CN109702382A - 一种适合高温条件长时间服役的焊接材料及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接技术领域，由于目前的零部件在高温环境下长期服役造成容易尺寸变形，因此本发明采用以下技术方案：焊接材料包括氩弧焊丝和焊条，焊条包括以下重量份的组分：C：0.03‑0.06%，Cr：18.0‑20.0%，Ni：11.0‑13.0%，Mo：2.0‑2.5%，Mn：1.0‑2.5%，Si：≤0.90%，P：≤0.020%，S:≤0.015%，Cu：≤0.75%，N：0.04‑0.09%，Co≤0.15%，Fe为余量。本发明还提供了焊接方法：先对工件机进行预处理然后进行打底焊填充焊接和盖面焊接后对焊接接头进行热处理，完成焊接。本发明具有较高抗拉强度和抗冲击能力，耐腐蚀能力以及较长使用寿命。

Description

一种适合高温条件长时间服役的焊接材料及其焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体而言涉及一种适合高温条件长时间服役的焊接材料及其焊接方法。

背景技术

由于快堆泵轴等设备具有较高的要求，通常设备的服役温度≥355℃，极限工况为550℃，且在该温度下这些工件需要长期服役至少40年，通常这些工件为316奥氏体不锈钢材料，长度约12m，直径约700mm，中间为空心段，各段之间采用焊接的方式进行连接。由于零部件以及细长的空心轴需持续在高温环境进行高速旋转，对工件的尺寸稳定性要求很高，长期服役过程中动平衡精度等级需满足G2.5级，工件整体直线度要求≤0.30mm。且在高温环境下长期服役过程中由于材料热老化及焊接残余应力释放，容易造成尺寸变形。因此该工件要求焊接接头在服役过程中具有较好的强度及韧性，焊接接头服役前残余应力较少，在高温条件服役40年后依然具有较好的韧性表现，且结构尺寸不发生变形。

而目前常规的316焊接接头经过高温消除应力热处理后，存在抗拉强度低，抗冲击能力较差的缺点，目前常规的316焊接接头的550℃高温抗拉强度只能达到370MPa左右，且室温冲击吸收功只能做到30-40J左右，经过模拟高温条件服役40年的加速老化热处理后，冲击韧性只能做到15～20J左右。

因此制作出满足以上要求的焊接接头，不仅需要具有优异性能的焊材，还需要严格的焊接工艺方法，经过特殊的热处理过程来实现。

发明内容

为了解决上述问题，提供一种具有较高高温抗拉强度和抗冲击能力，耐腐蚀能力以及较长使用寿命的焊接材料。本发明采用以下技术方案：

一种具有较高高温抗拉强度和抗冲击能力，耐腐蚀能力以及较长使用寿命的焊接材料，所述的焊接材料包括用以打底焊的氩弧焊丝和用以填充和盖面的焊条，所述的氩弧焊丝包括以下重量份的组分：C：0.03-0.06％，Cr：18.0-19.0％，Ni：11.0-13.0％，Mo：2.0-2.5％，Mn：1.5-2.2％，Si：0.30-0.50％，P：≤0.020％，S:≤0.010％，Cu：≤0.75％，N：0.04-0.09％，Co≤0.15％，Fe为余量。

所述的焊条包括以下重量份的组分：C：0.03-0.06％，Cr：18.0-19.0％，Ni：11.0-13.0％，Mo：2.0-2.5％，Mn：1.5-2.2％，Si：0.30-0.50％，P：≤0.020％，S:≤0.010％，Cu：≤0.75％，N：0.04-0.09％，Co≤0.15％，Fe为余量；

在本发明中碳是强奥氏体形成元素，是影响焊缝高温抗拉强度的关键元素，也是造成晶间腐蚀的主要元素。本发明中碳含量如果低于0.03％，则较难保证焊缝的高温抗拉强度，碳含量如果高于0.06％，热处理后晶间析出碳化物的数量增加，容易造成晶间腐蚀不合格，热处理后碳化物析出太多对于焊缝的冲击韧性也有不利影响。

本发明的优势在于550℃高温抗拉强度≥402MPa；经高温消应力退火热处理后室温冲击吸收功≥60J；经高温消应力退火热处理+675℃×1h敏化处理后按ASTM A262E法进行晶间腐蚀试验，不得有晶间腐蚀倾向；经高温消应力退火热处理+750℃×100h老化热处理后，室温冲击吸收功≥25J。

此外，硅是铁素体形成元素，可以形成很多的硅化物(FeSi、Fe2Si、Fe3Si、Fe5Si3)和一种Cr3Si金属间化合物，它们有使组织脆化的倾向，硅也扩大形成σ相的成分范围。硅在凝固时会发生偏析而形成低熔点共晶组分，但是一定量的Si能够改善熔池的流动性，进而改善焊条的焊缝成形性能。因此，本发明将硅含量控制在0.30-0.50％以下。

