CN101596640A - 超级马氏体不锈钢的焊接工艺 - Google Patents

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傅健
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Abstract

本发明提供一种超级马氏体不锈钢的焊接工艺，包括对超级马氏体不锈钢制备坡口、坡口对接装配和选定焊接材料的焊前准备工序，打底焊接工序，以及填充焊接和盖面焊接工序；其焊前准备工序中设有焊前预热步骤，焊前预热步骤是对施焊部位进行预热，预热温度为50℃至70℃；焊前准备工序中选定的焊接材料包括双相不锈钢焊丝和双相不锈钢焊条；打底焊接工序采用手工钨极氩弧焊；填充焊接和盖面焊接工序采用手工钨极氩弧焊或者焊条电弧焊；改善焊接接头的性能，尤其是硬度及耐腐蚀性能，省去焊后的热处理工序，节省工序，提高焊接效率，降低生产成本。

Description

超级马氏体不锈钢的焊接工艺
技术领域
本发明涉及焊接技术，尤其涉及一种超级马氏体不锈钢的焊接工艺。
背景技术
本发明涉及的马氏体不锈钢是近年来开发使用的一种新型的不锈钢材料，其主要化学成分为0.012C-12Cr-5Ni-2Mo-0.01N，具有超低的C、N含量及优良的力学性能和耐腐蚀性，称为12Cr超级马氏体不锈钢。这种新型的不锈钢可以用于富含CO2和H2S的环境中，其强度为X80级，并且具有充足的低温韧性，是一种具有高寿命周期和低成本特点的经济型材料。
这种新型的不锈钢材料，由于属于高强度钢材，其焊接接头尤其是根焊道部位的硬度容易偏高，致使耐腐蚀性能降低。因此，目前对这种材料的焊接方法是采取焊后的热处理工艺进行降低焊接接头的硬度及改善耐腐蚀性能，由于此种材料的焊后热处理工艺条件要求特殊，其中升温速度要求大于100℃/Min，升温速度要求快，因此需要采用中频或者高频热处理设备，这种设备价格昂贵，而且由于增加焊后的热处理工艺，会造成生产效率低下。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有产品存在的上述缺点，而提供一种超级马氏体不锈钢的焊接工艺，通过设定合理的焊接参数，控制层间温度并对根焊道进行气体保护焊的方式，改善焊接接头的性能，尤其是硬度及耐腐蚀性能，省去焊后的热处理工序，使焊接接头的各项性能达到与进行焊后热处理工序的现有技术的相当水平，节省工序，提高焊接效率，降低生产成本。
本发明的目的是由以下技术方案实现的。
本发明超级马氏体不锈钢的焊接工艺，包括对超级马氏体不锈钢制备坡口、坡口对接装配和选定焊接材料的焊前准备工序，打底焊接工序，以及填充焊接和盖面焊接工序；其特征在于，所述焊前准备工序中设有焊前预热步骤，焊前预热步骤是对施焊部位进行预热，预热温度为50℃至70℃：所述焊前准备工序中选定的焊接材料包括双相不锈钢焊丝和双相不锈钢焊条；所述打底焊接工序采用手工钨极氩弧焊；所述填充焊接和盖面焊接工序采用手工钨极氩弧焊或者焊条电弧焊。
前述的超级马氏体不锈钢的焊接工艺，其中焊前预热步骤预热的施焊部位包括施焊区及其周围70mm至80mm的范围，预热方法采用烤把预热或者电阻加热装置预热。
前述的超级马氏体不锈钢的焊接工艺，其中焊丝为双相不锈钢焊丝ER2209 Sandvik22.8.3；焊条为焊条E2209-17 LSandvik22.9.3.LR。
前述的超级马氏体不锈钢的焊接工艺，其中手工钨极氩弧焊的焊接参数是：焊丝直径为φ2.0mm或φ2.4mm，钨极直径为φ2.4mm；保护气体为氩气，氩气流量为15-25mL/min，纯度≥99.99％；背保护气体为氩气，氩气流量为15-25mL/min，纯度≥99.99％，背保护气体中氧(O2)含量小于50ppm；焊接电弧电压为10-12V，焊接电流为直流或者交流，电流强度为80-120A；焊接速度为45-70mm/min。
