CN110369837B - 一种超级双相不锈钢与超级奥氏体不锈钢的焊接工艺 - Google Patents

一种超级双相不锈钢与超级奥氏体不锈钢的焊接工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超级双相不锈钢与超级奥氏体不锈钢的焊接工艺，其采用90％的氮气+10％的氢气作为背保护气体，所述焊接工艺包括以98％的氩气+2％的氮气为保护气体的TIG打底和以98％的氩气+2％的二氧化碳为保护气体的GMAW‑P填充和盖面；填充焊的焊接电流为130‑139A,电压23‑24V，焊接速度17.54‑19cm/min，热输入量0.767‑0.92KJ/mm；盖面焊的焊接电流为130‑139A，焊接电压23‑24V，焊接速度23.04‑24.96cm/min，热输入量0.58‑0.70KJ/mm。本发明提高了不锈钢2507与254SMo焊接的质量。

Description

一种超级双相不锈钢与超级奥氏体不锈钢的焊接工艺
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种超级双相不锈钢与超级奥氏体不锈钢的焊接工艺。
背景技术
将于2020年1月1日开始生效的硫排放限制规则，要求硫排放量保持在0.50％以下。因此，船用脱硫塔的设计与建造必然会成为一种趋势。作为脱硫塔建造的主要材料超级双相不锈钢2507(UNS S32750)及超级奥氏体不锈钢254SMo(UNS S31254)，综合力学性能优异，同时具有极好的抗点腐蚀、应力腐蚀、缝隙腐蚀的能力，可用于条例恶劣，高温及强腐蚀介质的环境中。而异种材料的焊接难度较大，在焊接过程中经常会出现合金元素的迁移、组织发生变化等现象导致接头性能变差，一般情况是只能采用法兰连接方式来避免焊接的缺陷。
异种钢焊接的主要困难在于异种金属之间的物理和化学性能差异较大，在焊接过程中经常会出现合金元素的迁移、组织发生变化等现象导致接头性能变差，异种金属的热膨胀系数不同也会引起热应力、塑性差异和应力增加，从而产生裂纹等，降低接头的力学性能和耐腐蚀性能。因此，对超级双相不锈钢2507(UNS S32750)与超级奥氏体不锈钢254SMo(UNS S31254)异种钢焊接进行研究具有较大的实际意义。可以解决脱硫塔建造中超级双相不锈钢2507(UNS S32750)与超级奥氏体不锈钢254SMo(UNS S31254)的焊接难题，获得成型美观的全焊透焊缝，铁素体和奥氏体比例相对均衡的金相组织，焊接接头的机械性能和耐腐蚀性充分得到保证，具备抗点腐蚀、缝隙腐蚀的能力，较强的抗氯化物腐蚀能力，满足客户需求。
2507(UNS S32750)作为一种超级双相不锈钢，254SMo(UNS S31254))作为一种超级奥氏体不锈钢，两者的焊接性能不同。因此，在对上述两种不锈钢进行异种钢的焊接时，焊接工艺参数的选择尤为重要。
对于超级双相不锈钢2507(UNS S32750)来说，焊接工艺参数直接影响到焊缝金属中铁素体的体积分数。如果焊接热输入过小，可能会生成过量的铁素体组织，如果热输入量过大，尽管可以获得足够的奥氏体，但同时也会造成热影响区的铁素体晶粒长大，使焊接接头力学性能下降。
对于超级奥氏体不锈钢254SMo(UNS S31254)来说，焊接过程中焊接接头处在快速连续加热过程中，处于敏化区(450-850℃)的热影响区易造成晶间贫铬，进而产生晶间腐蚀。