铬是铁素体形成元素，也是很强的碳化物生成元素，同时也是金属间化合物σ相的重要成分。它能增加焊缝的强度，提高焊缝抗晶间腐蚀能力，过量时会降低断后伸长率以及冲击韧性。因此将铬控制在18-19％。

本发明采用了镍和锰共用的方案，镍是奥氏体化形成元素，在不使焊缝出现热裂纹的情况下，可增加焊缝的塑性。锰是奥氏体化形成元素，当不改变组织状态时，能改善焊缝的抗裂性，增加焊缝的塑性，而当锰含量过高时，能导致焊缝的奥氏体相粗化，降低焊缝抗晶间腐蚀能力。因此锰含量控制在1.5-2.2％。

钼可提高不锈钢高温强度和抗裂性，能比较明显的改善焊缝耐蚀性，明显提高焊缝金属抗点蚀能力，同时考虑到热处理态力学性能，将钼元素控制2.0-2.5％范围内。

S和P等元素能增加堆焊金属热裂纹的敏感性，如果含量较高会引起裂纹产生的可能性增加，因此控制S含量≤0.010％，P含量≤0.020％。

本发明采用了以N代C的强化方法，本发明中奥氏体不锈钢添加N能够显著改善强度，，提高C含量会降低奥氏体不锈钢的抗晶间腐蚀性能，而在奥氏体钢中，提高N含量很少见到Cr2N的析出，因此加入适量的N能在提高钢的强度和抗氧化性的同时，使得本发明具有良好的抗晶间腐蚀性能。因此将N含量控制在0.04-0.09％范围内。

作为优选，所述的焊丝的铁素体的含量为4-6FN。

作为优选，所述的焊条的铁素体的含量为4-6FN。

由于316奥氏体不锈钢焊缝中δ-铁素体含量是影响热处理后冲击韧性和焊接过程中结晶裂纹的关键指标，δ-铁素体含量越高，热处理后冲击韧性下降越严重，δ-铁素体含量越低，焊接过程中越容易出现结晶裂纹。因此本项目将焊丝和焊条的δ-铁素体严格控制在4-6FN范围内，采用该方案可以有效地控制焊缝冲击韧性及抗裂纹能力。

一种适合高温条件长时间服役的焊接材料的焊接方法，包括以下步骤：

(1)预处理：将待焊工件坡口经车床加工而成，留1-1.5mm厚钝边，需焊接位置焊前采用丙酮进行清洗，将待焊接的工件对接，测量工件整体直线度；

(2)打底焊：所述的打底焊的焊接层数≥6层，先使用手工氩弧焊对需要焊接的接口进行重熔，形成第一焊层，随后添加氩弧焊丝，然后采用手工氩弧焊逐层焊接剩余的打底焊的焊接层数，待氩弧焊丝形成的熔敷金属冷却凝固后，清理附在焊缝表面的氧化物和杂物；

(3)填充焊接：使用焊条，然后用电弧焊的方式将后续层填充完成，焊接过程中严格控制焊接热输入和道间温度，每层均需测量工件整体直线度，并且根据测量结果调整焊接起弧及收弧位置；

(4)盖面焊接：使用电弧焊的方式将焊条熔融覆盖在所述的焊缝上，待焊条形成的熔敷金属冷却凝固后，形成焊接接头；

(5)热处理：将完成盖面焊接的工件进行热处理，完成焊接。

本发明采用了手工氩弧焊打底然后使用焊条进行填充以及盖面，这是综合考虑了焊接变形控制及焊接生产效率后确定的，手工氩弧焊焊接速度较慢，焊接厚度较小，对于焊接变形影响较大，在进行打底焊焊接时，由于坡口内焊接厚度较小，能够较为方便的控制工件的焊接变形，因此采用手工氩弧焊的方法。后续位置由于坡口内已经有一定厚度的熔敷金属，工件具备一定刚性，焊接过程中变形程度已经相对较小，为保证焊接生产效率，采用熔敷效率更高的焊条电弧焊进行焊接。因此本发明采用了手工氩弧焊打底和焊条填充盖面的方式，一方面能够精确到额控制工件的焊接变形，另一方面可以有效的保证整体焊接生产效率，且首层焊接采用了氩弧焊直接重熔，可以使得单面焊双面成形。

作为优选，所述的步骤(2)打底焊过程中采用的焊接电流为150-170A，焊接电压为13-16V，焊接速度为90-110mm/min，焊接热输入≤25KJ/cm。

作为优选，所述的步骤(3)填充焊接过程中电弧焊采用的焊接电流为130-150A，焊接电压为22-30V，焊接速度为120-200mm/min，焊接热输入≤25KJ/cm。

作为优选，所述的步骤(4)盖面焊接过程中电弧焊采用的焊接电流为130-145A，焊接电压为20-28V，焊接速度为80-200mm/min，焊接热输入≤25KJ/cm。

本发明采用以上参数可以有效地控制热输入和层间温度，通过该参数能够保证焊接质量和良好的焊缝成形，且通过调节参数可以保证首层焊接过程中的单面焊双面成形，同时保证本发明的各项机械性能。

作为优选，所述的步骤(5)热处理过程采用以下步骤：将焊接完成的工件竖直悬挂放入热处理炉中，在保护气氛下将工件加热至950-1000℃，保温1-3h后进行冷却，在所述的冷却的过程中炉内用惰性气体作为冷却介质进行循环冷却，降温速率为100-150℃/h，将工件冷却至≤120℃后，出炉静置，自然冷却。

将进行完盖面焊接工件放入加热炉中，然后将工件加热至900-990℃，保温1-3h后进行冷却，在所述的冷却的过程中降温速率为70-120℃/h。

针对上述特殊的热处理过程，其主要目的是充分消除工件各个焊接接头的残余应力，以保证在后续机加工过程及工况条件下长期服役时具有优良的尺寸稳定性。在热处理过程中，工件内外表面均不允许被氧化。主要手段是将工件均匀加热至奥氏体化温度(950-1000℃)范围内，保温足够长的时间，让其内部碳化物、硬脆相等全部溶入奥氏体基体。保温完成后，用严格控制的冷却速度(100-150℃/h)冷却至室温，以避免在降温过程中过多的析出硬脆相。

本发明采用了对焊接接头进行惰性气体保护热处理的方法，可以有效消除本发明的残余应力，从而提高本发明在高温状态下的结构稳定性，保证了本发明在使用过程中不会出现结构变形和产生裂纹等情况，增强了本发明的机械性能，同时也提高了本发明的使用寿命，另外本发明严格控制了工件的降温速率，可以保证本发明降温过程中工件的温度的均匀性，减少了工件内部的热应力，同时又能避免工件在降温过程中过多的析出硬脆相。

作为优选，所述的步骤(2)，步骤(3)和步骤(4)先将焊缝冷却到层间温度为20-150℃，然后进行所述的填充焊接和盖面焊接。

所述的步骤(2)、(3)和(4)焊接过程中采用了20-150℃的层间温度，可以保证本发明在焊接过程中不会因为层间温度过高会引起热影响区晶粒粗大，使焊缝强度及低温冲击韧性下降或温度过低使得在焊接过程中产生裂纹，保证了本发明的机械性能

所述的热处理过程中加热过程的升温速率小于等于60℃/h，所述的保护气氛和所述的惰性气体均为氦气。

本发明采用了较低的升温速率，有助于保持工件整体的温度均匀性满足在10℃以内，有助于减少工件的热应力，防止工件出现变形、焊接接头出现裂纹等情况。

本发明的有益效果在于能够保证焊接接头具有较高的高温抗拉强度和抗冲击能力，耐腐蚀能力，能够保证细长的空心轴在高温环境下长期服役过程中依然具有优良的尺寸稳定性及抗冲击能力。

具体实施方式

下面结合具体实施案例对本发明进行进一步解释：

实施例1

一种适合高温条件长时间服役的焊接材料，焊接材料包括用以打底焊的氩弧焊丝和用以填充和盖面的焊条，所述的氩弧焊丝包括以下重量份的组分：C：0.032％，Cr：18.80％，Ni：12.50％，Mo：2.38％，Mn：1.80％，Si：0.45％，P：0.015％，S:0.005％，Cu：0.02％，N：0.085％，Co：0.02％，Fe为余量。焊丝的铁素体的含量为4.2FN。

所述的焊条包括以下重量份的组分：C：0.035％，Cr：19.60％，Ni：12.83％，Mo：2.25％，Mn：1.56％，Si：0.33％，P：0.011％，S:0.005％，Cu：0.02％，N：0.080％，Co：0.02％，Fe为余量；焊条的铁素体的含量为4.2FN。

一种适合高温条件长时间服役的焊接材料的焊接方法，具体步骤及工艺参数如下：

(1)预处理：所有待焊工件坡口均经车床加工而成，留1.5mm厚钝边，需焊接位置焊前采用丙酮进行清洗，去除油污、氧化物等杂质，将待焊接的工件对接，测量工件整体直线度；

(2)打底焊：打底焊的焊接层数为6层，首层使用手工氩弧焊进行重熔，不添加焊丝，保证单面焊双面成形。第2层至第6层，使用手工氩弧焊，添加焊丝，待焊丝形成的熔敷金属冷却凝固后，清理附在焊缝表面的氧化物和杂物使焊缝周向和横向平滑均匀，每层焊接后测量工件整体直线度，并且根据测量结果调整焊接起弧及收弧位置。焊接电流为150A，焊接电压为13V，焊接速度为90mm/min，焊接热输入为25KJ/cm，道间温度140℃。

(3)填充焊接：使用焊条电弧焊的方式将第7层至后续层填充完成，焊接过程中严格控制焊接热输入18KJ/cm，道间温度140℃，采用的焊接电流为140A，焊接电压为28V，焊接速度为200mm/min，每层均需测量工件整体直线度，并且根据测量结果调整焊接起弧及收弧位置。

(4)盖面焊接：先让焊缝自然冷却到层间温度140℃以后，使用电弧焊的方式将焊条熔融覆盖在焊缝上，焊接电流为130A，焊接电压为22V，焊接速度为150mm/min，焊接热输入18KJ/cm，待焊条形成的熔敷金属冷却凝固后，形成焊接接头；

(5)热处理：将焊接完成的工件竖直悬挂放入热处理炉中，在保护气氛下将工件加热至950℃，保温1h后进行冷却，在所述的冷却的过程中炉内用惰性气体作为冷却介质进行循环冷却，降温速率为100℃/h，将工件冷却至120℃后，出炉静置，自然冷却

实施例2

一种适合高温条件长时间服役的焊接材料，焊接材料包括用以打底焊的氩弧焊丝和用以填充和盖面的焊条，所述的氩弧焊丝包括以下重量份的组分：C：0.045％，Cr：19.20％，Ni：11.89％，Mo：2.30％，Mn：2.0％，Si：0.48％，P：0.012％，S:0.006％，Cu：0.02％，N：0.075％，Co：0.02％，Fe为余量。焊丝的铁素体的含量为5.0FN。

所述的焊条包括以下重量份的组分：C：0.051％，Cr：19.09％，Ni：11.63％，Mo：2.38％，Mn：1.90％，Si：0.32％，P：0.012％，S:0.004％，Cu：0.04％，N：0.072％，Co：0.02％，Fe为余量；焊条的铁素体的含量为5.0FN。

一种适合高温条件长时间服役的焊接材料的焊接方法，具体步骤及工艺参数如下：

(1)预处理：所有待焊工件坡口均经车床加工而成，留1.5mm厚钝边，需焊接位置焊前采用丙酮进行清洗，去除油污、氧化物等杂质，将待焊接的工件对接，测量工件整体直线度；

(2)打底焊：打底焊的焊接层数为6层，首层使用手工氩弧焊进行重熔，不添加焊丝，保证单面焊双面成形。第2层至第6层，使用手工氩弧焊，添加焊丝，待焊丝形成的熔敷金属冷却凝固后，清理附在焊缝表面的氧化物和杂物使焊缝周向和横向平滑均匀，每层焊接后测量工件整体直线度，并且根据测量结果调整焊接起弧及收弧位置。焊接电流为150A，焊接电压为13V，焊接速度为90mm/min，焊接热输入为25KJ/cm，道间温度140℃。

(3)填充焊接：使用焊条电弧焊的方式将第7层至后续层填充完成，焊接过程中严格控制焊接热输入18KJ/cm，道间温度140℃，采用的焊接电流为140A，焊接电压为28V，焊接速度为200mm/min，每层均需测量工件整体直线度，并且根据测量结果调整焊接起弧及收弧位置。

(4)盖面焊接：先让焊缝自然冷却到层间温度140℃以后，使用电弧焊的方式将焊条熔融覆盖在焊缝上，焊接电流为130A，焊接电压为22V，焊接速度为150mm/min，焊接热输入18KJ/cm，待焊条形成的熔敷金属冷却凝固后，形成焊接接头；

(5)热处理：将焊接完成的工件竖直悬挂放入热处理炉中，在保护气氛下将工件加热至900℃，保温1h后进行冷却，在所述的冷却的过程中炉内用惰性气体作为冷却介质进行循环冷却，降温速率为100℃/h，将工件冷却至120℃后，出炉静置，自然冷却

实施例3

一种适合高温条件长时间服役的焊接材料，焊接材料包括用以打底焊的氩弧焊丝和用以填充和盖面的焊条，氩弧焊丝包括以下重量份的组分：C：0.058％，Cr：19.15％，Ni：11.35％，Mo：2.15％，Mn：1.5％，Si：0.52％，P：0.010％，S：0.008％，Cu：0.02％，N：0.055％，Co：0.02％，Fe为余量，焊丝的铁素体的含量为5.8FN。

