CN107498143A - P355NH和18MnD5异种钢的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于异种钢焊接技术领域，具体涉及P355NH和18MnD5异种钢的焊接方法。为了解决对P355NH和18MnD5进行焊接时，在两者的焊接接头区域存在着易于出现焊接裂纹和脆性断裂的问题，本发明公开了一种P355NH和18MnD5异种钢的焊接方法。该方法包括：步骤S1，对待焊接的P355NH和18MnD5异种钢母材进行坡口加工和焊接组对；步骤S2，对待焊接的P355NH和18MnD5异种钢母材进行焊前预热处理；步骤S3，对P355NH和18MnD5异种钢母材进行多层焊接操作，多层焊接操作依次包括：打底层焊接、填充层焊接和盖面层焊接；步骤S4，对焊接后得到的P355NH和18MnD5异种钢焊接接头进行焊后热处理。在本发明中，通过对焊接操作过程中参数的选取和控制，从而实现对P355NH和18MnD5异种钢的焊接，并且获得焊接性能优良的焊接接头。

Description

P355NH和18MnD5异种钢的焊接方法
技术领域
本发明属于异种钢焊接技术领域，具体涉及P355NH和18MnD5异种钢的焊接方法。
背景技术
P355NH属于最小屈服强度为355Mp的细晶粒钢，该钢材的含碳量较低，淬硬倾向不大，焊接过程中的热裂倾向较小，具有较高的抗热裂性能和较好的焊接性能。在EPR堆型核电工程中主要用于制作主蒸汽系统和主给水系统中各种管道设备。18MnD5属于调制钢，该钢材的含碳量较低，含锰量较高，而且对P、S的含量控制也较严格，因此其热裂纹倾向也较小。在EPR堆型核电工程中主要用于制作核电工程中蒸发器上的管嘴、稳压器、压力容器筒体、封头以及支撑构件等设备。
然而，在对P355NH和18MnD5进行组对焊接时，由于18MnD5的热影响区组织性能很不均匀，因此在焊接区域存在着脆化和软化的现象，而且即便18MnD5的母材本身具有较高的韧性，但是在与P355NH进行焊接时，微裂纹还是会在热影响区的脆化部位产生和发展。因此，对P355NH和18MnD5进行焊接时，在两者的焊接接头区域存在着易于出现焊接裂纹和脆性断裂的问题。
发明内容
为了解决对P355NH和18MnD5进行焊接时，在两者的焊接接头区域存在着易于出现焊接裂纹和脆性断裂的问题，本发明提出了一种P355NH和18MnD5异种钢的焊接方法。该焊接方法包括以下步骤：
步骤S1，对待焊接的P355NH和18MnD5异种钢母材进行坡口加工和焊接组对；
步骤S2，对待焊接的P355NH和18MnD5异种钢母材进行焊前预热处理；
步骤S3，对P355NH和18MnD5异种钢母材进行多层焊接操作，多层焊接操作依次包括：打底层焊接、填充层焊接和盖面层焊接；
其中，打底层焊接的焊接参数包括：焊接电流值为93～160A；填充层焊接的焊接参数包括：焊接电流值为110～140A；盖面层焊接的焊接参数包括：焊接电流值为110～140A；
步骤S4，对焊接后得到的P355NH和18MnD5异种钢焊接接头进行焊后热处理。
优选的，在所述步骤S2中，焊前预热处理的温度≥125℃。
优选的，在所述步骤S3中，进行打底层焊接、填充层焊接以及盖面层焊接时，层间温度≤250℃。
优选的，在所述步骤S4中，首选对焊接接头进行自由升温，温度达到350℃，接着以≤220℃/h的升温速度，加热至595～625℃，然后在595～625℃下进行2小时的保温，再以≤220℃/h的降温速度，冷却至350℃，最后将焊接接头自由冷却到室温。
优选的，在所述步骤S1中，对待焊接的P355NH和18MnD5异种钢母材进行U型坡口加工，坡口角度为20±2.5°。
