm、1.6mm、1.5mm、1.4mm、1.3mm、1.18mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.2mm。
3.选用10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的304L不锈钢带。先将其轧成U形。取金属铬粉末37克、金属钼粉末11克、金属镍粉末4克、金属锰粉末3克、铝镁合金粉末2克、冰晶石粉末2克、石英粉末4克、锆英石粉末1克、长石粉末3克、金红石粉末30克、Al2O3粉末1.5克、Bi2O3粉末1克、氮化锰粉末0.5克。(所取粉末的粒度为能通过80目的筛子)。将所取各种粉末放入混粉机内混合40分钟，然后将混合粉末加入U形的304L不锈钢带槽中，填充率为20％。将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使其分别通过直径为：2.3mm、2.1mm、1.9mm、1.7mm、1.6mm、1.5mm、14mm、1.3mm、1.18mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.2mm。
4.选用12×0.5(宽度为12mm，厚度为0.5mm)的304L不锈钢带。先将其轧成U形。取金属铬粉末40克、金属钼粉末13克、金属镍粉末3克、金属锰粉末4克、铝镁合金粉末3克、冰晶石粉末1克、石英粉末7克、锆英石粉末1克、长石粉末2克、金红石粉末23克、Al2O3粉末1克、Bi2O3粉末1克、氮化锰粉末1克。(所取粉末的粒度为能通过80目的筛子)。将所取各种粉末放入混粉机内混合40分钟，然后将混合粉末加入U形的304L不锈钢带槽中，填充率为21％。将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使其分别通过直径为：2.3mm、2.1mm、1.9mm、1.7mm、1.6mm、1.5mm、1.4mm、1.3mm、1.18mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.2mm。
5.选用12×0.5(宽度为12mm，厚度为0.5mm)的304L不锈钢带。先将其轧成U形。取金属铬粉末35克、金属钼粉末15克、金属镍粉末2克、金属锰粉末3克、铝镁合金粉末2克、冰晶石粉末1克、石英粉末9克、锆英石粉末5克、长石粉末2克、金红石粉末21克、Al2O3粉末4克、Bi2O3粉末0.5克、氮化锰粉末0.5克。(所取粉末的粒度为能通过80目的筛子)。将所取各种粉末放入混粉机内混合40分钟，然后将混合粉末加入U形的304L不锈钢带槽中，填充率为23％。将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使其分别通过直径为：2.3mm、2.1mm、1.9mm、1.7mm、1.6mm、1.5mm、1.4mm、1.3mm、1.18mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.2mm。
6.选用12×0.5(宽度为12mm，厚度为0.5mm)的304L不锈钢带。先将其轧成U形。取金属铬粉末35克、金属钼粉末11克、金属镍粉末3克、金属锰粉末3克、铝镁合金粉末2克、冰晶石粉末4克、石英粉末4克、锆英石粉末2克、长石粉末8克、金红石粉末21克、Al2O3粉末2.5克、Bi2O3粉末3克、氮化锰粉末1.5克。(所取粉末的粒度为能通过80目的筛子)。将所取各种粉末放入混粉机内混合40分钟，然后将混合粉末加入U形的304L不锈钢带槽中，填充率为24％。将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使其分别通过直径为：2.3mm、2.1mm、1.9mm、1.7mm、1.6mm、1.5mm、1.4mm、1.3mm、1.18mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.2mm。
表1 钢带的成分
表2 实施例列表
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| Cr粉 | 35 | 38 | 37 | 40 | 35 | 35 |
| Ni粉 | 3 | 2 | 4 | 3 | 2 | 3 |
| Mn粉 | 5 | 4 | 3 | 4 | 3 | 3 |
| 氮化锰 | 2 | 3 | 0.5 | 1 | 0.5 | 1.5 |
| Mo粉 | 13 | 11 | 11 | 13 | 15 | 11 |
| 金红石 | 24 | 22 | 30 | 23 | 21 | 21 |
| 石英 | 4 | 4 | 4 | 7 | 9 | 4 |
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | 2.5 | 0.5 | 1.5 | 1 | 4 | 2.5 |
| 铝镁合金 | 4 | 5 | 2 | 3 | 2 | 2 |
| 长石 | 4 | 6 | 3 | 2 | 2 | 8 |
| Bi<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | 1.5 | 0.5 | 1 | 1 | 0.5 | 3 |
| 锆英石 | 1 | 2 | 1 | 1 | 5 | 2 |
| 冰晶石 | 1 | 2 | 2 | 1 | 1 | 4 |
| PREN | 34.23 | 36.48 | 36.17 | 37.52 | 35.20 | 35.16 |