因此，只有选用合适焊接工艺和合理的工艺参数，才能满足异种钢焊接接头的性能要求，而现有技术尚没有较为成熟可靠的焊接工艺作为借鉴。因此，有必要通过大量的研究和试验，开发出一种超级双相不锈钢与超级奥氏体不锈钢的焊接工艺，以满足高性能的超级不锈钢异种钢焊接的需要。
发明内容
本发明的目的是提出一种超级双相不锈钢与超级奥氏体不锈钢的焊接工艺，旨在提高超级双相不锈钢2507与超级奥氏体不锈钢254SMo焊接的质量。具体的技术方案如下：
一种超级双相不锈钢与超级奥氏体不锈钢的焊接工艺，所述超级双相不锈钢为2507超级双相不锈钢，所述超级奥氏体不锈钢为254SMo超级奥氏体不锈钢，所述焊接工艺包括如下工艺步骤：
(1)钢板切割：采用2507和254SMo两种不锈钢钢板，分别按设计要求进行切割成形；
(2)焊丝选择：采用直径为φ2.4mm的焊丝作为打底用的TIG焊丝，采用直径为φ1.2mm的焊丝作为填充及盖面用的GMAW-P焊丝；其中，所述φ2.4mm的焊丝和直径为φ1.2mm的焊丝均为AWSA5.14：ERNiCrMo-3焊丝；
(3)焊接设备选择：打底用焊接设备使用TIG焊机，填充及盖面用的GMAW-P焊接设备使用数字脉冲气保焊机；
(4)坡口准备：在需要焊接的2507和254SMo两种不锈钢钢板的对接处打好焊接坡口，所述焊接坡口采用对接V型坡口，所述对接V型坡口的坡口角度为70°±5°；所述对接V型坡口的底部钝边的高度为0-1mm；
(5)钢板预处理：焊接前对不锈钢钢板的焊接坡口区域进行表面预处理，所述表面预处理包括使用不锈钢抛光片对焊接坡口区域进行抛光处理；
(6)钢板拼接和定位：将两种不锈钢钢板对接成V型坡口，所述对接V型坡口的对接间隙为1-3毫米；对接后对不锈钢钢板进行点焊定位，所述点焊定位的位置位于不锈钢钢板背面的对接接缝处；
(7)安装背保护工装：在不锈钢钢板背面的对接接缝部位安装背保护盒子；
(8)充背保护气体：焊前向背保护盒子内充入背保护气，所述背保护气体为90％体积百分比的氮气+10％体积百分比的氢气；
(9)焊接：焊接位置采用平焊、厚度覆盖范围3-16毫米，先进行两道TIG打底，再进行GMAW-P填充及盖面；
其中，所述TIG打底的焊接工艺参数为：电源极性为直流正接，TIG焊枪钨极类型为铈钨极WCe-20、直径为φ2.4mm；TIG焊枪喷嘴应选用内径为16mm的喷嘴，保护气体为98％体积百分比的氩气+2％体积百分比的氮气，保护气体流量为8-15L/min；第一道打底焊的焊接电流75-79A，电压11-12V，焊接速度3.84-4.16cm/min，热输入量0.71-0.90KJ/mm；第二道打底焊的焊接电流79-84A，焊接电压12-13V，焊接速度4.99-5.41cm/min，热输入量0.64-0.8KJ/mm；
其中，所述GMAW-P填充及盖面的焊接工艺参数为：电源极性为直流正接，保护气体为98％体积百分比的氩气+2％％体积百分比的二氧化碳，保护气体流量为20-25L/min；填充焊的焊接电流为130-139A,电压23-24V，焊接速度17.54-19cm/min，热输入量0.767-0.92KJ/mm；盖面焊的焊接电流为130-139A，焊接电压23-24V，焊接速度23.04-24.96cm/min，热输入量0.58-0.70KJ/mm，层间温度小于100摄氏度。
注意打底焊时，控制所述打底焊的总厚度不小于3mm，然后进行GMAW-P填充及盖面。
优选的，所述钢板预处理工序中，在表面预处理前做好不锈钢钢板的综合保护措施，所述综合保护措施包括如下内容：