优选的，在所述步骤S3中，进行打底层焊接、填充层焊接以及盖面层焊接时采用多道焊接操作。
优选的，在所述步骤S3中进行打底层焊接时，选用焊丝的直径尺寸为φ1.6mm，选用焊丝的型号为ER70S-G。
优选的，在所述步骤S3中进行填充层焊接和盖面层焊接时，选用焊条的直径尺寸为φ3.2mm，选用焊条的型号为E7018。
优选的，在所述步骤S3中，采用手工钨极氩弧焊进行打底层焊接，采用手工电弧焊进行填充层焊接和盖面层焊接。
进一步优选的，打底层焊接在氩气保护下进行，并且氩气流量为5～15L/min。
采用本发明P355NH和18MnD5异种钢的焊接方法，对P355NH和18MnD5异种钢进行焊接时，具有以下有益效果：
1、在本发明中，通过对焊接过程中焊接参数的选取和控制，即通过对焊接电流值的选取以及对焊接电压和焊接速度的匹配，从而获得了适合于P355NH和18MnD5异种钢焊接的焊接线热量。这样，不仅可以控制焊接过程中焊缝的冷却速度，减缓组织应力和焊缝中氢的逸出，从而减少焊缝的裂纹倾向，而且避免了焊接线能量过大时，由于热影响区增宽，使1100℃以上停留时间过长，而造成18MnD5侧焊缝晶粒粗大，引起焊接接头塑性和韧性下降的问题，以及焊接线能量过小时，由于焊缝冷却速度过快，使过热区产生粗大的马氏体组织，而导致该区的塑性和韧性下降，造成焊缝在扩散氢和焊接应力作用下产生冷裂纹的问题，从而最终获得焊接性能优良的焊接接头。
2、在本发明中，通过设置焊前预热，并且对焊前预热温度和焊接过程中层间温度进行控制，即将预热温度控制在125℃以上，将层间温度控制在250℃以内，实现了对P355NH和18MnD5异种钢焊接过程中焊缝和热影响区温度变化的精准控制。这样，不仅避免了预热温度和层间温度过低时，无法解决P355NH和18MnD5钢的淬硬倾向的问题，而且避免了预热温度和层间温度过高时，引起焊缝和热影响区晶粒粗大，而使焊接接头的塑形和韧性降低的问题，从而实现了对焊接接头淬硬倾向的降低，进一步有效的预防了冷裂纹的产生。
3、在本发明中，通过对焊接获得的焊接接头进行焊后热处理，以及对焊后热处理中的温度变化速度、保温温度以及保温时间的控制，使18MnD5侧热影响区获得了足够的回火处理，同时避免了对P355NH侧热影响区的过回火处理，并且使整个焊缝区域获得了有效的热处理。这样，实现了对焊接接头中焊接应力的消除，大大改善了焊接接头的塑性和韧性，进一步提升了对P355NH和18MnD5异种钢的焊接效果。
附图说明
图1为本发明P355NH和18MnD5异种钢的焊接方法流程示意图；
图2为本发明中P355NH和18MnD5异种钢母材的坡口结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步介绍。
结合图1所示，采用本发明P355NH和18MnD5异种钢的焊接方法，对P355NH和18MnD5异种钢进行焊接时的具体操作步骤包括：
步骤S1，对待焊接的P355NH和18MnD5异种钢母材进行坡口加工和焊接组对。结合图2所示，在本发明中，对待焊接的P355NH和18MnD5异种钢母材进行U型坡口加工，并且坡口角度为20±2.5°。同时，将待焊接的P355NH和18MnD5异种钢母材之间的组对间隙控制在1～4mm之间。
步骤S2，对待焊接的P355NH和18MnD5异种钢母材进行焊前预热处理。焊接前，同时对P355NH和18MnD5异种钢母材进行焊前预热处理，其中预热温度≥125℃。如果不能及时进行焊接操作，则达到预热温度后直接进行保温操作，直至焊接操作开始。