前述的超级马氏体不锈钢的焊接工艺，其中焊条电弧焊的焊接参数如下：焊条温度为70至80℃；采用多道多层焊以及摆动的焊接方法，最大摆动宽度为2.5D的焊条直径范围；采用φ3.25mm的双相不锈钢焊条；焊接电弧电压为23-26V，焊接电流为直流或者交流，电流强度为90-115A，焊接速度为75-130mm/min；根焊道和热焊道之间的最小间隔时间为10min；焊接位置为全位置，直立向上。
前述的超级马氏体不锈钢的焊接工艺，其中打底焊接的热输入量小于1.8KJ/mm；所述填充焊接和盖面焊接的热输入量小于2.0KJ/mm。
前述的超级马氏体不锈钢的焊接工艺，其中层间温度控制在150℃±5℃。
前述的超级马氏体不锈钢的焊接工艺，其中制备的坡口为单面V字形坡口或者双面V字形坡口，坡口角度为60±5°，间隙为2至4mm，钝边为1至2mm。
前述的超级马氏体不锈钢的焊接工艺，其中超级马氏体不锈钢为12Cr超级马氏体不锈钢。
本发明超级马氏体不锈钢的焊接工艺的有益效果，其通过设定合理的焊接参数，控制层间温度并对根焊道进行气体保护焊的方式，改善焊接接头的性能，尤其是硬度及耐腐蚀性能，省去焊后的热处理工序，使焊接接头的各项性能达到与进行焊后热处理工序的现有技术的相当水平，符合行业标准，节省工序，提高焊接效率，降低生产成本。
具体实施方式
本发明超级马氏体不锈钢的焊接工艺，包括对超级马氏体不锈钢制备坡口、坡口对接装配和选定焊接材料的焊前准备工序，打底焊接工序，以及填充焊接和盖面焊接工序；其改进之处在于，所述焊前准备工序中设有焊前预热步骤，焊前预热步骤是对施焊部位进行预热，预热温度为50℃至70℃；所述焊前准备工序中选定的焊接材料包括双相不锈钢焊丝和双相不锈钢焊条；所述打底焊接工序采用手工钨极氩弧焊；所述填充焊接和盖面焊接工序采用手工钨极氩弧焊或者焊条电弧焊。
本发明超级马氏体不锈钢的焊接工艺，其中，焊前预热步骤预热的施焊部位包括施焊区及其周围70mm至80mm的范围，预热方法采用烤把预热或者电阻加热装置预热；焊丝为双相不锈钢焊丝ER2209 Sandvik22.8.3；焊条为焊条E2209-17 LSandvik22.9.3.LR；手工钨极氩弧焊的焊接参数是：焊丝直径为φ2.0mm或φ2.4mm，钨极直径为φ2.4mm；保护气体为氩气，氩气流量为15-25mL/min，纯度≥99.99％；背保护气体为氩气，氩气流量为15-25mL/min，纯度≥99.99％，背保护气体中氧(O2)含量小于50ppm；焊接电弧电压为10-12V，焊接电流为直流或者交流，电流强度为80-120A；焊接速度为45-70mm/min；焊条电弧焊的焊接参数如下：焊条温度为70至80℃；采用多道多层焊以及摆动的焊接方法，最大摆动宽度为2.5D的焊条直径范围；采用φ3.25mm的双相不锈钢焊条；焊接电弧电压为23-26V，焊接电流为直流或者交流，电流强度为90-115A，焊接速度为75-130mm/min；根焊道和热焊道之间的最小间隔时间为10min；焊接位置为全位置，直立向上；打底焊接的热输入量小于1.8KJ/mm；填充焊接和盖面焊接的热输入量小于2.0KJ/mm，(热输入量＝电流×电压/焊接速度)；层间温度为150℃±5℃；制备的坡口为单面V字形坡口或者双面V字形坡口，坡口角度为60±5°，间隙为2至4mm，钝边为1至2mm；该超级马氏体不锈钢为12Cr超级马氏体不锈钢。
实施例一：
对Φ324×22mm的12Cr超级马氏体不锈钢进行焊接。主要操作步骤如下：
1、焊前准备工序：
①制备坡口，用等离子方法制备单面V字形坡口，坡口角度为60°，间隙为2mm，钝边为1mm；对坡口及其内外壁两侧进行清理，直至露出金属光泽；
②对接装配坡口，检查确认被焊部位及其边缘的20mm范围内无缺陷；
③选定焊接材料，焊丝采用ER2209 Sandvik22.8.3.的双相不锈钢焊丝，直径为φ2.0mm；焊条采用E2209-17 LSandvik22.9.3.LR的双相不锈钢焊条，直径为φ3.25mm；
④焊前预热，对施焊区及其周围的75mm范围的施焊部位进行预热，采用烤把进行预热，预设温度为50℃。