(1)使用卡车运输不锈钢钢板时，应避免不锈钢钢板与卡车的钢质表面直接接触；
(2)需在木制专用搁架上堆放不锈钢钢板时，做好每张不锈钢钢板的保护工作，不可随意堆放在场地上，不锈钢钢板存放区域应与碳钢存储区域相分开；
(3)应使用专用吊具吊装不锈钢钢板，所述专用吊具包括不锈钢吸盘机、不锈钢钢板钩、竖吊钳以及抬吊钳，吊带需保持清洁度，严禁用钢丝绳吊运不锈钢钢板；
(4)需佩带干净的手套接触不锈钢钢板；
(5)需穿戴鞋套进行作业，禁止直接踩在不锈钢钢板上；
(6)不锈钢钢板下料切割采用激光切割机，不锈钢钢板现场切割采用便携式等离子切割机。
优选的，焊前的背部保护应保持密封，同时充入密封空间内10倍体积的保护气体。
优选的，每道焊接工序完成后，应使用不锈钢专用钢丝刷清理焊道间的氧化色。
在上述焊道间表面氧化色清理的基础上，为了使得焊道表面氧化色的清理更彻底，再使用激光清洗机进一步清理焊道间的氧化色。
优选的，本发明中的所述TIG焊机采用松下YC-400TX型TIG焊机；所述填充及盖面用的GMAW-P焊接设备使用松下YD-500GL4型数字脉冲气保焊机，焊枪型号YT-50CS。
优选的，所述TIG焊丝采用符合AWSA5.14：ERNiCrMo-3焊丝标准的韩国现代SMT625φ2.4焊丝；所述GMAW-P焊丝采用符合AWSA5.14：ERNiCrMo-3焊丝标准的韩国现代SMT625φ1.2焊丝。
本发明的有益效果是：
第一，本发明的一种超级双相不锈钢与超级奥氏体不锈钢的焊接工艺，选用低硫低磷，高钼、高铬、高镍的ERNiCrMo-3材料作为焊丝，能够兼顾超级双相不锈钢2507及超级奥氏体不锈钢254SMo焊接特点，并适应异种钢焊材焊接的特性，有利于获得极其优良的抗应力腐蚀破裂的性能及耐点腐蚀和耐晶间腐蚀的性能。
第二，本发明的一种超级双相不锈钢与超级奥氏体不锈钢的焊接工艺，采用TIG打底焊和GMAW-P填充及盖面焊的组合焊接方法，背保护气体采用90％的氮气+10％的氢气，打底焊的正面保护气体采用98％的氩气+2％的氮气，GMAW-P填充及盖面焊的正面保护气体采用98％的氩气+2％％的二氧化碳，并优化了各焊接工序中的电流、电压、焊接速度、热输入量等工艺参数，从而能够确保焊缝金属满足铁素体含量检测标准及点腐蚀性能的要求，由此提高了两种超级不锈钢的异种钢焊接后的性能和质量。
第三，本发明的一种超级双相不锈钢与超级奥氏体不锈钢的焊接工艺，焊道表面氧化色经过钢丝刷和激光清洗机的两次清理，有利于保证焊缝中的奥氏体和铁素体有一个合适的成分比例，从而进一步提高焊接接头的性能。
第四，本发明的一种超级双相不锈钢与超级奥氏体不锈钢的焊接工艺，在表面预处理前进行不锈钢钢板的综合保护措施较为全面，有利于防止有害元素渗透至不锈钢钢板表面，从而提高了焊缝的防腐蚀性能。
附图说明
图1是本发明的一种超级双相不锈钢与超级奥氏体不锈钢的焊接工艺的工艺流程示意图。
图2是坡口准备和焊接熔敷顺序的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1：
如图1至2所示为本发明的一种超级双相不锈钢与超级奥氏体不锈钢的焊接工艺的实施例，所述超级双相不锈钢为2507超级双相不锈钢，所述超级奥氏体不锈钢为254SMo超级奥氏体不锈钢，所述焊接工艺包括如下工艺步骤：
(1)钢板切割：采用2507和254SMo两种不锈钢钢板，分别按设计要求进行切割成形；