步骤S3，对P355NH和18MnD5异种钢母材进行多层焊接操作，多层焊接操作依次包括：打底层焊接、填充层焊接和盖面层焊接。其中，将层间温度控制在250℃以内，从而防止温度过高造成18MnD5侧焊缝晶粒粗大，对焊接接头的塑性和韧性产生不利影响。
打底层焊接的焊接参数包括：焊接电流值为93～160A，焊接电压值为10.6～11.9V，焊接速度值为0.6～1.11mm/s；填充层焊接的焊接参数包括：焊接电流值为110～140A，焊接电压值为22.9～24.6V，焊接速度值为0.56～2.1mm/s；盖面层焊接的焊接参数包括：焊接电流值为110～140A，焊接电压值为23.1～23.7V，焊接速度值为0.83～1.88mm/s。
此外，在打底层焊接时，选用直径为φ1.6mm的ER70S-G焊丝进行手工钨极氩弧焊，其中氩气流量为5～15L/min。在填充层焊接和盖面层焊接时，选用直径为φ3.2mm的E7018焊条进行手工电弧焊。与此同时，在进行打底层焊接时，要保证送丝速度的均匀性，避免在焊缝根部产生未融合现象，并且铁水过渡采用自由过渡，收弧时填满弧坑，避免产生弧坑裂纹。
另外，在进行打底层焊接、填充层焊接和盖面层焊接时，可以选用多道焊接的方式。通过采用多道焊接时对焊缝热输入量的降低，实现对热输入量的精准控制，从而抑制焊缝温度过热，避免晶粒粗大，提高焊缝的机械性能。
步骤S4，对焊接后得到的P355NH和18MnD5异种钢焊接接头进行焊后热处理。
首选，对获得的焊接接头进行自由升温，使焊接接头的温度达到350℃。接着，以≤220℃/h的升温速度进行加热处理，将焊接接头的温度加热至595～625℃。然后，在595～625℃下对焊接接头进行2小时的保温操作。再以≤220℃/h的降温速度进行冷却处理，将焊接接头的温度冷却至350℃。最后，对焊接接头进行自由冷却直至达到室温。
在本发明中，通过对焊后热处理中保温温度、保温时间以及温度变化速度的控制，使接头中18MnD5侧热影响区获得足够回火处理的同时，又不会造成对接头中P355NH侧热影响区的过回火，并且又能够使焊缝得到有效的热处理，从而消除焊接接头中的焊接应力，改善焊接接头的塑性和韧性。
接下来，通过实施例和对比例对本发明提供的P355NH和18MnD5异种钢焊接方法进行效果对比分析。
实施例1，取一段P355NH钢和一段18MnD5钢母材。首先，将两段待焊接的P355NH和18MnD5异种钢母材的焊接部位加工为20°的U型坡口，并且对坡口表面及其周围区域进行清洁处理，避免杂质和污染物的存在。对完成坡口加工的P355NH和18MnD5异种钢母材进行组对，将组对间隙控制在1～4mm之间。接着，通过电加热的方式，对完成坡口加工的P355NH和18MnD5异种钢母材进行焊前预热处理，并借助远红外测温仪将预热温度控制在140℃。然后，根据表1中的焊接参数，对P355NH和18MnD5异种钢母材依次进行打底层焊接、填充层焊接以及盖面层焊接，并且将层间温度控制为200℃。其中，打底层焊接选用直径φ1.6mm的ER70S-G焊丝进行手工钨极氩弧焊，焊接电流值为100A，焊接电压值为10.7V，焊接速度为0.71mm/s，在焊接正面进行氩气保护，氩气流量为10L/min；填充层焊接选用直径φ3.2mm的E7018焊丝进行手工电弧焊，焊接电流值为115A，焊接电压值为24.6V，焊接速度为0.88mm/s；盖面层焊接选用直径φ3.2mm的E7018焊丝进行手工电弧焊，焊接电流值为140A，焊接电压值为23.5V，焊接速度为1.04mm/s。最后，对焊接后获得的P355NH和18MnD5异种钢焊接接头进行焊后热处理。其中，焊后热处理中，第一阶段，将焊接接头自由升温至350℃；第二阶段，以120℃/h的升温速度，将焊接接头加热至600℃，并且在600℃下保温2小时；第三阶段，以120℃/h的降温速度，将焊接接头冷却至350℃；第四阶段，将焊接接头自由冷却到室温，获得焊接产品X1。
