CN101733523A - 中厚板双相不锈钢焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
中厚板双相不锈钢焊接工艺，属于金属焊接技术领域，其特征在于：将待焊接部位加工成双U型坡口(1)；对口装配并焊接，焊缝背面采用高纯氮气进行保护，正面采用高纯氩气进行保护；多层多道焊接，焊丝直径为2～4mm，焊接电流120～190A，焊接电压12～24V，焊接速度90～130mm/min，层间温度控制在60～100℃；焊接完毕后进行固溶处理，固溶温度为1000～1100℃，保温时间为30～60min，冷却采用先慢速冷却后慢速冷却的方式，从固溶温度到800℃缓慢冷却，800℃以后快速冷却。该工艺能有效抑制焊接接头氮元素析出，接头中不产生有害相，使焊接区保持与母材相同或较为接近的组织结构比例，接头获得较高的强度和良好的使用性能。
Description
技术领域
中厚板双相不锈钢焊接工艺，属于金属焊接技术领域，具体涉及一种中厚板双相不锈钢焊接工艺方法。
背景技术
双相不锈钢中铁素体与奥氏体大约各占一半，通过正确控制化学成分和热处理工艺，将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性、焊接性与铁素体不锈钢所具有的较高强度、耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起，使双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点。此外，由于其组织是双相混合的微细化组织，所以，与单相组织的不锈钢相比较，具有强度高的特征。
近年来，双相不锈钢应用范围迅速扩大，已成为奥氏体不锈钢在许多应用领域最有力的竞争对手。与现有316L等奥氏体系不锈钢相比，耐应力腐蚀开裂性能得到提高，耐点腐蚀性能也较为优良，其生产成本与316L没有大的差别，而在设计上由于双相不锈钢强度高，可以达到轻量化，减少钢材使用量。因此，双相不锈钢主要应用在中性氯化物环境、炼油工业、石油化学和化学工业、石油和天然气工业、纸浆和造纸工业、化肥工业、海水环境、能源与环保工业、轻工和食品等工业。
焊接是制造双相不锈钢设备的关键技术。目前双相不锈钢面临的主要问题是：双相不锈钢焊缝和焊接热影响区难以保持合适的相比例，接头中容易析出有害相(如σ、χ、Cr2N、M23C6等)，脆化和敏化倾向性大，限制了双相不锈钢的使用。因此，焊缝中相比例的控制、焊接工艺参数对焊缝组织的影响一直是研究的主要内容。另外，中厚板焊接会带来较高的残余应力，对强度和抗腐蚀性产生影响。因此，对双相不锈钢的焊接工艺进行研究，对双相不锈钢的推广应用具有重要的工程意义。
中国发明专利(申请号03140209.7)公开了一种双相不锈钢工艺管线焊接工艺，采用99.99％的氩气保护进行打底焊接，采用80％氩气和20％二氧化碳气体进行半自动填充盖面焊接，该发明主要采用在氩气中加入一定量的二氧化碳作为保护气，但该方法并不能很好的抑制焊接接头氮元素的析出。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种能有效抑制焊接接头氮元素析出，使焊接区保持与母材相同或较为接近的组织结构比例，接头中不产生有害相(如σ、χ、Cr2N、M23C6等)，接头获得了较高的强度和良好的使用性能的中厚板双相不锈钢焊接工艺。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该中厚板双相不锈钢焊接工艺，其特征在于：采用如下工艺步骤：
1.1将待焊接部位加工成双U型坡口，并将坡口内外两侧清理打磨干净；
1.2对口装配并焊接，焊缝背面采用99.99％高纯氮气进行保护，正面采用高纯氩气进行保护；
1.3多层多道焊接，焊丝直径为2～4mm，焊接电流120～190A，焊接电压12～24V，焊接速度90～130mm/min，层间温度控制在60～100℃，并在每层焊缝焊接完毕后，将焊缝表层进行打磨，焊接层数一般为1～13层；
1.4焊接完毕后进行固溶处理，固溶温度为1000～1100℃，保温时间为30～60min，冷却采用先慢速冷却后慢速冷却的方式，从固溶温度到800℃缓慢冷却，800℃以后快速冷却。
双U型坡口为正、背面对称U型坡口。
双U型坡口的坡口角度为10～20°，钝边高度为2～4mm。对口装配错边量小于1mm。
对坡口内外两侧10～20mm范围以内进行清理打磨，露出金属光泽。
氮气流量为16～22L/min，氩气流量为12～15L/min。
每层焊缝表层打磨深度为0.1～0.5mm。
多层多道焊接时，焊条不作横向摆动，焊接方向一致。
固溶处理升温速率为180～260℃/h。
从固溶温度到800℃采用在热处理炉中缓慢冷却，800℃以后在水中快速冷却。
焊接板材厚度为10～30mm。
与现有技术相比，本发明中厚板双相不锈钢焊接工艺所具有的有益效果是：1、采用多层多道焊，利用后续焊道的加热作用，不仅能够使前层焊道金属中的铁素体进一步转变成奥氏体，而且能够降低焊接残余应力，有效的控制焊接热循环。2、焊缝背面采用99.99％高纯氮气进行保护，正面采用高纯氩气进行保护，抑制接头中氮元素的析出，焊接区保持了与母材相同的组织结构和较为接近的相比例，使接头获得了使接头获得了较高的强度和良好的使用性能。3、采用双U型坡口对称焊接，焊后逐层打磨以及多层多道焊的方式，降低焊接残余应力和焊接变形，提高了接头强度和抗腐蚀性能力。4、通过固溶处理，不仅使得接头中不产生有害相(如σ、χ、Cr2N、M23C6等)，同时释放了部分残余应力。经检验，焊接接头无缺陷，所得接头抗拉强度达800MPa，焊接区金相组织奥氏体含量45％，铁素体含量55％。
附图说明
图1是本发明中厚板双相不锈钢焊接工艺焊接坡口的形状示意图。
图2为焊层分布图。
其中：1、双U型坡口 2、钝边高度 3、母材 4、焊层。
下面结合附图1～2对本发明做进一步说明：
具体实施方式
实施例1
参照附图1～2
母材3采用型号为S31803的双向不锈钢，焊接板材厚度为10mm。焊丝型号为E2209。
1、使用前先将焊丝表面的油、垢等赃物除去，并烘干。
2、将待焊接部位加工成双U型坡口1，坡口加工时以机械方法加工，坡口角度为10°，并将坡口内外两侧10mm范围以内的锈、油、垢等污物清理干净，露出金属光泽，坡口毛刺需打磨干净，无裂纹。
3、对口装配并焊接，钝边高度2为2mm，错边量小于1mm，焊缝背面采用99.99％高纯氮气进行保护，正面采用高纯氩气进行保护，氮气流量为16L/min，氩气流量为12L/min。
4、焊接工艺采用多层多道焊，焊丝直径为2～4mm，焊接电流120～190A，焊接电压12～24V，焊接速度90～130mm/min，层间温度控制在60～100℃，并在每层焊缝焊接完毕后，将焊缝表层进行打磨，每层焊缝表层打磨深度为0.1mm。焊接层数一般为7层，焊层4焊接顺序按照1～7的顺序逐层焊接，焊接时焊条不作横向摆动，焊接方向一致，保证焊缝金属具有合理的铁素体—奥氏体双相比例。焊层4对称，有助于减小变形。层间温度测量用远红外测温仪焊接，工艺参数见表1。
5、焊后进行固溶处理，升温速率为180℃/h，固溶温度为1000℃，保温时间为30min；冷却采用先慢速冷却后慢速冷却的方式，从固溶温度到800℃在热处理炉中缓慢冷却，800℃以后在水中快速冷却。
对口点固焊的焊材和焊接工艺与正式焊接时相同。
采用本焊接工艺，所得接头抗拉强度达800MPa，奥氏体含量51％，铁素体含量49％，接头中无有害相析出。经检验，接头中无气孔、无夹杂、无裂纹等缺陷。满足接头力学性能和耐蚀性要求。
表1焊接工艺参数
| 焊层 | 焊丝直径(mm) | 电流(A) | 电压(V) | 焊接速度(mm/min) | 层间温度(℃) |
| 1 | φ2.0 | 105～110 | 10-12 | 90-100 | 50(预热) |
| 2 | φ2.4 | 110～120 | 10-12 | 90-100 | 60 |
| 3 | φ2.4 | 110～120 | 10-12 | 90-100 | 60 |
| 4 | φ2.4 | 120～140 | 12～14 | 130～150 | 70 |
| 5 | φ2.4 | 120～140 | 12～14 | 130～150 | 70 |
| 6 | φ2.5 | 130～150 | 13～16 | 130～150 | 70 |
| 7 | φ2.5 | 130～150 | 13～16 | 130～150 | 70 |
实施例2
母材3采用型号为S31803的双向不锈钢，焊接板材厚度为20mm。焊丝型号为E2209。
1、使用前先将焊丝表面的油、垢等赃物除去，并烘干。
