CN111716030A - 奥氏体不锈钢结构件与低合金铸钢件的组合焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于焊接技术领域，特别涉一种奥氏体不锈钢结构件与低合金铸钢件的组合焊接方法，克服现有技术的不足，创造性提出了从焊接位置、同一焊缝两侧不同预热温度等关键控制方案，适用于因导热性和熔点差异大、密度完全不同、膨胀系数差异明显等焊接性差异较大且在复杂条件下的异种钢结构焊焊接，在不影响低合金钢淬硬基础上间歇性提高奥氏体接管一侧焊接冷却速度，有效降低两种材料焊接的差异性从而减少缺陷产生的几率，操作工艺简单，可操作性强，实际生产中，一次焊补合格率可达98％以上，返修质量提升90％以上，更降低了奥氏体结构件变形导致报废风险，缩短生产周期，确保铸件满足生产需求。

Description

奥氏体不锈钢结构件与低合金铸钢件的组合焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，特别涉一种奥氏体不锈钢结构件与低合金铸钢件的组合焊接方法。
背景技术
随着时代的发展，对于金属材料而言迎来了新的挑战，在保证成本不显著增加的情况下，不仅要求拥有良好的综合力学性能，还需要具有现场安装的可焊性及可操作性。其中大型低合金铸钢件上焊接奥氏体不锈钢结构件的焊接技术，大型低合金铸钢件属于G17CrMo9-10贝氏体组织材料，奥氏体不锈钢结构件属于和0Cr18Ni10材料；贝氏体组织是钢中过冷奥氏体的中温(Ms～550℃)转变产物,α-Fe和Fe3C的复相组织，导热性好，熔点高，属于铁磁性材料，线膨胀系数较大，密度大，而0Cr18Ni10为奥氏体组织材料，无磁性材料，与贝氏体相比，奥氏体的密度小且导热性差，熔点低，线膨胀系数大，比铁素体和渗碳体的平均线性膨胀系数高约一倍。目前针对异种钢材料结构焊多以手工焊横焊方式焊接为主，但在以上材料焊接时，由于两者密度和线性膨胀系数等差异性较大，在焊接热源作用下，熔池内部和熔池边缘的液态金属温度、机械搅拌作用及液态金属停留时间等都不同，导致在奥氏体不锈钢结构件一侧经常出现比较密集孔状缺陷和未熔合缺陷，同时由于不合理的预热在靠近低合金铸钢件一侧易出现裂纹类缺陷。
发明内容
本发明提供一种奥氏体不锈钢结构件与低合金铸钢件的组合焊接方法，克服现有技术的不足，创造性提出了从焊接位置、同一焊缝两侧不同预热温度等关键控制方案。适用于因导热性和熔点差异大、密度完全不同、膨胀系数差异明显等焊接性差异较大且在复杂条件下的异种钢结构焊焊接，通过关键技术点控制预防焊接缺陷产生，提高结构件焊接合格率，确保铸件满足生产需求。
一种奥氏体不锈钢结构件与低合金铸钢件的组合焊接方法，包括以下步骤：
结构件与铸钢件对接：将奥氏体不锈钢结构件与低合金铸钢件对接，在对接部位的坡口焊缝周边点焊。
打底焊焊接：将铸件置于水平位置，坡口焊缝处于横焊位置，采用氩弧焊分段打底焊方式进行打底焊焊接；焊接材料为ERNiCr-3，焊接方式为两个操作工同时对称进行焊接。
预热处理：调整铸件放置位置，将铸件侧立放置，坡口焊缝处于立焊位置；对铸件进行预热处理，奥氏体结构件坡口的一侧预热温度为60℃～100℃，低合金铸钢件坡口的一侧预热温度为大于170℃。由于两种材料密度相差较大，焊接性能完全不同，持续的热输入或不合理的预热方式都将影响焊缝及其两侧液态金属凝固速度，进而影响焊接质量，因此需要将铸件侧立调整，使坡口焊缝处于立焊位置。其中由于低合金铸钢件的材质为G17CrMo9-10，属于低合金耐热钢，碳当量0.65％以上，焊接性较差焊接后易在焊缝及近缝区形成淬火组织，其塑韧性较差，且结构刚度又较大，冷裂倾向较为严重，因此焊前必须进行至少170℃以上预热。由于奥氏体结构件的材质为0Cr18Ni10，属于奥氏体不锈钢，其焊接性良好，但这类钢加热至427℃以上时就会发生敏华而损害耐腐蚀性能，所以这类钢焊接时一般不能使铸件过热，故一般焊前不进行预热或轻微预热。考虑到本结构焊接的特殊性，该材质焊接预热温度宜控制在60℃～100℃，同时焊接过程中间歇性降温冷却。
填充盖面焊接：采用多层多道焊接顺序进行填充盖面焊接，首先焊接奥氏体结构件坡口焊缝的一侧，然后焊接低合金铸钢件坡口焊缝的一侧，最后焊接坡口焊缝的中间；所有焊接过程圆滑过渡，避免尖角存在。
焊后热处理：焊接完成后，对奥氏体不锈钢结构件与低合金铸钢件进行低温消应力处理。
为了更好的实现本发明，所述步骤打底焊焊接中，分段打底焊划分为8～16段，焊接长度为40mm～60mm点固焊缝。
为了更好的实现本发明，所述预热处理步骤中，预热方式为在远离低合金铸钢件坡口焊缝的一侧200mm部位的内侧架设半圆形天然气预热管，预热管火焰方向偏向铸钢件的一侧，预热管火焰方向与待焊接面呈30°～45°角；为了防止天然气火焰直接加热奥氏体结构件，奥氏体结构件通过低合金铸钢件侧的热传导方式进行预热。预热时需要使低合金铸钢件的坡口部位的温度达到170℃～180℃，并实时监控奥氏体结构件的坡口部位一侧的温度，当此部位的温度大于100℃时，在奥氏体结构件的坡口部位外周采用潮湿的棉布遮盖，遮盖厚度为2mm～6mm，这样可以降低奥氏体结构件的坡口部位的温度。
为了更好的实现本发明，所述填充盖面焊接步骤中，焊接材料为ENiCrFe-3，焊接总要求：焊接时从奥氏体结构件向上由两个操作工同时焊接，焊接前在奥氏体结构件的坡口部位外周上的潮湿的棉布上喷水，保证此部位的温度低于100℃后，立即采用直接为3.2mm的焊条在奥氏体结构件的坡口侧进行不摆动熔覆焊接，焊接的同时在棉布上进行喷水降温，但是禁止将水直接喷溅到熔池和铸件的一侧。并且焊接奥氏体结构件坡口焊缝的一侧时，焊接工艺参数为：电流：85±10A，焊接速度＞130mm/min，层间温度＜150℃。焊接低合金铸钢件坡口焊缝的一侧时，焊接工艺参数为：电流：95±10A，焊接速度＞70mm/min，摆动宽度＜110mm，层间温度＜260℃。焊接坡口焊缝的中间时，焊接工艺参数为：电流：85±10A，焊接速度＞70mm/min，摆动宽度＜110mm，层间温度＜200℃。
为了更好的实现本发明，由于大型低合金铸钢件在大量焊接过程中易导致焊接残余应力发生，且奥氏体不锈钢结构件与低合金铸钢件的组合焊接难点主要在于既要最大限度降低焊缝焊接应力，同时又要防止奥氏体材料在500～850度加热时，将Cr从固溶体中以碳化Cr的形式析出，造成奥氏制体不锈钢的晶界腐蚀敏感性增大，即高温敏华现象发生，因此所述焊后热处理步骤中，低温消应力处理温度为350～380℃，保温时间为3h～5h。
本发明提供的奥氏体不锈钢结构件与低合金铸钢件的组合焊接方法，即为异种钢结构件组合焊接工艺方法，在不影响低合金钢淬硬基础上间歇性提高奥氏体接管一侧焊接冷却速度，有效降低两种材料焊接的差异性从而减少缺陷产生的几率，操作工艺简单，可操作性强，实际生产中，一次焊补合格率可达98％以上，返修质量提升90％以上，更降低了奥氏体结构件变形导致报废风险，缩短生产周期至少1月，并可显著地节约单件产品成本。
附图说明
图1为低合金铸钢件与奥氏体结构件对接焊接示意图；
图2为分段打底焊焊接示意图；
图3为低合金钢铸件内侧预热装置结构图；
图4为奥氏体结构件外侧遮盖潮湿棉布示意图；
10-奥氏体不锈钢结构件；20-低合金铸钢件；30-坡口焊缝；40-预热管；50-火焰方向；60-棉布。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合具体实施例并参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