焊条包括以下重量份的组分：C：0.058％，Cr：19.45％，Ni：11.65％，Mo：2.15％，Mn：1.59％，Si：0.52％，P：0.010％，S:0.008％，Cu：0.02％，N：0.055％，Co：0.02％，Fe为余量；焊条的铁素体的含量为6.0FN。

一种适合高温条件长时间服役的焊接材料的焊接方法，具体步骤及工艺参数如下：

(1)预处理：所有待焊工件坡口均经车床加工而成，留1.5mm厚钝边，需焊接位置焊前采用丙酮进行清洗，去除油污、氧化物等杂质，将待焊接的工件对接，测量工件整体直线度；

(2)打底焊：打底焊的焊接层数为6层，首层使用手工氩弧焊进行重熔，不添加焊丝，保证单面焊双面成形。第2层至第6层，使用手工氩弧焊，添加焊丝，待焊丝形成的熔敷金属冷却凝固后，清理附在焊缝表面的氧化物和杂物使焊缝周向和横向平滑均匀，每层焊接后测量工件整体直线度，并且根据测量结果调整焊接起弧及收弧位置。焊接电流为150A，焊接电压为13V，焊接速度为90mm/min，焊接热输入为25KJ/cm，道间温度140℃。

(3)填充焊接：使用焊条电弧焊的方式将第7层至后续层填充完成，焊接过程中严格控制焊接热输入18KJ/cm，道间温度140℃，采用的焊接电流为140A，焊接电压为28V，焊接速度为200mm/min，每层均需测量工件整体直线度，并且根据测量结果调整焊接起弧及收弧位置。

(4)盖面焊接：先让焊缝自然冷却到层间温度140℃以后，使用电弧焊的方式将焊条熔融覆盖在焊缝上，焊接电流为130A，焊接电压为22V，焊接速度为150mm/min，焊接热输入18KJ/cm，待焊条形成的熔敷金属冷却凝固后，形成焊接接头；

(5)热处理：将焊接完成的工件竖直悬挂放入热处理炉中，在保护气氛下将工件加热至990℃，保温1h后进行冷却，在所述的冷却的过程中炉内用惰性气体作为冷却介质进行循环冷却，降温速率为150℃/h，将工件冷却至100℃后，出炉静置，自然冷却

对比例1

一种焊接材料，焊接材料包括用以打底焊的氩弧焊丝和用以填充和盖面的焊条，氩弧焊丝包括以下重量份的组分：C：0.007％，Cr：19.35％，Ni：12.81％，Mo：2.59％，Mn：1.84％，Si：0.35％，P：0.019％，S：0.002％，Cu：0.04％，N：0.065％，Co：0.04％，Fe为余量，焊丝的铁素体的含量为8.4FN。

焊条包括以下重量份的组分：C：0.031％，Cr：19.07％，Ni：11.95％，Mo：2.36％，Mn：1.56％，Si：0.42％，P：0.022％，S:0.004％，Cu：0.08％，N：0.014％，Co：0.05％，Fe为余量；焊条的铁素体的含量为9.9FN。

一种适合高温条件长时间服役的焊接材料的焊接方法，具体步骤及工艺参数如下：

(1)预处理：所有待焊工件坡口均经车床加工而成，留1.5mm厚钝边，需焊接位置焊前采用丙酮进行清洗，去除油污、氧化物等杂质，将待焊接的工件对接，测量工件整体直线度；

(2)打底焊：打底焊的焊接层数为6层，首层使用手工氩弧焊进行重熔，不添加焊丝，保证单面焊双面成形。第2层至第6层，使用手工氩弧焊，添加焊丝，待焊丝形成的熔敷金属冷却凝固后，清理附在焊缝表面的氧化物和杂物使焊缝周向和横向平滑均匀，每层焊接后测量工件整体直线度，并且根据测量结果调整焊接起弧及收弧位置。焊接电流为150A，焊接电压为13V，焊接速度为90mm/min，焊接热输入为25KJ/cm，道间温度140℃。

(3)填充焊接：使用焊条电弧焊的方式将第7层至后续层填充完成，焊接过程中严格控制焊接热输入18KJ/cm，道间温度140℃，采用的焊接电流为140A，焊接电压为28V，焊接速度为200mm/min，每层均需测量工件整体直线度，并且根据测量结果调整焊接起弧及收弧位置。

(4)盖面焊接：先让焊缝自然冷却到层间温度140℃以后，使用电弧焊的方式将焊条熔融覆盖在焊缝上，焊接电流为130A，焊接电压为22V，焊接速度为150mm/min，焊接热输入18KJ/cm，待焊条形成的熔敷金属冷却凝固后，形成焊接接头；

(5)热处理：将焊接完成的工件竖直悬挂放入热处理炉中，在保护气氛下将工件加热至950℃，保温1h后进行冷却，在所述的冷却的过程中炉内用惰性气体作为冷却介质进行循环冷却，降温速率为100℃/h，将工件冷却至120℃后，出炉静置，自然冷却

对比例2

一种焊接材料，焊接材料包括用以打底焊的氩弧焊丝和用以填充和盖面的焊条，氩弧焊丝包括以下重量份的组分：C：0.075％，Cr：19.22％，Ni：11.69％，Mo：2.56％，Mn：2.08％，Si：0.60％，P：0.015％，S：0.009％，Cu：0.07％，N：0.063％，Co：0.04％，Fe为余量，焊丝的铁素体的含量为4.1FN。

焊条包括以下重量份的组分：C：0.075％，Cr：19.17％，Ni：11.76％，Mo：2.68％，Mn：2.09％，Si：0.75％，P：0.015％，S:0.008％，Cu：0.08％，N：0.062％，Co：0.02％，Fe为余量；焊条的铁素体的含量为：7.4FN。

一种适合高温条件长时间服役的焊接材料的焊接方法，具体步骤及工艺参数如下：

(1)预处理：所有待焊工件坡口均经车床加工而成，留1.5mm厚钝边，需焊接位置焊前采用丙酮进行清洗，去除油污、氧化物等杂质，将待焊接的工件对接，测量工件整体直线度；

(2)打底焊：打底焊的焊接层数为6层，首层使用手工氩弧焊进行重熔，不添加焊丝，保证单面焊双面成形。第2层至第6层，使用手工氩弧焊，添加焊丝，待焊丝形成的熔敷金属冷却凝固后，清理附在焊缝表面的氧化物和杂物使焊缝周向和横向平滑均匀，每层焊接后测量工件整体直线度，并且根据测量结果调整焊接起弧及收弧位置。焊接电流为150A，焊接电压为13V，焊接速度为90mm/min，焊接热输入为25KJ/cm，道间温度140℃。

(3)填充焊接：使用焊条电弧焊的方式将第7层至后续层填充完成，焊接过程中严格控制焊接热输入18KJ/cm，道间温度140℃，采用的焊接电流为140A，焊接电压为28V，焊接速度为200mm/min，每层均需测量工件整体直线度，并且根据测量结果调整焊接起弧及收弧位置。

(4)盖面焊接：先让焊缝自然冷却到层间温度140℃以后，使用电弧焊的方式将焊条熔融覆盖在焊缝上，焊接电流为130A，焊接电压为22V，焊接速度为150mm/min，焊接热输入18KJ/cm，待焊条形成的熔敷金属冷却凝固后，形成焊接接头；

(5)热处理：将焊接完成的工件竖直悬挂放入热处理炉中，在保护气氛下将工件加热至950℃，保温1h后进行冷却，在所述的冷却的过程中炉内用惰性气体作为冷却介质进行循环冷却，降温速率为100℃/h，将工件冷却至120℃后，出炉静置，自然冷却

对比例3

一种具有较高高温抗拉强度和抗冲击能力，耐腐蚀能力以及较长使用寿命的焊接材料，焊接材料包括用以打底焊的氩弧焊丝和用以填充和盖面的焊条，所述的氩弧焊丝包括以下重量份的组分：C：0.032％，Cr：18.80％，Ni：12.50％，Mo：2.38％，Mn：1.80％，Si：0.45％，P：0.015％，S:0.005％，Cu：0.02％，N：0.085％，Co：0.02％，Fe为余量。焊丝的铁素体的含量为4.2FN。

所述的焊条包括以下重量份的组分：C：0.035％，Cr：19.60％，Ni：12.83％，Mo：2.25％，Mn：1.56％，Si：0.33％，P：0.011％，S:0.005％，Cu：0.02％，N：0.080％，Co：0.02％，Fe为余量；焊条的铁素体的含量为4.2FN。

一种焊接方法，具体步骤及工艺参数如下：

(1)预处理：所有待焊工件坡口均经车床加工而成，留1.5mm厚钝边，需焊接位置焊前采用丙酮进行清洗，去除油污、氧化物等杂质，将待焊接的工件对接，测量工件整体直线度；

(2)打底焊：打底焊的焊接层数为6层，首层使用手工氩弧焊进行重熔，不添加焊丝，保证单面焊双面成形。第2层至第6层，使用手工氩弧焊，添加焊丝，待焊丝形成的熔敷金属冷却凝固后，清理附在焊缝表面的氧化物和杂物使焊缝周向和横向平滑均匀，每层焊接后测量工件整体直线度，并且根据测量结果调整焊接起弧及收弧位置。焊接电流为150A，焊接电压为13V，焊接速度为90mm/min，焊接热输入为25KJ/cm，道间温度140℃。

(3)填充焊接：使用焊条电弧焊的方式将第7层至后续层填充完成，焊接过程中严格控制焊接热输入18KJ/cm，道间温度140℃，采用的焊接电流为140A，焊接电压为28V，焊接速度为200mm/min，每层均需测量工件整体直线度，并且根据测量结果调整焊接起弧及收弧位置。

(4)盖面焊接：先让焊缝自然冷却到层间温度140℃以后，使用电弧焊的方式将焊条熔融覆盖在焊缝上，焊接电流为130A，焊接电压为22V，焊接速度为150mm/min，焊接热输入18KJ/cm，待焊条形成的熔敷金属冷却凝固后，形成焊接接头；

(5)热处理：将焊接完成的工件竖直悬挂放入热处理炉中，在保护气氛下将工件加热至950℃，保温1h后进行冷却，在所述的冷却的过程中炉内用惰性气体作为冷却介质进行循环冷却，降温速率为100℃/h，将工件冷却至120℃后，出炉静置，自然冷却

对比例4

一种具有较高高温抗拉强度和抗冲击能力的焊接材料，焊接材料包括用以打底焊的氩弧焊丝和用以填充和盖面的焊条，所述的氩弧焊丝包括以下重量份的组分：C：0.032％，Cr：18.80％，Ni：12.50％，Mo：2.38％，Mn：1.80％，Si：0.45％，P：0.015％，S:0.005％，Cu：0.02％，N：0.085％，Co：0.02％，Fe为余量。焊丝的铁素体的含量为4.2FN。

所述的焊条包括以下重量份的组分：C：0.035％，Cr：19.60％，Ni：12.83％，Mo：2.25％，Mn：1.56％，Si：0.33％，P：0.011％，S:0.005％，Cu：0.02％，N：0.080％，Co：0.02％，Fe为余量；焊条的铁素体的含量为4.2FN。

一种焊接方法，具体步骤及工艺参数如下：

(1)预处理：所有待焊工件坡口均经车床加工而成，留1.5mm厚钝边，需焊接位置焊前采用丙酮进行清洗，去除油污、氧化物等杂质，将待焊接的工件对接，测量工件整体直线度；

(2)打底焊：打底焊的焊接层数为6层，首层使用手工氩弧焊进行重熔，不添加焊丝，保证单面焊双面成形。第2层至第6层，使用手工氩弧焊，添加焊丝，待焊丝形成的熔敷金属冷却凝固后，清理附在焊缝表面的氧化物和杂物使焊缝周向和横向平滑均匀，每层焊接后测量工件整体直线度，并且根据测量结果调整焊接起弧及收弧位置。焊接电流为150A，焊接电压为13V，焊接速度为90mm/min，焊接热输入为40KJ/cm，道间温度200℃。

(3)填充焊接：使用焊条电弧焊的方式将第7层至后续层填充完成，焊接过程中严格控制焊接热输入18KJ/cm，道间温度140℃，采用的焊接电流为140A，焊接电压为28V，焊接速度为200mm/min，每层均需测量工件整体直线度，并且根据测量结果调整焊接起弧及收弧位置。

(4)盖面焊接：先让焊缝自然冷却到层间温度140℃以后，使用电弧焊的方式将焊条熔融覆盖在焊缝上，焊接电流为130A，焊接电压为22V，焊接速度为150mm/min，焊接热输入18KJ/cm，待焊条形成的熔敷金属冷却凝固后，形成焊接接头；

(5)热处理：将焊接完成的工件竖直悬挂放入热处理炉中，在保护气氛下将工件加热至950℃，保温1h后进行冷却，在所述的冷却的过程中炉内用惰性气体作为冷却介质进行循环冷却，降温速率为100℃/h，将工件冷却至120℃后，出炉静置，自然冷却

对本发明的实施例和对比例的焊丝熔敷金属和焊条熔敷金属形成的焊接处进行取样检测，对产品焊后的直线度进行测量，结果如下表所示:

由上表数据可以看出，当焊材化学成分和铁素体含量在本发明要求的范围内时，采用本发明要求的焊接工艺方法及热处理工艺，既能满足高温拉伸、冲击、结构稳定性及晶间腐蚀试验要求，而且工件的直线度也能满足要求。但如果焊材无法满足本发明的要求，尽管直线度能够满足要求，高温强度、冲击吸收功等力学性能无法满足要求。如果采用满足本发明要求的焊材，但焊接过程及热处理过程未按照本发明进行，则工件也会出现冲击韧性无法满足要求，工件直线度无法满足要求的情况。可见本发明所得到的细长空心轴奥氏体不锈钢焊接接头，不仅具有很好的高温强度、韧性，而且具有优良的尺寸稳定性，能够在高温条件下高速旋转且进行长时间服役。

