CN110576273A - 用于lng超低温不锈钢焊接的金属材料、工艺及制品 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于LNG超低温不锈钢焊接的金属材料、工艺及制品，设计焊材的组分和结构，使焊缝中的铁素体含量降低，使其残留的铁素体比例降低到≤1.0％，焊接时采用不锈钢麻花焊丝，焊接方式为氩弧焊打底，氩弧焊填充盖面或埋弧焊填充盖面，控制焊接的工艺参数，使得焊接线能量≤13KJ/cm，同时设定焊接保护气体的配方，焊接的同时辅助高频振动，优化焊接质量，本发明明显改善焊缝金属的塑性和韧性，大大降低焊接残余应力，提高焊接效率。

Description

用于LNG超低温不锈钢焊接的金属材料、工艺及制品

技术领域

本发明属于LNG不锈钢设备和管道的焊接制造领域。

背景技术

由于奥氏体不锈钢材料涉及到膨胀系数大、导热系数低，奥氏体不锈钢不锈钢LNG设备的焊缝性能难以满足超低温冲击要求。究其原因，存在以下几方面因素：

1、焊缝金属中残留的铁素体的负面影响：

按现有常规理论，奥氏体不锈钢焊缝金属中通常要有4～10％的铁素体，在有些技术文件规定中也会有类似表述或要求，有的要求铁素体残余量为4～10％，有的要求3～12％。因为焊缝金属中的铁素体残留会带来结晶模式的先后变化，这样在焊接时才不会发生焊接热裂纹，故焊材成分设计中重点考虑了铁素体比例对焊接过程的影响，某些行业标准也将其纳入规范要求。这些有残余铁素体含量的焊材在焊接过程的热裂纹虽然避免了，但残留的铁素体对焊接接头的耐高温性能和超低温性能均产生极大的负面影响。不锈钢残留的铁素体对碳和氮的溶解度极低，如果焊接热输入量过大，在高温段停留时间较长，在铁素体边界会有严重的敏化物析出。

2、焊条药皮参与冶金活动的负面影响：

目前的焊接材料大多是焊条电弧焊焊接的，而焊条药皮都是由脱氧剂、稳弧剂、脱渣剂等低熔点矿物质成分组成，在焊接过程中难以避免地会有微观细小的夹杂物残留于焊缝中心，被动地参与了冶金活动。这些低熔点的氧化性夹杂物在高温状态下会发生溶解，导致焊缝强度大幅下降，在应力松弛作用下也会造成焊缝撕裂。

3、焊接应力过大的负面影响：

由于奥氏体不锈钢导热性差，热膨胀系数大，多道次焊接的焊接应力会逐步递增，这是造成焊接应力大的重要原因。

专利：一种奥氏体不锈钢中厚板的组合焊接方法(201510292541.0)，提出了利用铜板水冷导热进行焊接的方法来解决不锈钢导热性能差的问题，但并不实用，对于厚度20mm以上厚壁设备的焊接，利用铜板导热已经难以解决不锈钢快速散热问题，实用价值不大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种LNG超低温不锈钢的焊接材料及焊接工艺，从降低焊缝铁素体含量和改善焊接方法以及焊接材料几方面入手来提高焊缝金属的综合性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：用于LNG超低温不锈钢焊接的金属材料，其特征在于，所述的焊接材料各组分按重量百分比计算为：C≤0.03％，Si≤0.6％，Mn:2.5～ 5.5％，Cr:17.0～19.0％，Ni:11～18％，Mo:0.1～5％，N：0.08～0.25％，S≤0.008％，P≤0.035％， Sr:0.002～0.05％。

LNG超低温不锈钢的焊接工艺，，所述焊接工件为管道对接、平板对接和角焊缝焊接，坡口型式设计为单面U型、单面V型，筒体焊接设计为双面X型坡口，钝边1～3mm，组对间隙 0～4mm，坡口单边角度15～30°，其特征在于，包括如下内容：

S1)焊材组分设计：

为保证焊缝金属具有极低的铁素体残留，坯料冶炼时将奥氏体的形成元素Ni的含量适当提高，提高Mn和N元素的含量，并降低影响铁素体形成的元素，将Cr和Si向材料规定的下限进行控制，使焊缝中的铁素体含量降低，使其残留的铁素体比例降低到1％以下；

S2)选择焊接方法：

采用氩弧焊打底、氩弧焊填充盖面或埋弧焊填充盖面的焊接方法；

S3)焊材结构设计：

通过电炉冶炼、浇注并轧制成盘圆坯料，再拔制成细丝，经捻股制成麻花焊丝；

S4)焊接线能量控制：

氩弧焊焊接的线能量为≤10KJ/cm，埋弧焊焊接的线能量≤13KJ/cm；

S5)焊接保护气体组分设计：

N₂：0.3～2％，余量为Ar

或N₂：0.8～2％，O₂：0.8～2％，余量为Ar

或N₂：0.8～2％，O₂：0.8～2％，He：20～40％，余量为Ar；

S6)辅助焊接：

在焊接母材上固定超声振动器和/或机械振动装置进行高频振动，消除和降低焊接残余应力。

按上述方案，步骤S3)中所述麻花焊丝由7～150根经过拉拔的细丝捻股而成，麻花焊丝的每盘长度超过100米，用自动送丝机进行送丝。

按上述方案，步骤S4)中所述线能量控制的焊接工艺参数为：

氩弧焊：麻花焊丝填充和盖面的焊丝直径为焊接电流为80～300A，电压为12～30V，焊接速度为15～30cm/min；

埋弧焊：麻花焊丝的焊丝直径为焊接电流为200～500A，电压为20～40V，焊接速度为60～120cm/min。

采用权利要求1所述的用于LNG超低温不锈钢焊接的金属材料的制品，其特征在于，所述制品包括无缝钢管、板材及锻件。

本发明的有益效果是：提供一种用于LNG超低温不锈钢焊接的金属材料、工艺及制品，焊材的铁素体含量控制为≤1.0％，明显改善焊缝金属的塑性和韧性。焊接时采用不锈钢麻花焊丝，和焊条电弧焊相比，无需清理焊渣和打磨焊缝表面，使焊接效率大大提高，与手工氩弧焊的单根焊丝相比，麻花焊丝残留部分小于1％，其浪费率极低，焊接时的热输入量大大低于实芯焊丝，不仅节省能耗，而且还大大降低焊接残余应力，提高焊接效率。麻花焊丝可以通过拉丝捻股成长度大于100米的盘，利用自动送丝机构进行半自动和自动化焊接；在焊接过程中进行同步振动，使焊接过程中的液态金属在凝固瞬间达到无应力或低应力的凝固状态，以消除和降低焊接残余应力。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

一种LNG超低温不锈钢的焊接工艺，焊接工件为管道对接、平板对接和角焊缝焊接，坡口型式设计为单面U型、单面V型，筒体焊接设计为双面X型坡口，钝边1～3mm，组对间隙 0～4mm，坡口单边角度15～30°，焊接方法为氩弧焊打底，氩弧焊填充盖面或埋弧焊填充盖面。

1、焊接所使用焊材的铁素体含量控制为≤1.0％

不管是高温环境使用的不锈钢材料，还是极低温环境使用的不锈钢材料，对焊接接头铁素体含量的控制意义重大。

由于铁素体相比例的大幅降低，使重新再结晶的铁素体面积大大减少，碳化物在铁素体晶粒边界析出的总量也随之大幅降低，可以明显改善焊缝金属的塑性和韧性。

铁素体具有明显的低温脆性，在奥氏体不锈钢焊缝中残留的铁素体越多，其低温脆性敏感性就越大。根据目前奥氏体不锈钢焊接材料的设计原则，大约有3～16％的铁素体残留，目的是为了抑制焊缝的结晶裂纹，这主要是考虑焊接的工艺性能，但在使用方面的负面影响并没有深入研究。

对铁素体下限进行控制并不是使用要求，而是保焊接工艺性能的指标，对铁素体含量的下限值进行具体规定是不科学也是不合理的。

本发明提供一种用于LNG超低温不锈钢焊接的金属材料，其各组分按重量百分比计算为： C≤0.03％，Si≤0.6％，Mn:2.5～5.5％，Cr:17.0～19.0％，Ni:11～18％，Mo:0.1～5％，N：0.08～ 0.25％，S≤0.008％，P≤0.035％，Sr:0.002～0.05％。

Sr(锶)是一种活泼金属，在冶金业中有很好的脱氧、脱硫和脱磷效果，一般多用在铝合金中作为改性变质剂。在本技术方案中主要是起到脱硫和脱磷的作用，以改善和提高不锈钢坯料的冶金性能。锶元素冶金加入的时机为合金调整完成之后而氮调整之前添加，以铝锶中间合金进行加入，钢中氮调整合格后不得再加入铝锶中间合金。

2、焊接方法的选择：

用氩弧焊和埋弧焊的麻花焊丝进行焊接。

焊条的药皮成分主要是一些氧化性能很好的矿物质，主要起脱渣、稳弧和脱氧的作用，在焊条焊接过程中焊条药皮夹渣来不及浮出熔池而残留在焊缝内部，焊缝表面焊渣可以通过锤击和打磨清理掉，但焊缝内部的微小夹杂物根部无法彻底清除，但却又属于无损检测的合格范围。这些微小夹杂物的残留降低了焊接接头的高温强度和抗高温蠕变性能，故本方案不使用焊条电弧焊的焊接方法，而采用氩弧焊或氩弧焊+埋弧焊的焊接方法进行焊接。

由于现有的氩弧焊焊接速度较低，不能满足大规模工业化生产需求。而埋弧焊的焊接线能量又较大，在焊缝及热影响区容易产生敏化析出。

本发明专利的焊材采用麻花焊丝，将单根实芯焊丝拉拔成细丝并捻股加工成7～150根的多股麻花焊丝，用于氩弧焊和埋弧焊进行焊接。

焊材使用铁素体含量≤1％的奥氏体不锈钢焊材，通过其调整成分配方经电炉冶炼、浇注并轧制成盘圆坯料，再拔制成细丝，经捻股而成麻花焊丝。氩弧焊焊接时，弧柱对焊丝产生多面积穿透传导效应使多股焊丝快速熔化，以达到高速焊接的目的。

埋弧焊用麻花焊丝是用焊丝作熔化极，而电流损失的多少与导线的外表面积有极大的关系。电流通过实芯焊丝外表面传导到焊丝末端，再对焊丝进行熔化，通过焊丝外表面传导来熔化焊丝芯部所需要的能量较大且慢。当实芯焊丝由单根变成许多根细丝组合而成麻花焊丝以后，其电流通过麻花焊丝的表面积大大增加，此时电流传导时的电阻最小化，作用于焊丝电极熔化的能量也随之最大化，所以麻花焊丝的熔化速度远大于单根实芯焊丝。这就是集肤效应的原理，通过集肤效应的传导作用直接作用于每根细焊丝的端部，每根焊丝都不存在向芯部传导热能的问题，实现快速熔化，大大降低焊接能量，使焊接变形量和焊接应力也大大降低。

氩弧焊是电流通过钨极传导的高频高压穿透氩气进行导电并促使焊丝熔化的一种焊接方式，电流并不从焊丝上进行传导。但，多股麻花焊丝在电弧燃烧时由于焊丝之间空隙率的影响，使热能迅速传到至焊丝芯部，实现了快速熔化的目的。麻花焊丝焊接热输入量很低，液态金属的铺展性能很好。正是因为焊接热输入小，所以焊接应力相应也小。并可以实现自动送丝的半自动化焊接，其焊接效率大大提高。

埋弧焊的焊剂与焊条药皮的作用相似，但又有所不同，焊条药皮使用了粘附剂并通过热烘烤将其与焊条粘接在一起，焊接时与焊芯一起在电弧作用下产生燃烧搅拌作用，直接参与了焊缝金属的冶金活动，难免会有部分药皮成分残留于焊缝金属。而埋弧焊使用的是药剂，焊丝与药剂本质上是分离的，焊接时，焊剂熔解后完全飘浮于焊道上面，只是起到了隔离空气的作用，形成很好的气氛保护作用，麻花焊丝在熔敷焊接过程中不可能有药剂参与冶金活动，其在焊道中残留的夹杂物则比焊条电弧焊要少得多。故本发明的技术方案不采用焊条电弧焊焊接，仅采用氩弧焊和埋弧焊的焊接方法。

以下是氩弧焊实芯焊丝与麻花焊丝焊接参数的比较：

氩弧焊实芯焊丝和麻花焊丝的焊接参数比较

从表中可以看出，和的麻花焊丝，其焊接热输入量均≤10KJ/cm，远低于手工实芯焊丝氩弧焊的焊接热输入量。

麻花焊丝自动送丝与手工送丝的实芯焊丝相比，焊接效率提高3倍以上，线能量大大降低，熔敷效率大大提高。

以下是埋弧焊实芯焊丝与麻花焊丝焊接参数的比较：

埋弧焊实芯焊丝和麻花焊丝的焊接参数比较

埋弧焊麻花焊丝的焊接线能量只有10.8KJ/cm。与实芯埋弧焊丝焊接相比，焊接效率高，热输入量很低。

3、采用超声波振动进行辅助焊接：

在焊接过程中进行同步振动，使焊接过程中的液态金属在凝固瞬间达到无应力或低应力的凝固状态。

对于管道的焊接，可以直接使用超声波振动器进行高频振动。焊接过程中，焊道中的液态金属向固态转变过程中，由于超声波的高频微振动作用，使其达到焊后应力极低的水平。

对于板材筒体焊接，同样在焊道两侧进行高频超声波振动，促使焊道中液态金属向固态金属转变过程中使收缩应力降到极低。

实施例一

304L管道对接焊，管道直径450mm，壁厚25mm。

坡口角度：单边15～35°，坡口型式U型或V型，钝边：1～3mm，组对间隙3.0^±1.0。用机械方法加工出满足工艺要求的坡口角度和钝边尺寸。

自保护氩弧焊+麻花焊丝氩弧焊焊接：采用自保护实芯氩弧焊丝一遍打底，氩弧焊麻花焊丝填充及盖面。

焊材成分设计铁素体含量基本为0的纯奥氏体不锈钢成分，其成分配方为：

C:0.03％，Cr:18.1％，Si:0.5％，Ni:13％，Mn：4.3％，N:0.15％，S:0.002％，P：0.030％， Sr:0.005。

组装后，进行根部打底，打底焊用的自保护氩弧焊焊丝进行焊接，以确保根部焊道背面不被过度氧化，打底焊的焊接电流180A，电压14V，焊接速度8cm/min。

打底完成后用用麻花焊丝氩弧焊进行填充和盖面焊接，焊接电流为210A，电压16V，焊接速度20cm/min，焊接线能量为7.05KJ/cm。焊接时采用多层多道，每层单道焊缝的摆动宽度不超过12mm。

焊接时，层间温度控制为≤120℃，控制合理的焊接工艺参数，确保焊接热输入量≤10KJ，保持所有焊道的焊缝颜色为金黄色。

实施例二

S30403不锈钢设备钢板卷制对接焊，设备直径1800mm，环缝和纵缝焊接，材料壁厚16mm。

采用氩弧焊麻花焊丝打底+埋弧焊填充及盖面。

坡口型式为U型、V型或X型坡口，钝边厚度1.0～2.0，组对间隙2.5^±1.0。

用直径的麻花焊丝氩弧焊打底，再用的埋弧焊麻花焊丝填充，直至盖面焊接完成。背面焊道用不锈钢专用砂轮机或钢刷清理焊道后，用氩弧焊麻花焊丝填充焊接完成或埋弧焊麻花焊丝焊接完成。