●PREN的保证值范围为：33≤PREN＝w(Cr)+3.3w(Mo)+16w(N)≤45。
表3 焊接工艺性
| 序号 | 电弧稳定性 | 飞溅 | 脱渣性 | 熔池流动性 | 焊缝成型 | 立焊 | 仰焊 |
| 1 | 较好 | 较好 | 较好 | 较好 | 较好 | 较好 | 较好 |
| 2 | 较好 | 较好 | 较好 | 较好 | 较好 | 较好 | 较好 |
| 3 | 较好 | 较好 | 较好 | 较好 | 较好 | 较好 | 较好 |
| 4 | 较好 | 较好 | 较好 | 较好 | 较好 | 较好 | 较好 |
| 5 | 较好 | 较好 | 较好 | 较好 | 较好 | 较好 | 较好 |
| 6 | 较好 | 较好 | 较好 | 较好 | 较好 | 较好 | 较好 |
●平焊的工艺参数为：100％CO2气保护下进行焊接，焊接电流190～220A，焊接电压28～32V，焊接速度0.5m/min，气流量15l/min。
●立焊的工艺参数为：100％CO2气保护下进行焊接，焊接电流150～200A，焊接电压25～28V，焊接速度0.5m/min，气流量15l/min。
●仰焊的工艺参数为：100％CO2气保护下进行焊接，焊接电流180～210A，焊接电压27～30V，焊接速度0.5m/min，气流量15l/min。
表4 试验结果
●拉伸试验是按照国标GB/T 228-2002来进行的，具体的保证值为：其拉伸强度Rm>690MPA。
●弯曲试验是按照国标GB/2653-89来进行的，弯曲压头直径为d＝30mm，弯曲角度为α＝180°，弯曲后无裂纹出现判定为合格。
●冲击试验是将各个试件在-20℃温度下，至少进行3次试验。如果其平均值最大不超过27J，试验结果可判定为差或不合格。
●点蚀试验是按照JISG0578执行，将试件集中进行点蚀试验，然后对腐蚀损失进行评定。如果腐蚀损失在0.1g/mm2小时以下，判定为好，如果0.1g/mm2～0.2g/mm2之间，判定为较差，如果等于或者高于0.2g/mm2此数，则判定为差。
●接头化学成分是根据AWS A5.4/A5.4M来衡量熔覆金属成分，在其范围内，判定为合格。
从上述可以看出，采用该药芯焊丝施焊，焊缝金属不仅具有优异的耐腐蚀性能和冲击韧性，同时具有极佳的焊接工艺性能和全位置焊接适应性，能够满足我国天然气与石油管道、海洋平台、化工、热交换器、压力容器等领域广泛应用的2205双相不锈钢全位置焊接工艺性能的要求。
Claims (1)
1、一种全位置焊接双相不锈钢的药芯焊丝，所述双相不锈钢为2205双相不锈钢，其特征在于，所加的药芯成分质量百分比范围如下：35～40％的金属铬粉，11～15％的金属钼粉，2～4％的金属镍粉，3～5％的金属锰粉，2～5％的铝镁合金，1～4％的冰晶石，4～9％的石英，2～8％的长石，21～30％的金红石，0.5～4％的Al2O3，1～5％的锆英石，0.5～3％的Bi2O3，0.5～3％的氮化锰。
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Legal Events
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Effective date of registration: 20150108 Address after: Room A1101 No. 16 in Hebei Subaru building 100176 Beijing economic and Technological Development Zone Ronghua Road Patentee after: Cheng Meilong Address before: 100022 No. 100 Chaoyang District Ping Tian Park, Beijing Patentee before: Beijing University of Technology |
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: LI ZHUOXIN Free format text: FORMER OWNER: CHENG MEILONG Effective date: 20150408 |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 100176 DAXING, BEIJING TO: 101102 TONGZHOU, BEIJING |
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Effective date of registration: 20150408 Address after: 101102 Beijing city Tongzhou District Majuqiao King Shing Street Hopson World Village Building 2 1209 1 Patentee after: Li Zhuoxin Address before: Room A1101 No. 16 in Hebei Subaru building, 100176 Beijing economic and Technological Development Zone Ronghua Road Patentee before: Cheng Meilong |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |