CN102581448A

CN102581448A - 一种提高不锈钢管内壁焊接接头抗应力腐蚀性能的焊接工艺方法

Info

Publication number: CN102581448A
Application number: CN2012100223871A
Authority: CN
Inventors: 徐连勇; 赵森; 荆洪阳; 韩永典
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-02-01
Filing date: 2012-02-01
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明公开了一种提高不锈钢管内壁焊接接头抗应力腐蚀性能的焊接工艺方法，在焊接不锈钢管时，前半段采用通常的不锈钢焊丝，而后半段使用低相变点实芯焊丝代替原有不锈钢焊丝，利用低相变点实芯焊丝的低温相变膨胀作用，使得不锈钢管内壁焊根部位产生压缩应力。本发明的技术方案既可使得钢管与腐蚀介质相接触的内壁焊缝具有与常规焊接方法相同的合金成分，又可在钢管内壁的焊部根位形成压缩应力，从而提高其抗应力腐蚀开裂的能力。

Description

一种提高不锈钢管内壁焊接接头抗应力腐蚀性能的焊接工艺方法

技术领域

本发明属于焊接工艺技术，更具体地说，涉及一种能够提高焊接接头抗应力腐蚀性能的焊接工艺方法。

背景技术

304L是一种通用性的不锈钢，它广泛地用于制作要求良好综合性能(耐腐蚀和成型性)的设备和机件，例如流体管道、锅炉过热器、热交换器、冷凝器、催化管等。在众多的工业用途中，不锈钢都能提供今人满意的耐蚀性能。根据使用的经验来看，除机械失效外，不锈钢的腐蚀主要表现在局部腐蚀(亦即应力腐蚀开裂、点腐蚀、晶间腐蚀、腐蚀疲劳以及缝隙腐蚀)。这些局部腐蚀所导致的失效事例几乎占失效事例的一半以上。

应力腐蚀开裂是指承受应力的合金在腐蚀性环境中由于裂纹的扩展而互生失效的一种通用术语。应力腐蚀开裂具有脆性断口形貌，但它也可能发生于韧性高的材料中。发生应力腐蚀开裂的必要条件是要有拉应力(不论是残余应力还是外加应力，或者两者兼而有之)和特定的腐蚀介质存在。裂纹的形成和扩展大致与拉应力方向垂直。这个导致应力腐蚀开裂的应力值，要比没有腐蚀介质存在时材料断裂所需要的应力值小得多。在微观上，穿过晶粒的裂纹称为穿晶裂纹，而沿晶界扩展的裂纹称为沿晶裂纹，当应力腐蚀开裂扩展至其一深度时(此处，承受载荷的材料断面上的应力达到它在空气中的断裂应力)，则材料就按正常的裂纹(在韧性材料中，通常是通过显微缺陷的聚合)而断开。

304L不锈钢管主要采用焊接技术进行连接，不锈钢在焊接过程中承受热循环，在450-800℃温区内停留时沿晶界会析出(Fe，Cr)₂₃C₆碳化物，导致晶界附近Cr含量降低(小于12％)，该区域称为敏化区。在敏化区内，由于晶界上析出了Cr₂₃C₆碳化物，导致在晶界附近形成贫Cr区，对晶间腐蚀非常敏感，易发生应力腐蚀开裂。由于焊接过程的热收缩作用，在钢管内表面的焊缝焊根处通常存在较高值的残余拉伸应力，使得焊接接头更容易发生应力腐蚀开裂，对于大壁厚不锈钢管道，通常采用的方法是局部热处理，但是这种方法只能将残余拉伸应力降低，并不能完全避免应力腐蚀开裂，并且增加了额外的工作量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型的焊接工艺方法，通过调整不锈钢管内壁环焊缝焊根部位的应力状态，减小拉伸残余应力，甚至变为压缩残余应力，从而改善焊根部位的抗应力腐蚀性能。

为了解决上述技术问题，实现本发明的目的，本发明通过以下的技术方案予以实现：

在焊接不锈钢管时，前半段采用通常的不锈钢焊丝，而后半段使用低相变点实芯焊丝代替原有不锈钢焊丝，利用低相变点实芯焊丝的低温相变膨胀作用，使得不锈钢管内壁焊根部位产生压缩应力，其原理示意如附图1所示。

具体来说：不锈钢管的打底焊和前半段填充焊使用常规的不锈钢焊丝，其焊接的焊缝占整个焊缝厚度的1/3～2/3，其焊丝选用不锈钢管焊接使用的常规实芯焊丝，例如308L实芯焊丝，其合金成分重量百分比(％)为C＝0.001、S＝0.020、Si＝0.40、Mn＝1.7、P＝0.025、Ni＝9.9、Cr＝20.5、Mo＝0.047，其余为铁；在后半段填充焊和盖面焊中使用低相变点实芯焊丝，其焊接的焊缝占整个焊缝厚度的2/3～1/3，其焊丝选用低相变点实芯焊丝，其所述焊丝组分及重量百分比(％)为：C＝0.02～0.06，Mn＝0.8～2.5，Cr＝9～14，Ni＝4.0～10.0，Mo＝0.1～1.0，Si＝0.1～0.7，Ti＝0.1～0.6，N_b＝0.1～0.6，其余为铁；更加优选为C＝0.02～0.06、Mn＝1.0～1.5、Cr＝11～13、Ni＝7.0～9.0、Mo＝0.2～0.5、Si＝0.2～0.5、Ti＝0.15～0.3、N_b＝0.15～0.3其余为铁。

所述的不锈钢管的焊接工艺方法中焊接坡口角度为10-15°，错口值小于1mm。

所述的不锈钢管的焊接工艺方法，焊接时采用直流正接，焊接电流为80～100A，选用焊嘴直径为12mm，钨棒直径为2.5mm，焊枪氩气流量为9～10L/min。

所述的不锈钢管的焊接工艺方法层间温度150℃～200℃。

本发明的技术进步效果表现在，使用常规实芯焊丝进行打底焊和前半段的焊接，使得钢管与腐蚀介质相接触的内壁焊缝具有与常规焊接方法相同的合金成分，可以有效的防止点蚀、晶间腐蚀等腐蚀破坏；与通常所使用的焊接工艺方法相比，焊缝的后半段采用低相变点实芯焊丝，利用其低温相变膨胀作用，可以取代常规焊接工艺在焊根部位形成的拉伸残余应力，在钢管内壁的焊部根位形成压缩应力，从而提高其抗应力腐蚀开裂的能力。

附图说明

图1是低相变点实芯焊丝在焊根部位产生压缩应力的示意图

图2是焊接坡口的形状示意图

具体实施方式

下面结合本发明的304L不锈钢管的焊接工艺方法的具体焊接实例和附图，详细说明本发明的具体实施方式。

1、机具和焊接材料

(1)焊接设备应选用特性良好的逆变式焊机

(2)焊丝使用前应保证其表面无油、垢等赃物。

2、焊前准备

(1)坡口制备

①坡口形状及尺寸见图2，其中H为16mm，h为1mm，L为3mm，α为15°。

②坡口制备以机械加工的方式。

③坡口及内外壁两侧10-15mm范围内锈、油、垢等污物清理干净，露出金属光泽。

(2)对口装配

①焊口错口值小于1mm，对口间隙及钝边尺寸如图2所示。

②对口点固焊的焊材和焊接工艺与正式焊接时相同。

3、焊接工艺

(1)采用钨极氩弧焊的方法，308L实芯焊丝打底和前半段填充焊接，低相变点实芯焊丝后半段填充和盖面焊接参数见表1

表1焊接工艺参数

焊丝

直径

极性

电流

电压

焊接速度

	(mm)		(A)	(V)	(mm/min)
						308L	1.6mm	直流正接	90	12	45-50
低相变点	1.6mm	直流正接	95	12	40-45

其中低相变点实芯焊丝的组分及重量百分比(％)见下表2所示，分别进行下述的焊接工艺进行不锈钢焊接，再进行残余应力测试计算平均值

表2低相变点实芯焊丝的组分及重量百分比(％)

编号	C	Cr	Ni	Si	Mn	Mo	Ti	N_b
									1	0.035	9.6	4.5	0.213	1.18	0.235	0.197	0.215
2	0.036	11.5	7.6	0.234	1.22	0.246	0.203	0.223
									3	0.037	12.1	8.51	0.245	1.32	0.251	0.185	0.220
4	0.033	12.7	8.62	0.255	1.21	0.248	0.189	0.219
									5	0.029	13.5	9.7	0.265	1.34	0.224	0.183	0.224
6	0.02	11	10	0.1	1.5	0.2	0.15	0.15
									7	0.06	14	9	0.5	0.8	1.0	0.6	0.6
8	0.04	9	7	0.2	1.0	0.5	0.3	0.3
									9	0.05	13	4	0.7	2.5	0.1	0.1	0.1
10	0.03	10	6	0.4	2.0	0.8	0.4	0.4

(2)选用焊嘴直径为钨棒直径为

焊枪氩气流量为9～10L/min。

(3)层间温度150℃～200℃，温度测量用远红外测温仪。

4、焊接工艺实施例

焊接工艺的实施例采用外壁直径为210mm，壁厚为16mm，长度为250mm的304L不锈钢管，其具体实施例的焊接工艺方法见表3。

表3焊接工艺方法的实施例

5、残余应力的测试

焊后304L不锈钢管内壁焊缝焊跟处的残余应力采用X射线衍射法进行测量，所使用的仪器为加拿大生产的Proto-iXRD便携式应力测试仪，选取焊根中心部位的任意一点对轴向应力σ_x和周向应力σ_θ进行测试，其测试结果见表4，其测量误差为±20MPa。

表4残余应力测量结果

由表4中的测试结果表明，本发明的304L不锈钢管的焊接工艺方法确实在钢管内壁的焊根部位形成压缩应力，取代了常规焊接工艺在焊根部位形成的拉伸应力。应当说明的是，由于低相变点实芯焊丝所含的抗腐蚀合金元素含量(特别是Cr)明显低于308L实芯焊丝，若使用低相变点实芯焊丝焊接整个焊缝，虽然可以提高焊缝的抗应力腐蚀开裂能力，但抵抗其他腐蚀破坏形式(例如点蚀、晶间腐蚀)的能力会降低。因此综合考虑，本发明采用的方法是焊缝厚度前段采用308L实芯焊丝，后段采用低相变点实芯焊丝。

综上所述，本发明的304L不锈钢管的焊接工艺方法，可以在钢管内壁的焊根部位形成压缩应力，其优点是可以提高304L不锈钢管内壁焊接接头的抗应力腐蚀开裂能力，从而延长304L不锈钢管的使用寿命。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种提高不锈钢管内壁焊接接头抗应力腐蚀性能的焊接工艺方法，其特征在于，在焊接不锈钢管时，前半段采用通常的不锈钢焊丝，而后半段使用低相变点实芯焊丝代替原有不锈钢焊丝，利用低相变点实芯焊丝的低温相变膨胀作用，使得不锈钢管内壁焊根部位产生压缩应力。

2.根据权利要求1所述的一种提高不锈钢管内壁焊接接头抗应力腐蚀性能的焊接工艺方法，其特征在于，在焊接不锈钢管时，前半段为不锈钢管的打底焊和前半段填充焊，其焊丝选用不锈钢管焊接使用的常规实芯焊丝，焊接的焊缝占整个焊缝厚度的1/3～2/3；后半段为后半段填充焊和盖面焊，焊接的焊缝占整个焊缝厚度的2/3～1/3，其焊丝选用低相变点实芯焊丝，所述焊丝组分及重量百分比(％)：C为0.02～0.06，Mn为0.8～2.5，Cr为9～14，Ni为4.0～10.0，Mo为0.1～1.0，Si为0.1～0.7，Ti为0.1～0.6，N_b为0.1～0.6，其余为铁。

3.根据权利要求1所述的一种提高不锈钢管内壁焊接接头抗应力腐蚀性能的焊接工艺方法，其特征在于，所述焊接后半段的焊丝选用低相变点实芯焊丝，所述焊丝组分及重量百分比(％)：C为0.02～0.06，Mn为1.0～1.5，Cr为11～13，Ni为7.0～9.0，Mo为0.2～0.5，Si为0.2～0.5，Ti为0.15～0.3，N_b为0.15～0.3，其余为铁。

4.根据权利要求1所述的一种提高不锈钢管内壁焊接接头抗应力腐蚀性能的焊接工艺方法，其特征在于，所述焊接前半段的焊丝选用308L实芯焊丝，其合金成分重量百分比(％)：C为0.001，S为0.020，Si为0.40，Mn为1.7，P为0.025，Ni为9.9，Cr为20.5，Mo为0.047，其余为铁。

5.根据权利要求1所述的一种提高不锈钢管内壁焊接接头抗应力腐蚀性能的焊接工艺方法，其特征在于，所述的不锈钢管的焊接工艺方法中，焊接坡口角度为10-15°，错口值小于1mm。

6.根据权利要求1所述的一种提高不锈钢管内壁焊接接头抗应力腐蚀性能的焊接工艺方法，其特征在于，所述的不锈钢管的焊接工艺方法中，焊接时采用直流正接，焊接电流为80～100A，焊枪氩气流量为9～10L/min。

7.根据权利要求1所述的一种提高不锈钢管内壁焊接接头抗应力腐蚀性能的焊接工艺方法，其特征在于，所述的不锈钢管的焊接工艺方法中，层间温度为150℃～200℃。