(2)焊丝选择：采用直径为φ2.4mm的焊丝作为打底用的TIG焊丝，采用直径为φ1.2mm的焊丝作为填充及盖面用的GMAW-P焊丝；其中，所述φ2.4mm的焊丝和直径为φ1.2mm的焊丝均为AWSA5.14：ERNiCrMo-3焊丝；
(3)焊接设备选择：打底用焊接设备使用TIG焊机，填充及盖面用的GMAW-P焊接设备使用数字脉冲气保焊机；
(4)坡口准备：在需要焊接的2507和254SMo两种不锈钢钢板的对接处打好焊接坡口，所述焊接坡口采用对接V型坡口，所述对接V型坡口的坡口角度为70°±5°；所述对接V型坡口的底部钝边的高度为0-1mm；
(5)钢板预处理：焊接前对不锈钢钢板的焊接坡口区域进行表面预处理，所述表面预处理包括使用不锈钢抛光片对焊接坡口区域进行抛光处理；
(6)钢板拼接和定位：将两种不锈钢钢板对接成V型坡口，所述对接V型坡口的对接间隙为1-3毫米；对接后对不锈钢钢板进行点焊定位，所述点焊定位的位置位于不锈钢钢板背面的对接接缝处；
(7)安装背保护工装：在不锈钢钢板背面的对接接缝部位安装背保护盒子；
(8)充背保护气体：焊前向背保护盒子内充入背保护气，所述背保护气体为90％体积百分比的氮气+10％体积百分比的氢气；
(9)焊接：焊接位置采用平焊、厚度覆盖范围3-16毫米，先进行两道TIG打底，再进行GMAW-P填充及盖面；
其中，所述TIG打底的焊接工艺参数为：电源极性为直流正接，TIG焊枪钨极类型为铈钨极WCe-20、直径为φ2.4mm；TIG焊枪喷嘴应选用内径为16mm的喷嘴，保护气体为98％体积百分比的氩气+2％体积百分比的氮气，保护气体流量为8-15L/min；第一道打底焊的焊接电流75-79A，电压11-12V，焊接速度3.84-4.16cm/min，热输入量0.71-0.90KJ/mm；第二道打底焊的焊接电流79-84A，焊接电压12-13V，焊接速度4.99-5.41cm/min，热输入量0.64-0.8KJ/mm；
其中，所述GMAW-P填充及盖面的焊接工艺参数为：电源极性为直流正接，保护气体为98％体积百分比的氩气+2％％体积百分比的二氧化碳，保护气体流量为20-25L/min；填充焊的焊接电流为130-139A,电压23-24V，焊接速度17.54-19cm/min，热输入量0.767-0.92KJ/mm；盖面焊的焊接电流为130-139A，焊接电压23-24V，焊接速度23.04-24.96cm/min，热输入量0.58-0.70KJ/mm，层间温度小于100摄氏度。
注意打底焊时，控制所述打底焊的总厚度不小于3mm，然后进行GMAW-P填充及盖面；
优选的，所述钢板预处理工序中，在表面预处理前做好不锈钢钢板的综合保护措施，所述综合保护措施包括如下内容：
(1)使用卡车运输不锈钢钢板时，应避免不锈钢钢板与卡车的钢质表面直接接触；
(2)需在木制专用搁架上堆放不锈钢钢板时，做好每张不锈钢钢板的保护工作，不可随意堆放在场地上，不锈钢钢板存放区域应与碳钢存储区域相分开；
(3)应使用专用吊具吊装不锈钢钢板，所述专用吊具包括不锈钢吸盘机、不锈钢钢板钩、竖吊钳以及抬吊钳，吊带需保持清洁度，严禁用钢丝绳吊运不锈钢钢板；
(4)需佩带干净的手套接触不锈钢钢板；
(5)需穿戴鞋套进行作业，禁止直接踩在不锈钢钢板上；
(6)不锈钢钢板下料切割采用激光切割机，不锈钢钢板现场切割采用便携式等离子切割机。
优选的，焊前的背部保护应保持密封，同时充入密封空间内10倍体积的保护气体。