2、将待焊接部位加工成双U型坡口1，坡口加工时以机械方法加工，坡口角度为15°，并将坡口内外两侧15mm范围以内的锈、油、垢等污物清理干净，露出金属光泽，坡口毛刺需打磨干净，无裂纹。
3、对口装配并焊接，钝边高度2为3mm，错边量小于1mm，焊缝背面采用99.99％高纯氮气进行保护，正面采用高纯氩气进行保护，氮气流量为20L/min，氩气流量为14L/min。
4、焊接工艺采用多层多道焊，焊丝直径为2～4mm，焊接电流120～190A，焊接电压12～24V，焊接速度90～130mm/min，层间温度控制在60～100℃，并在每层焊缝焊接完毕后，将焊缝表层进行打磨，每层焊缝表层打磨深度为0.3mm。焊接层数为11层，焊层4焊接顺序按照1～11的顺序逐层焊接，焊接时焊条不作横向摆动，焊接方向一致，保证焊缝金属具有合理的铁素体—奥氏体双相比例。焊层4对称，有助于减小变形。层间温度测量用远红外测温仪焊接，工艺参数见表2。
5、焊后进行固溶处理固溶处理升温速率为220℃/h，固溶温度为1050℃，保温时间为45min；冷却采用先慢速冷却后慢速冷却的方式，从固溶温度到800℃在热处理炉中缓慢冷却，800℃以后在水中快速冷却。
对口点固焊的焊材和焊接工艺与正式焊接时相同。
采用本焊接工艺，所得接头抗拉强度达800MPa，奥氏体含量50％，铁素体含量50％，接头中无有害相析出。经检验，接头中无气孔、无夹杂、无裂纹等缺陷。满足接头力学性能和耐蚀性要求。
表2焊接工艺参数
| 焊层 | 焊丝直径(mm) | 电流(A) | 电压(V) | 焊接速度(mm/min) | 层间温度(℃) |
| 1 | φ2.0 | 105～110 | 10-12 | 90-100 | 50(预热) |
| 2 | φ2.4 | 110～120 | 10-12 | 90-100 | 60 |
| 3 | φ2.4 | 110～120 | 10-12 | 90-100 | 60 |
| 4 | φ2.4 | 120～140 | 12～14 | 130～150 | 70 |
| 5 | φ2.4 | 120～140 | 12～14 | 130～150 | 70 |
| 6 | φ2.5 | 130～150 | 13～16 | 130～150 | 70 |
| 7 | φ2.5 | 130～150 | 13～16 | 130～150 | 70 |
| 8 | φ2.5 | 130～150 | 16～18 | 130～150 | 80 |
| 焊层 | 焊丝直径(mm) | 电流(A) | 电压(V) | 焊接速度(mm/min) | 层间温度(℃) |
| 9 | φ2.5 | 130～150 | 16～18 | 130～150 | 80 |
| 10 | φ3.2 | 130～160 | 20～24 | 130～150 | 90 |
| 11 | φ3.2 | 130～160 | 20～24 | 130～150 | 90 |
实施例3
母材3采用型号为S31803的双向不锈钢，焊接板材厚度为30mm。焊丝型号为E2209。
1、使用前先将焊丝表面的油、垢等赃物除去，并烘干。
2、将待焊接部位加工成双U型坡口1，坡口加工时以机械方法加工，坡口角度为20°，并将坡口内外两侧20mm范围以内的锈、油、垢等污物清理干净，露出金属光泽，坡口毛刺需打磨干净，无裂纹。
3、对口装配并焊接，钝边高度2为4mm，错边量小于1mm，焊缝背面采用99.99％高纯氮气进行保护，正面采用高纯氩气进行保护，氮气流量为22L/min，氩气流量为15L/min。
4、焊接工艺采用多层多道焊，焊丝直径为2～4mm，焊接电流120～190A，焊接电压12～24V，焊接速度90～130mm/min，层间温度控制在60～100℃，并在每层焊缝焊接完毕后，将焊缝表层进行打磨，每层焊缝表层打磨深度为0.5mm。焊接层数为13层，焊层4焊接顺序按照1～13的顺序逐层焊接，焊接时焊条不作横向摆动，焊接方向一致，保证焊缝金属具有合理的铁素体—奥氏体双相比例。焊层4对称，有助于减小变形。层间温度测量用远红外测温仪焊接。具体工艺参数见表3。
5、焊后进行固溶处理固溶处理升温速率为260℃/h，固溶温度为1100℃，保温时间为60min；冷却采用先慢速冷却后慢速冷却的方式，从固溶温度到800℃在热处理炉中缓慢冷却，800℃以后在水中快速冷却。
对口点固焊的焊材和焊接工艺与正式焊接时相同。
表3焊接工艺参数