Claims (10)

1.一种适合高温条件长时间服役的焊接材料，所述的焊接材料包括用以打底焊的氩弧焊丝和用以填充和盖面的焊条，其特征在于，所述的焊条包括以下重量份的组分：C：0.03-0.06%，Cr：18.0-20.0%，Ni：11.0-13.0%，Mo：2.0-2.5%，Mn：1.0-2.5%，Si：≤0.90%，P：≤0.020%，S:≤0.015%，Cu：≤0.75%，N：0.04-0.09%，Co≤0.15%，Fe为余量；

所述的氩弧焊丝包括以下重量份的组分：C：0.03-0.06%，Cr：18.0-20.0%，Ni：11.0-13.0%，Mo：2.0-2.5%，Mn：1.0-2.5%，Si：0.30-0.65%，P：≤0.020%，S：≤0.015%，Cu：≤0.75%，N：0.04-0.09%，Co≤0.15%，Fe为余量。

2.根据权利要求1所述的一种适合高温条件长时间服役的焊接材料，其特征在于：所述的焊丝的铁素体的含量为4-6FN。

3.根据权利要求1所述的一种适合高温条件长时间服役的焊接材料，其特征在于：所述的焊条的铁素体的含量为4-6FN。

4.一种根据权利要求1-3之一所述的适合高温条件长时间服役的焊接材料的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）预处理：将待焊工件坡口经车床加工而成，留1-1.5mm厚钝边，需焊接位置焊前采用丙酮进行清洗，将待焊接的工件对接，测量工件整体直线度 ；

（2）打底焊：所述的打底焊的焊接层数≥6层，先使用手工氩弧焊对需要焊接的接口进行重熔，形成第一焊层，随后添加氩弧焊丝，然后采用手工氩弧焊逐层焊接剩余的打底焊的焊接层数，待氩弧焊丝形成的熔敷金属冷却凝固后，清理附在焊缝表面的氧化物和杂物；

（3）填充焊接：使用焊条，然后用电弧焊的方式将后续层填充完成，焊接过程中严格控制焊接热输入和道间温度，每层均需测量工件整体直线度，并且根据测量结果调整焊接起弧及收弧位置；

（4）盖面焊接：使用电弧焊的方式将焊条熔融覆盖在所述的焊缝上，待焊条形成的熔敷金属冷却凝固后，形成焊接接头；

（5）热处理：将完成盖面焊接的工件进行热处理，完成焊接。

5.根据权利要求4所述的一种适合高温条件长时间服役的焊接方法，其特征在于：所述的步骤（2）打底焊过程中采用的焊接电流为140-170A，焊接电压为13-16V，焊接速度为50-120mm/min，焊接热输入≤25KJ/c。

6.根据权利要求4所述的一种适合高温条件长时间服役的焊接方法，其特征在于：所述的步骤（3）填充焊接过程中电弧焊采用的焊接电流为120-150A，焊接电压为20-28V，焊接速度为80-200mm/min，焊接热输入≤25KJ/c，且在所述的步骤（3）填充焊接过程中，在完成每层的电弧焊焊接后，测量工件整体直线度。

7.根据权利要求4所述的一种适合高温条件长时间服役的焊接方法，其特征在于：所述的步骤（4）盖面焊接过程中电弧焊采用的焊接电流为120-150A，焊接电压为20-28V，焊接速度为80-200mm/min，焊接热输入≤25KJ/c。

8.根据权利要求4所述的一种适合高温条件长时间服役的焊接方法，其特征在于：所述的步骤（5）热处理过程采用以下步骤：将焊接完成的工件竖直悬挂放入热处理炉中，在保护气氛下将工件加热至950-1000℃，保温1-3h后进行冷却，在所述的冷却的过程中炉内用惰性气体作为冷却介质进行循环冷却，降温速率为100-150℃/h，将工件冷却至≤120℃后，出炉静置，自然冷却；

将进行完盖面焊接工件放入加热炉中，然后将工件加热至900-990℃，保温1-3h后进行冷却，在所述的冷却的过程中降温速率为70-120℃/h。

9.根据权利要求4所述的一种适合高温条件长时间服役的焊接方法，其特征在于：所述的步骤（2），步骤（3）和步骤（4）先将焊缝冷却到层间温度为20-150℃，然后进行所述的填充焊接和盖面焊接。

10.根据权利要求4或8所述的一种适合高温条件长时间服役的焊接方法，其特征在于：所述的热处理过程中加热过程的升温速率小于等于60℃/h，所述的保护气氛和所述的惰性气体均为氦气。