表1
实施例2，采用与实施例1相同的焊接方法对P355NH和18MnD5异种钢母材进行焊接操作，其区别在于：实施例2采用表2中的焊接参数对P355NH和18MnD5异种钢母材进行焊接操作；同时，焊后热处理中，第一阶段，将焊接接头自由升温至350℃；第二阶段，以200℃/h的升温速度，将焊接接头加热至620℃，并且在620℃下保温2小时；第三阶段，以200℃/h的降温速度，将焊接接头冷却至350℃；第四阶段，将焊接接头自由冷却到室温，获得焊接产品X2。
表2
对比例1，采用与实施例1相同的焊接方法对P355NH和18MnD5异种钢母材进行焊接操作，其区别在于：对比例1采用表3中的焊接参数对P355NH和18MnD5异种钢母材进行焊接，获得焊接产品D1。
表3
对比例2，采用与实施例2相同的焊接方法对P355NH和18MnD5异种钢母材进行焊接操作，其区别在于：对比例2采用表4中的焊接参数对P355NH和18MnD5异种钢母材进行焊接，获得焊接产品D2。
表4
对比例3，采用与实施例2相同的焊接方法对P355NH和18MnD5异种钢母材进行焊接操作，其区别在于：在对比例3的焊后热处理中，第一阶段，将焊接接头自由升温至350℃；第二阶段，以200℃/h的升温速度，将焊接接头加热至700℃，并且在700℃下保温2小时；第三阶段，以200℃/h的降温速度，将焊接接头冷却至350℃；第四阶段，将焊接接头自由冷却到室温，获得焊接产品D3。
对实施例和对比例中获得焊接产品进行性能测试，测试项包括抗拉强度、冲击吸收功、维氏硬度以及弯曲裂纹。其中，冲击吸收功测试在0℃进行，并且选取不同位置进行三次测试，测试结果如表5所示。
表5
结合表5，通过实施例1和对比例1的对比可知，由于对比例1中采用的焊接电流低于本发明中焊接电流值的设定范围，即对比例1中选用的焊接电流值低于实施例1中选用焊接电流值。这样，在对比例1的焊接过程中产生的焊接线能量与实施例1的焊接过程中产生的焊接线热量相比较大大降低，从而导致对比例1中的焊缝冷却速度过快，使过热区产生粗大的马氏体组织，进而导致该区的塑性和韧性下降，即与焊接产品D1相比较，焊接产品X1的抗拉强度和冲击吸收功下降。同时伴随着过热区塑性和韧性的下降，对比例1中的焊缝在扩散氢和焊接应力作用下产生冷裂纹，即与焊接产品D1相比较，焊接产品X1在侧弯过程中出现裂纹。
通过实施例2和对比例2的对比可知，由于对比例2中采用的焊接电流高于本发明中焊接电流值的设定范围，即对比例2中选用的焊接电流值高于实施例2中选用焊接电流值。这样，在对比例2的焊接过程中产生的焊接线能量与实施例2的焊接过程中产生的焊接线热量相比较大大增加，从而引起焊缝和热影响区晶粒的粗大，使焊接接头的塑形和韧性降低，即与焊接产品D2相比较，焊接产品X2的抗拉强度和冲击吸收功交底，而且在侧弯过程中出现裂纹。
通过实施例2与对比例3的对比可知，由于对比例3中焊后热处理的保温温度超出本发明对焊后热处理参数中保温温度的设定范围，即对比例3中保温温度达到700℃远高于620℃的要求。这样，在焊后热处理过程中，虽然可以使18MnD5侧热影响区获得足够的回火处理，但是却在P355NH侧热影响区出现了过回火处理，使热处理后的焊接接头的塑性和韧性性能急剧下降，即与焊接产品D2相比较，焊接产品X3的抗拉强度和冲击吸收功大幅度下降，而且在侧弯过程中出现裂纹。