| 焊层 | 焊丝直径(mm) | 电流(A) | 电压(V) | 焊接速度(mm/min) | 层间温度(℃) |
| 1 | φ2.0 | 105～110 | 10-12 | 90-100 | 50(预热) |
| 2 | φ2.4 | 110～120 | 10-12 | 90-100 | 60 |
| 3 | φ2.4 | 110～120 | 10-12 | 90-100 | 60 |
| 焊层 | 焊丝直径(mm) | 电流(A) | 电压(V) | 焊接速度(mm/min) | 层间温度(℃) |
| 4 | φ2.4 | 120～140 | 12～14 | 130～150 | 70 |
| 5 | φ2.4 | 120～140 | 12～14 | 130～150 | 70 |
| 6 | φ2.5 | 130～150 | 13～16 | 130～150 | 70 |
| 7 | φ2.5 | 130～150 | 13～16 | 130～150 | 70 |
| 8 | φ2.5 | 130～150 | 16～18 | 130～150 | 80 |
| 9 | φ2.5 | 130～150 | 16～18 | 130～150 | 80 |
| 10 | φ3.2 | 130～160 | 20～24 | 130～150 | 90 |
| 11 | φ3.2 | 130～160 | 20～24 | 130～150 | 90 |
| 12 | φ3.2 | 130～190 | 20～24 | 140～190 | 100 |
| 13 | φ3.2 | 130～190 | 20～24 | 140～190 | 100 |
采用本焊接工艺，所得接头抗拉强度达800MPa，奥氏体含量49％，铁素体含量51％，接头中无有害相析出。经检验，接头中无气孔、无夹杂、无裂纹等缺陷。满足接头力学性能和耐蚀性要求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，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、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.中厚板双相不锈钢焊接工艺，其特征在于：采用如下工艺步骤：
1.1将待焊接部位加工成双U型坡口(1)，并将坡口内外两侧清理打磨干净；
1.2对口装配并焊接，焊缝背面采用99.99％高纯氮气进行保护，正面采用高纯氩气进行保护；
1.3多层多道焊接，焊丝直径为2～4mm，焊接电流120～190A，焊接电压12～24V，焊接速度90～130mm/min，层间温度控制在60～100℃，并在每层焊缝焊接完毕后，将焊缝表层进行打磨；
1.4焊接完毕后进行固溶处理，固溶温度为1000～1100℃，保温时间为30～60min，冷却采用先慢速冷却后慢速冷却的方式，从固溶温度到800℃缓慢冷却，800℃以后快速冷却。
2.根据权利要求1步骤1.1所述的中厚板双相不锈钢焊接工艺，其特征在于：双U型坡口(1)为正、背面对称U型坡口。
3.根据权利要求1步骤1.1所述的中厚板双相不锈钢焊接工艺，其特征在于：双U型坡口(1)的坡口角度为10～20°，钝边高度(2)为2～4mm。
4.根据权利要求1步骤1.1所述的中厚板双相不锈钢焊接工艺，其特征在于：对坡口内外两侧10～20mm范围以内进行清理打磨，露出金属光泽。
5.根据权利要求1步骤1.2所述的中厚板双相不锈钢焊接工艺，其特征在于：氮气流量为16～22L/min，氩气流量为12～15L/min。
6.根据权利要求1步骤1.3所述的中厚板双相不锈钢焊接工艺，其特征在于：每层焊缝表层打磨深度为0.1～0.5mm。
7.根据权利要求1步骤1.3所述的中厚板双相不锈钢焊接工艺，其特征在于：多层多道焊接时，焊条不作横向摆动，焊接方向一致。
8.根据权利要求1步骤1.4所述的中厚板双相不锈钢焊接工艺，其特征在于：固溶处理升温速率为180～260℃/h。
9.根据权利要求1步骤1.4所述的中厚板双相不锈钢焊接工艺，其特征在于：从固溶温度到800℃采用在热处理炉中缓慢冷却，800℃以后在水中快速冷却。
10.根据权利要求1所述的中厚板双相不锈钢焊接工艺，其特征在于：焊接板材厚度为10～30mm。
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