2、打底焊接工序：
采用手工钨极氩弧焊进行打底焊接，焊接参数设定为：焊丝直径为φ2.0mm的双相不锈钢焊丝，钨极直径为φ2.4mm；保护气体氩气流量为15mL/min，纯度为99.99％，背保护气体氩气流量为15mL/min，纯度为99.99％，背保护气体中氧(O2)的含量为45ppm；焊接电弧电压为10V，焊接电流为直流电，电流强度为80A，焊接速度为45mm/min，控制热输入量小于1.8KJ/mm。
3、填充焊接和盖面焊接工序：
采用焊条电弧焊进行填充焊接和盖面焊接，焊接参数设定为：采用φ3.25mm的双相不锈钢焊条，该焊条在使用前在烘箱内进行烘焙，烘焙温度控制在350℃，使焊条温度达到320℃以上时取出后放在保温筒内保温，保持焊条温度在75℃；采用13道7层焊以及摆动焊的焊接方法，摆动宽度控制在2.5D的焊条直径范围内；控制焊接电弧电压为25V，焊接电流为直流电，电流强度为90A，焊接速度为75mm/min；根焊道和热焊道之间的间隔时间为10min；焊接位置为全位置，直立向上；控制热输入量小于1.8KJ/mm，控制层间温度小于150℃。
焊后，对焊缝试样进行性能检测，冷弯180°条件下裂纹长度＜3mm；抗拉强度＞700MPa，屈服强度＞550MPa，熔敷金属断后伸长率＞20％，-10℃夏比冲击功＞60J，硬度＜300HV10，焊缝0℃下CTOD值＞0.15mm，抗应力腐蚀及氢脆性能良好，达到行业标准。
实施例二：
对Φ324×12mm的12Cr超级马氏体不锈钢进行焊接。主要操作步骤如下：
1、焊前准备工序：
①制备坡口，用等离子方法制备双面V字形坡口，坡口角度为65°，间隙为4mm，钝边为2mm；对坡口及其内外壁两侧进行清理，直至露出金属光泽；
②对接装配坡口，检查确认被焊部位及其边缘的22mm范围内无缺陷；
③选定焊接材料，焊丝采用ER2209 Sandvik22.8.3.的双相不锈钢焊丝，直径为φ2.4mm；焊条采用E2209-17 LSandvik22.9.3.LR的双相不锈钢焊条，直径为φ3.25mm；
④焊前预热，对施焊区及其周围的80mm范围的施焊部位进行预热，采用烤把进行预热，预设温度为60℃。
2、打底焊接工序：
采用手工钨极氩弧焊进行打底焊接，焊接参数设定为：焊丝直径为φ2.4mm的双相不锈钢焊丝，钨极为φ2.4mm；保护气体氩气流量为25mL/min，纯度为99.99％，背保护气体氩气流量为25mL/min，纯度为99.99％，背保护气体中氧(O2)的含量为50ppm；焊接电弧电压为12V，焊接电流为交流电，电流强度为120A，焊接速度为70mm/min；控制热输入量小于1.8KJ/mm。
3、填充焊接和盖面焊接工序：
采用焊条电弧焊进行填充焊接和盖面焊接，焊接参数设定为：采用直径为φ3.25mm的双相不锈钢焊条，该焊条在使用前在烘箱内进行烘焙，烘焙温度控制在350℃左右，使焊条温度达到320℃以上时取出后放在保温筒内保温，保持焊条温度在75℃；采用7道5层焊以及摆动焊的焊接方法，摆动宽度控制在2.5D的焊条直径范围内；控制焊接电弧电压为26V，焊接电流为交流电，电流强度为115A，焊接速度为130mm/min；根焊道和热焊道之间的间隔时间为15min；焊接位置为全位置，直立向上；控制热输入量小于1.8KJ/mm，层间温度小于150℃。
焊后，对焊缝试样进行性能检测，冷弯180°条件下裂纹长度＜3mm；抗拉强度＞700MPa，屈服强度＞550MPa，熔敷金属断后伸长率＞20％，-10℃夏比冲击功＞60J，硬度＜300HV10，焊缝0℃下CTOD值＞0.15mm，抗应力腐蚀及氢脆性能良好，达到行业标准。
实施例三：
对1200×300×22mm的12Cr超级马氏体不锈钢进行焊接。主要操作步骤如下：
1、焊前准备工序：
①制备坡口，用等离子方法制备双面V字形坡口，坡口角度为65°，间隙为4mm，钝边为2mm；对坡口及其内外壁两侧进行清理，直至露出金属光泽；
②对接装配坡口，检查确认被焊部位及其边缘的20mm范围内无缺陷；