本实施例以某核电机组配套高压外缸铸件下半铸件为例，铸件材料为材质为ZG17Cr2Mo1，即为低合金铸钢件，铸件轮廓尺寸7483*4970*2560mm，铸件毛重76t，为实现在电厂现场进行接管安装，在低合金铸件上对接焊接奥氏体钢过渡接管，即需要在低合金铸钢件上焊接奥氏体不锈钢结构件，详细参见附图1所示，其尺寸为最大外径φ1240mm，壁厚为24mm，高度240mm；具体焊接方法步骤如下：
(1)奥氏体不锈钢结构件与低合金铸钢件对接
在三维划线平台通过划线按附图1的放置方式，将奥氏体不锈钢结构件10与低合金铸钢件20对接并在坡口焊缝30周边点焊牢固。
(2)打底焊焊接
将铸件置于水平位置，坡口焊缝30处于横焊位置，详见附图2所示，两个操作工使用ERNiCr-3焊材同时对称进行焊接，并采用氩弧焊分段打底焊方式分8～16段、焊接长度40～60mm点固焊缝，直至打底焊焊接完成。
(3)预热处理
首先调整铸件位置，由于两种材料密度相差较大，焊接性完全不同，持续的热输入或不合理的预热方式都将影响焊缝及其两侧液态金属凝固速度，进而影响焊接质量，因此需要将铸件侧立调整，使坡口焊缝30处于立焊位置。
然后对铸件进行预热处理，奥氏体结构件坡口的一侧预热温度为60℃～100℃，低合金铸钢件20坡口的一侧预热温度为大于170℃。
预热具体方法为：详细请参加附图3所示，在距离低合金钢铸件内侧距离管口端面一侧200mm部位架设半圆形天然气预热管40，且预热管40的火焰方向50偏向铸件一侧，且与待焊接面呈30°～45°角，防止天然气火焰直接加热奥氏体接管，仅通过热传导方式将铸件一侧预热，并使低合金铸件坡口靠近铸钢件一侧温度达到170℃～180℃。同时在奥氏体结构件一侧通过控制热输入，及实时监控奥氏体结构件一侧温度，并采取降温措施，即在奥氏体结构件坡口一侧外采用潮湿的棉布60遮盖，遮盖厚度2～6mm，间断性提高奥氏体一侧冷却速度，详细请参见附图4所示。
(4)填充盖面焊接
采用多层多道焊接顺序进行填充盖面焊接，焊接材料为ENiCrFe-3，首先焊接奥氏体结构件坡口焊缝30的一侧，焊接时从奥氏体结构件向上由两个操作工同时焊接，焊接前在奥氏体结构件的坡口部位外周上的潮湿的棉布60上喷水，保证此部位的温度低于100℃后，立即采用直接为3.2mm的焊条在奥氏体结构件的坡口侧进行不摆动熔覆焊接，焊接的同时在棉布60上进行喷水降温，但是禁止将水直接喷溅到熔池和铸件的一侧。并且焊接奥氏体结构件坡口焊缝30的一侧时，焊接工艺参数为：电流：85±10A，焊接速度＞130mm/min，层间温度＜150℃。
然后焊接低合金铸钢件20坡口焊缝30的一侧，焊接工艺参数为：电流：95±10A，焊接速度＞70mm/min，摆动宽度＜110mm，层间温度＜260℃。
最后焊接坡口焊缝30的中间，焊接工艺参数为：电流：85±10A，焊接速度＞70mm/min，摆动宽度＜110mm，层间温度＜200℃。；所有焊接过程圆滑过渡，避免尖角存在。
焊接过程中，所有焊接过程圆滑过渡，避免尖角存在。
(5)焊后热处理
由于大型低合金铸钢件20在大量焊接过程中易导致焊接残余应力发生，且奥氏体不锈钢结构件10与低合金铸钢件20的组合焊接难点主要在于既要最大限度降低焊缝焊接应力，同时又要防止奥氏体材料在500～850度加热时，将Cr从固溶体中以碳化Cr的形式析出，造成奥氏制体不锈钢的晶界腐蚀敏感性增大，即高温敏华现象发生，因此焊接完成后，对奥氏体不锈钢结构件10与低合金铸钢件20进行低温消应力处理。且低温消应力处理温度为350～380℃，保温时间为3h～5h。