优选的，每道焊接工序完成后，应使用不锈钢专用钢丝刷清理焊道间的氧化色。
在上述焊道间表面氧化色清理的基础上，为了使得焊道表面氧化色的清理更彻底，再使用激光清洗机进一步清理焊道间的氧化色。
优选的，本发明中的所述TIG焊机采用松下YC-400TX型TIG焊机；所述填充及盖面用的GMAW-P焊接设备使用松下YD-500GL4型数字脉冲气保焊机，焊枪型号YT-50CS。
优选的，所述TIG焊丝采用符合AWSA5.14：ERNiCrMo-3焊丝标准的韩国现代SMT625φ2.4焊丝；所述GMAW-P焊丝采用符合AWSA5.14：ERNiCrMo-3焊丝标准的韩国现代SMT625φ1.2焊丝。
实施例2：
在实施例1的基础上，进一步将TIG打底焊和GMAW-P填充及盖面焊的焊接工艺参数，具体如下：
其中，所述TIG打底的焊接工艺参数为：电源极性为直流正接，TIG焊枪钨极类型为铈钨极WCe-20、直径为φ2.4mm；TIG焊枪喷嘴应选用内径为16mm的喷嘴，保护气体为98％体积百分比的氩气+2％体积百分比的氮气，保护气体流量为12L/min；第一道打底焊的焊接电流75-79A，电压11-12V，焊接速度4cm/min，热输入量
0.71-0.90KJ/mm；第二道打底焊的焊接电流82A，焊接电压12-13V，焊接速度5cm/min，热输入量0.64-0.8KJ/mm；
其中，所述GMAW-P填充及盖面的焊接工艺参数为：电源极性为直流正接，保护气体为98％体积百分比的氩气+2％％体积百分比的二氧化碳，保护气体流量为22L/min；填充焊的焊接电流为130-139A,电压23-24V，焊接速度18cm/min，热输入量0.767-0.92KJ/mm；盖面焊的焊接电流为130-139A，焊接电压23-24V，焊接速度24cm/min，热输入量0.58-0.70KJ/mm，层间温度小于100摄氏度。
实施例3：
采用实施例1和实施例2的焊接工艺，进行超级双相不锈钢2507和超级奥氏体不锈钢为254SMo的异种钢焊接试验，将焊接试板按照对应检测标准的试样尺寸要求加工，以美国船级社(ABS)材料与焊接规范为指导文件，进行下列项目检测，见下表：
Figure BDA0002101058430000091
Figure BDA0002101058430000101
Figure BDA0002101058430000111
将以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种超级双相不锈钢与超级奥氏体不锈钢的焊接工艺，其特征在于，所述超级双相不锈钢为2507超级双相不锈钢，所述超级奥氏体不锈钢为254SMo超级奥氏体不锈钢，所述焊接工艺包括如下工艺步骤：
（1）钢板切割：采用2507和254SMo两种不锈钢钢板，分别按设计要求进行切割成形；所述两种不锈钢钢板的厚度为8mm；
（2）焊丝选择：采用直径为φ2.4mm的焊丝作为打底用的TIG焊丝，采用直径为φ1.2mm的焊丝作为填充及盖面用的GMAW-P焊丝；其中，所述φ2.4mm的焊丝和直径为φ1.2mm的焊丝均为AWSA5.14：ERNiCrMo-3焊丝；
（3）焊接设备选择：打底用焊接设备使用TIG焊机，填充及盖面用的GMAW-P焊接设备使用数字脉冲气保焊机；
（4）坡口准备：在需要焊接的2507和254SMo两种不锈钢钢板的对接处打好焊接坡口，所述焊接坡口采用对接V型坡口，所述对接V型坡口的坡口角度为70°±5°；所述对接V型坡口的底部钝边的高度为0-1mm；