③选定焊接材料，焊丝采用ER2209 Sandvik22.8.3.的双相不锈钢焊丝，直径为φ2.4mm；
④焊前预热，对施焊区及其周围的70mm范围的施焊部位进行预热，采用电阻加热器进行预热，预热温度为80℃。
2、打底焊接工序：
采用手工钨极氩弧焊进行打底焊接，焊接参数设定为：焊丝直径为φ2.4mm的双相不锈钢焊丝，钨极为φ2.4mm；保护气体氩气流量为25mL/min，纯度为99.99％，背保护气体氩气流量为25mL/min，纯度为99.99％，背保护气体中氧(O2)的含量为50ppm；焊接电弧电压为12V，焊接电流为交流电，电流强度为120A，焊接速度为70mm/min；控制热输入量小于1.8KJ/mm。
3、填充焊接和盖面焊接工序：
采用手工钨极氩弧焊进行填充焊接和盖面焊接，焊接参数设定为：采用ER2209 Sandvik22.8.3.的双相不锈钢焊丝，直径为φ2.4mm；保护气体氩气流量为25mL/min，纯度为99.99％；焊接电弧电压为14V，焊接电流为交流电，电流强度为150A，焊接速度为75mm/min；根焊道和热焊道之间的间隔时间为12min；焊接位置为全位置，直立向上；焊接时采用采用22道9层焊以及摆动焊的焊接方法，摆动宽度控制在10mm范围内；控制热输入量小于1.8KJ/mm，层间温度小于150℃。
焊后对焊缝试样进行性能检测，冷弯180°条件下裂纹长度＜3mm；抗拉强度＞700MPa，屈服强度＞550MPa，熔敷金属断后伸长率＞20％，-10℃夏比冲击功＞60J，硬度＜300HV10，焊缝0℃下CTOD值＞0.15mm，抗应力腐蚀及氢脆性能良好，达到行业标准。
实施例四：
对1200×300×12mm的12Cr超级马氏体不锈钢进行焊接。主要操作步骤如下：
1、焊前准备工序：
①制备坡口，用等离子方法制备单面V字形坡口，坡口角度为60°，间隙为2mm，钝边为1mm；对坡口及其内外壁两侧进行清理，直至露出金属光泽；
②对接装配坡口，检查确认被焊部位及其边缘的25mm范围内无缺陷；
③选定焊接材料，焊丝采用ER2209 Sandvik22.8.3.的双相不锈钢焊丝，直径为φ2.0mm；
④焊前预热，对施焊区及其周围的70mm范围的施焊部位进行预热，采用电阻加热器进行预热，预设温度为60℃。
2、打底焊接工序：
采用手工钨极氩弧焊进行打底焊接，焊接参数设定为：焊丝直径为φ2.0mm的双相不锈钢焊丝，钨极直径为φ2.4mm；保护气体氩气流量为15mL/min，纯度为99.99％，背保护气体氩气流量为25mL/min，纯度为99.99％，背保护气体中氧(O2)的含量为40ppm；焊接电弧电压为10V，焊接电流为直流电，电流强度为80A，焊接速度为45mm/min；控制热输入量小于1.8KJ/mm。
3、填充焊接和盖面焊接工序：
采用手工钨极氩弧焊进行填充焊接和盖面焊接，焊接参数设定为：采用ER2209 Sandvik22.8.3.的双相不锈钢焊丝，直径为φ2.0mm；保护气体氩气流量为15mL/min，纯度为99.99％；焊接电弧电压为10V，焊接电流为直流电，电流强度为170A，焊接速度为120mm/min；根焊道和热焊道之间的间隔时间为10min；焊接位置为全位置，直立向上；焊接时，采用10道6层焊以及摆动焊的焊接方法，摆动宽度控制在9mm范围内；控制热输入量小于1.8KJ/mm，层间温度小于150℃。
焊后对焊缝试样进行性能检测，冷弯180°条件下裂纹长度＜3mm；抗拉强度＞700MPa，屈服强度＞550MPa，熔敷金属断后伸长率＞20％，-10℃夏比冲击功＞60J，硬度＜300HV10，焊缝0℃下CTOD值＞0.15mm，抗应力腐蚀及氢脆性能良好，达到行业标准。