本发明创造性提出了从焊接位置、同一焊缝两侧不同预热温度等关键控制方案。适用于因导热性和熔点差异大、密度完全不同、膨胀系数差异明显等焊接性差异较大且在复杂条件下的异种钢结构焊焊接，通过关键技术点控制预防焊接缺陷产生，提高结构件焊接合格率，确保铸件满足生产需求。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种奥氏体不锈钢结构件与低合金铸钢件的组合焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
结构件与铸钢件对接：将奥氏体不锈钢结构件与低合金铸钢件对接，在对接部位的坡口焊缝周边点焊；
打底焊焊接：将铸件置于水平位置，坡口焊缝处于横焊位置，采用氩弧焊分段打底焊方式进行打底焊焊接；
预热处理：调整铸件放置位置，将铸件侧立放置，坡口焊缝处于立焊位置；对铸件进行预热处理，奥氏体结构件坡口的一侧预热温度为60℃～100℃，低合金铸钢件坡口的一侧预热温度为大于170℃；
填充盖面焊接：采用多层多道焊接顺序进行填充盖面焊接，首先焊接奥氏体结构件坡口焊缝的一侧，然后焊接低合金铸钢件坡口焊缝的一侧，最后焊接坡口焊缝的中间；
焊后热处理：焊接完成后，对奥氏体不锈钢结构件与低合金铸钢件进行低温消应力处理。
2.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢结构件与低合金铸钢件的组合焊接方法，其特征在于，所述步骤打底焊焊接中，分段打底焊划分为8～16段，焊接长度为40mm～60mm点固焊缝。
3.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢结构件与低合金铸钢件的组合焊接方法，其特征在于，所述预热处理步骤中，预热方式为在远离低合金铸钢件坡口焊缝的一侧的内侧架设半圆形天然气预热管，预热管火焰方向偏向铸钢件的一侧，奥氏体结构件通过低合金铸钢件侧的热传导方式进行预热。
4.根据权利要求3所述的奥氏体不锈钢结构件与低合金铸钢件的组合焊接方法，其特征在于，预热管火焰方向与待焊接面呈30°～45°角。
5.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢结构件与低合金铸钢件的组合焊接方法，其特征在于，所述填充盖面焊接步骤中，焊接奥氏体结构件坡口焊缝的一侧时，焊接工艺参数为：电流：85±10A，焊接速度＞130mm/min，层间温度＜150℃。
6.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢结构件与低合金铸钢件的组合焊接方法，其特征在于，所述填充盖面焊接步骤中，焊接低合金铸钢件坡口焊缝的一侧时，焊接工艺参数为：电流：95±10A，焊接速度＞70mm/min，摆动宽度＜110mm，层间温度＜260℃。
7.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢结构件与低合金铸钢件的组合焊接方法，其特征在于，所述填充盖面焊接步骤中，焊接坡口焊缝的中间时，焊接工艺参数为：电流：85±10A，焊接速度＞70mm/min，摆动宽度＜110mm，层间温度＜200℃。
8.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢结构件与低合金铸钢件的组合焊接方法，其特征在于，所述焊后热处理步骤中，低温消应力处理温度为350～380℃，保温时间为3h～5h。
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