此外，与实施例1和实施例2相比较，对比例1、对比例2和对比例3中焊接接头的维氏硬度都比较大，尤其是焊缝位置的硬度。由此表明，通过对比例1、对比例2和对比例3获得的焊缝仍然具有较强的硬度，但由于缺乏塑性和韧性，因此，在对比例1、对比例2和对比例3获得的焊接接头具有更强的脆性，更加易于发生断裂和裂纹的问题。
综上所述，通过实施例1和实施例2与对比例1、对比例2和对比例3的比对可知，采用本发明获得的焊接接头在抗拉伸性能、抗冲击性能和抗弯曲性能均获得了显著的改善和提高，有效的解决了采用常规方法对P355NH和18MnD5焊接时，存在的焊接裂纹和脆性断裂的问题。

Claims (10)

1.一种P355NH和18MnD5异种钢的焊接方法，其特征在于，该焊接方法包括以下步骤：
步骤S1，对待焊接的P355NH和18MnD5异种钢母材进行坡口加工和焊接组对；
步骤S2，对待焊接的P355NH和18MnD5异种钢母材进行焊前预热处理；
步骤S3，对P355NH和18MnD5异种钢母材进行多层焊接操作，多层焊接操作依次包括：打底层焊接、填充层焊接和盖面层焊接；
其中，打底层焊接的焊接参数包括：焊接电流值为93～160A；填充层焊接的焊接参数包括：焊接电流值为110～140A；盖面层焊接的焊接参数包括：焊接电流值为110～140A；
步骤S4，对焊接后得到的P355NH和18MnD5异种钢焊接接头进行焊后热处理。
2.根据权利要求1所述的P355NH和18MnD5异种钢的焊接方法，其特征在于，在所述步骤S2中，焊前预热处理的温度≥125℃。
3.根据权利要求1所述的P355NH和18MnD5异种钢的焊接方法，其特征在于，在所述步骤S3中，进行打底层焊接、填充层焊接以及盖面层焊接时，层间温度≤250℃。
4.根据权利要求1所述的P355NH和18MnD5异种钢的焊接方法，其特征在于，在所述步骤S4中，首选对焊接接头进行自由升温，温度达到350℃，接着以≤220℃/h的升温速度，加热至595～625℃，然后在595～625℃下进行2小时的保温，再以≤220℃/h的降温速度，冷却至350℃，最后将焊接接头自由冷却到室温。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的P355NH和18MnD5异种钢的焊接方法，其特征在于，在所述步骤S1中，对待焊接的P355NH和18MnD5异种钢母材进行U型坡口加工，坡口角度为20±2.5°。
6.根据权利要求1-4中任意一项所述的P355NH和18MnD5异种钢的焊接方法，其特征在于，在所述步骤S3中，进行打底层焊接、填充层焊接以及盖面层焊接时采用多道焊接操作。
7.根据权利要求1-4中任意一项所述的P355NH和18MnD5异种钢的焊接方法，其特征在于，在所述步骤S3中进行打底层焊接时，选用焊丝的直径尺寸为φ1.6mm，选用焊丝的型号为ER70S-G。
8.根据权利要求1-4中任意一项所述的P355NH和18MnD5异种钢的焊接方法，其特征在于，在所述步骤S3中进行填充层焊接和盖面层焊接时，选用焊条的直径尺寸为φ3.2mm，选用焊条的型号为E7018。
9.根据权利要求1-4中任意一项所述的P355NH和18MnD5异种钢的焊接方法，其特征在于，在所述步骤S3中，采用手工钨极氩弧焊进行打底层焊接，采用手工电弧焊进行填充层焊接和盖面层焊接。
10.根据权利要求9所述的P355NH和18MnD5异种钢的焊接方法，其特征在于，打底层焊接在氩气保护下进行，并且氩气流量为5～15L/min。
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