焊材选用设计铁素体含量基本为0的纯奥氏体不锈钢成分，其成分配方为：

C:0.03％，Cr:18.1％，Si:0.5％，Ni:13％，Mn：4.3％，N:0.15％，S:0.002％，P：0.030％， Sr:0.005。

焊接时，层间温度控制为≤120℃，控制合理的焊接工艺参数，保持所有焊道的焊缝颜色为金黄色。

麻花焊丝打底的焊接电流为180A，电压14V，焊接速度12～15cm/min，焊接线能量控制在≤10KJ/cm。

若采用麻花焊丝氩弧焊填充焊时，其焊丝焊接电流为220A，电压14V，焊接速度 25cm/min，焊接线能量仅有7.39KJ/cm。

当采用埋弧焊填充和盖面时，焊丝焊接电流为400A，电压34V，焊接速度90cm/min，焊接线能量仅有9.07KJ/cm。

用以上化学成分配方、特殊气体配比、特殊焊材以及很低的焊接参数进行焊接，其氩弧焊焊接焊缝的常温冲击值≥150J，埋弧焊焊缝的冲击值≥100J，其它各方面性能指标都满足工艺要求。氩弧焊焊缝金属的超低温冲击值≥80J，埋弧焊焊缝的超低温冲击值≥60J。

虽然在本技术方案中焊材铁素体残余量设计≤1％，但由于对实芯焊丝进行了多股多丝的结构调整，使其焊接线能量大大降低，确保了焊接速度的提高，并不会因为焊接效率的提高而产生凝固裂纹，其安全可靠性大大提高。

采用本技术发明的技术方案焊接的焊缝金属在超低温环境中的冲击韧性远远优于308L等含3～15％铁素体残留的焊缝金属，将是超低温工程应用中非常好的替代焊材。

本发明还提供了采用上述焊接的金属材料的金属制品，包括成分配方相同的无缝钢管、板材及锻件。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.用于LNG超低温不锈钢焊接的金属材料，其特征在于，所述的焊接材料各组分按重量百分比计算为：C≤0.03％，Si≤0.6％，Mn:2.5～5.5％，Cr:17.0～19.0％，Ni:11～18％，Mo:0.1～5％，N：0.08～0.25％，S≤0.008％，P≤0.035％，Sr:0.002～0.05％。

2.LNG超低温不锈钢的焊接工艺，所述焊接工件为管道对接、平板对接和角焊缝焊接，坡口型式设计为单面U型、单面V型，筒体焊接设计为双面X型坡口，钝边1～3mm，组对间隙0～4mm，坡口单边角度15～30°，其特征在于，包括如下内容：

S1)焊材组分设计：

为保证焊缝金属具有极低的铁素体残留，坯料冶炼时将奥氏体的形成元素Ni的含量适当提高，提高Mn和N元素的含量，并降低影响铁素体形成的元素，将Cr和Si向材料规定的下限进行控制，使焊缝中的铁素体含量降低，使其残留的铁素体比例降低到1％以下；

S2)选择焊接方法：

采用氩弧焊打底、氩弧焊填充盖面或埋弧焊填充盖面的焊接方法；

S3)焊材结构设计：

通过电炉冶炼、浇注并轧制成盘圆坯料，再拔制成细丝，经捻股制成麻花焊丝；

S4)焊接线能量控制：

氩弧焊焊接的线能量为≤10KJ/cm，埋弧焊焊接的线能量≤13KJ/cm；

S5)焊接保护气体组分设计：

N₂：0.3～2％，余量为Ar

或N₂：0.8～2％，O₂：0.8～2％，余量为Ar

或N₂：0.8～2％，O₂：0.8～2％，He：20～40％，余量为Ar；

S6)辅助焊接：

在焊接母材上固定超声振动器和/或机械振动装置进行高频振动，消除和降低焊接残余应力。

3.根据权利要求2所述的LNG超低温不锈钢的焊接工艺，其特征在于，步骤S3)中所述麻花焊丝由7～150根经过拉拔的细丝捻股而成，麻花焊丝的每盘长度超过100米，用自动送丝机进行送丝。

4.根据权利要求2所述的LNG超低温不锈钢的焊接工艺，其特征在于，步骤S4)中所述线能量控制的焊接工艺参数为：

氩弧焊：麻花焊丝填充和盖面的焊丝直径为焊接电流为80～300A，电压为12～30V，焊接速度为15～30cm/min；

埋弧焊：麻花焊丝的焊丝直径为焊接电流为200～500A，电压为20～40V，焊接速度为60～120cm/min。

5.采用权利要求1所述的用于LNG超低温不锈钢焊接的金属材料的制品，其特征在于，所述制品包括无缝钢管、板材及锻件。