本发明超级马氏体不锈钢的焊接工艺的功效及优点是：1、使用双相不锈钢焊材作为焊接材料，使焊缝各项性能优良。由于超级马氏体不锈钢特别是12Cr超级马氏体不锈钢是一种调质状态(淬火+回火)供货的钢材，即经过淬火及回火处理而形成的低碳马氏体组织，在焊接过程中形成这种组织而且兼顾母材所具有的抗腐蚀性能是很重要的。所以，本发明采用双相不锈钢焊材进行焊接，双相不锈钢指铁素体-奥氏体双相钢，具有超强的综合性能，高强度、高韧性、耐腐蚀性好，因此使用这种焊材，可以使焊缝的各项性能均与超级马氏体不锈钢尤其是12Cr超级马氏体不锈钢相匹配。2、采用氩弧焊打底，单面焊双面成型，不仅对板材适用，更适用于各种超级马氏体不锈钢材料，尤其是12Cr超级马氏体不锈钢材料的管道焊接。其机理是，氩弧焊采用钨电极，焊接时钨极不熔化，所以是一种电弧稳定、热源集中的焊接方法。加之打底焊时使用纯度很高的氩气(Ar)作背保护气体，并控制氧含量，所以背面成型好，适用于单面焊双面成型的焊接工艺。3、免除了焊后热处理，使生产效率大幅提高。焊接时高温加热周期在晶界的碳化物的附近形成了铬贫化区，使抗腐蚀性能弱化，马氏体钢通常需要进行焊后热处理以恢复铬的扩散，这样就缩小了铬贫化区，达到改善耐腐蚀性能的效果。本发明通过严格控制焊接参数和层间温度，以控制焊缝冷却速度，由于冷却速度合理，可以控制焊缝金属中晶粒的生长及合金元素的扩散，使贫铬区实现最小化，从而使其耐腐蚀性能得以改善，因此，焊后不必再进行热处理。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1、一种超级马氏体不锈钢的焊接工艺，包括对超级马氏体不锈钢制备坡口、坡口对接装配和选定焊接材料的焊前准备工序，打底焊接工序，以及填充焊接和盖面焊接工序；其特征在于，所述焊前准备工序中设有焊前预热步骤，焊前预热步骤是对施焊部位进行预热，预热温度为50℃至70℃；所述焊前准备工序中选定的焊接材料包括双相不锈钢焊丝和双相不锈钢焊条；所述打底焊接工序采用手工钨极氩弧焊；所述填充焊接和盖面焊接工序采用手工钨极氩弧焊或者焊条电弧焊。
2、根据权利要求1所述的超级马氏体不锈钢的焊接工艺，其特征在于，所述焊前预热步骤预热的施焊部位包括施焊区及其周围70mm至80mm的范围，预热方法采用烤把预热或者电阻加热装置预热。
3、根据权利要求1所述的超级马氏体不锈钢的焊接工艺，其特征在于，所述焊丝为双相不锈钢焊丝ER2209 Sandvik22.8.3；焊条为焊条E2209-17LSandvik22.9.3.LR。
4、根据权利要求1或3所述的超级马氏体不锈钢的焊接工艺，其特征在于，所述手工钨极氩弧焊的焊接参数是：焊丝直径为φ2.0mm或φ2.4mm，钨极直径为φ2.4mm；保护气体为氩气，氩气流量为15-25mL/min，纯度≥99.99％；背保护气体为氩气，氩气流量为15-25mL/min，纯度≥99.99％，背保护气体中氧(O2)含量小于50ppm；焊接电弧电压为10-12V，焊接电流为直流或者交流，电流强度为80-120A；焊接速度为45-70mm/min。
5、根据权利要求1或3所述的超级马氏体不锈钢的焊接工艺，其特征在于，所述焊条电弧焊的焊接参数如下：焊条温度为70至80℃；采用多道多层焊以及摆动的焊接方法，最大摆动宽度为2.5D的焊条直径范围；采用φ3.25mm的双相不锈钢焊条；焊接电弧电压为23-26V，焊接电流为直流或者交流，电流强度为90-115A，焊接速度为75-130mm/min；根焊道和热焊道之间的最小间隔时间为10min；焊接位置为全位置，直立向上。
6、根据权利要求1所述的超级马氏体不锈钢的焊接工艺，其特征在于，所述打底焊接的热输入量小于1.8KJ/mm；所述填充焊接和盖面焊接的热输入量小于2.0KJ/mm。
7、根据权利要求1所述的超级马氏体不锈钢的焊接工艺，其特征在于，所述层间温度为150℃±5℃。
8、根据权利要求1所述的超级马氏体不锈钢的焊接工艺，其特征在于，所述制备的坡口为单面V字形坡口或双面V字形坡口，坡口角度为60±5°，间隙为2至4mm，钝边为1至2mm。
9、根据权利要求1所述的超级马氏体不锈钢的焊接工艺，其特征在于，所述超级马氏体不锈钢为12Cr超级马氏体不锈钢。
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