（5）钢板预处理：焊接前对不锈钢钢板的焊接坡口区域进行表面预处理，所述表面预处理包括使用不锈钢抛光片对焊接坡口区域进行抛光处理；
（6）钢板拼接和定位：将两种不锈钢钢板对接成V型坡口，所述对接V型坡口的对接间隙为1-3毫米；对接后对不锈钢钢板进行点焊定位，所述点焊定位的位置位于不锈钢钢板背面的对接接缝处；
（7）安装背保护工装：在不锈钢钢板背面的对接接缝部位安装背保护盒子；
（8）充背保护气体：焊前向背保护盒子内充入背保护气，所述背保护气体为90％体积百分比的氮气+10％体积百分比的氢气；
（9）焊接：焊接位置采用平焊、厚度覆盖范围3-16毫米，先进行两道TIG打底，再进行GMAW-P填充及盖面；
其中，焊前的背部保护应保持密封，同时充入密封空间内10倍体积的保护气体；
其中，所述TIG打底的焊接工艺参数为：电源极性为直流正接，TIG焊枪钨极类型为铈钨极WCe-20、直径为φ2.4mm；TIG焊枪喷嘴应选用内径为16mm的喷嘴，保护气体为98%体积百分比的氩气+2%体积百分比的氮气，保护气体流量为8-15L/min；第一道打底焊的焊接电流75-79A，电压11-12V，焊接速度3.84-4.16cm/min，热输入量0.71-0.90KJ/mm；第二道打底焊的焊接电流79-84A，焊接电压12-13V，焊接速度4.99-5.41cm/min，热输入量0.64-0.8KJ/mm；
其中，所述GMAW-P填充及盖面的焊接工艺参数为：电源极性为直流正接，保护气体为98%体积百分比的氩气+ 2%％体积百分比的二氧化碳，保护气体流量为20-25L/min；填充焊的焊接电流为130-139A,电压23-24V，焊接速度17.54-19cm/min，热输入量0.767-0.92KJ/mm；盖面焊的焊接电流为130-139A，焊接电压23-24V，焊接速度23.04-24.96cm/min，热输入量0.58-0.70KJ/mm，层间温度小于100摄氏度。
2.根据权利要求1所述的一种超级双相不锈钢与超级奥氏体不锈钢的焊接工艺，其特征在于，打底焊时，控制所述打底焊的总厚度不小于3mm，然后进行GMAW-P填充及盖面。
3.根据权利要求1所述的一种超级双相不锈钢与超级奥氏体不锈钢的焊接工艺，其特征在于，所述钢板预处理工序中，在表面预处理前做好不锈钢钢板的综合保护措施，所述综合保护措施包括如下内容：
（1）使用卡车运输不锈钢钢板时，应避免不锈钢钢板与卡车的钢质表面直接接触；
（2）需在木制专用搁架上堆放不锈钢钢板时，做好每张不锈钢钢板的保护工作，不可随意堆放在场地上，不锈钢钢板存放区域应与碳钢存储区域相分开；
（3）应使用专用吊具吊装不锈钢钢板，所述专用吊具包括不锈钢吸盘机、不锈钢钢板钩、竖吊钳以及抬吊钳，吊带需保持清洁度，严禁用钢丝绳吊运不锈钢钢板；
（4）需佩带干净的手套接触不锈钢钢板；
（5）需穿戴鞋套进行作业，禁止直接踩在不锈钢钢板上；
（6）不锈钢钢板下料切割采用激光切割机，不锈钢钢板现场切割采用便携式等离子切割机。
4.根据权利要求1所述的一种超级双相不锈钢与超级奥氏体不锈钢的焊接工艺，其特征在于，每道焊接工序完成后，使用不锈钢专用钢丝刷清理焊道间的氧化色。
5.根据权利要求4所述的一种超级双相不锈钢与超级奥氏体不锈钢的焊接工艺，其特征在于，再使用激光清洗机进一步清理焊道间的氧化色。
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