CN111761174A

CN111761174A - 一种超级双相不锈钢钢筋的焊接工艺

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Publication number: CN111761174A
Application number: CN202010556784.1A
Authority: CN
Inventors: 张迪; 谢琦; 马德志; 刘春�; 李俊岭
Original assignee: Central Research Institute of Building and Construction Co Ltd MCC Group
Current assignee: Central Research Institute of Building and Construction Co Ltd MCC Group
Priority date: 2020-06-17
Filing date: 2020-06-17
Publication date: 2020-10-13
Anticipated expiration: 2040-06-17
Also published as: CN111761174B

Abstract

本发明提供一种超级双相不锈钢钢筋的焊接工艺，包括以下步骤：(1)控制超级双相不锈钢钢筋之间的间隙为15mm，并将钢筋接头处置于铜质模具的U型槽中，U型槽的直径略大于钢筋直径；(2)采用混合气体保护焊进行焊接，焊接气体的组成为：93％～97％Ar、3％～5％N₂和0～2％He，焊接电流为180A～200A，焊接电压为25～27V，气体流量为20～25L/min，焊接速度为30～35cm/min，焊接热输入为5.4～7.5kJ/cm。采用本发明的焊接工艺，可以焊接直径为16mm的超级双相不锈钢钢筋，实现焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能与母材相匹配。该工艺可用于海洋结构用超级双相不锈钢钢筋的焊接，提高海洋结构的使用寿命。

Description

一种超级双相不锈钢钢筋的焊接工艺

技术领域

本发明涉及一种超级双相不锈钢钢筋的焊接工艺，属于材料加工工程的焊接领域。

背景技术

超级双相不锈钢是超低碳(≤0.03％)、高钼(＞3.5％)、高氮(0.22％～0.30％)含量的双相不锈钢，耐点蚀指数大于40。超级双相不锈钢不仅具有优良的力学性能和耐腐蚀性能，而且与超级奥氏体不锈钢和镍基合金材料相比还具有成本优势，特别适用于腐蚀环境极为苛刻的环境，如海洋结构、深海环境等。

发展海洋工程已成为我国经济发展的一个重要的方向，海洋结构中除使用超级双相不锈钢钢板外，还需要消耗大量的超级双相不锈钢钢筋。尽管国内外文献资料中有较多关于超级双相不锈钢钢板焊接的报道，但有关超级双相不锈钢钢筋的焊接却少有报道。钢筋焊接与板材焊接有较大差别，其散热条件比板材焊接差，对保证焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能不利，需要开发适用于超级双相不锈钢钢筋焊接的方法及工艺。

钢筋焊接的方法包括电阻点焊、闪光对焊、压力焊、电弧焊等，其中电弧焊方法对焊接设备、场地的要求较小，适合于在工程现场使用。钢筋电弧焊的焊接接头形式包括帮条焊、搭接焊、熔槽帮条焊、坡口焊、窄间隙焊等，帮条焊、熔槽帮条焊等需要用帮条或角钢辅助焊接，增加了焊接结构的重量及双相不锈钢钢筋的消耗；搭接焊也因搭接区的存在增加了钢筋的消耗。坡口焊需要在使用钢垫板同样增加了焊接结构的重量和钢材消耗。

随着超级双相不锈钢耐腐蚀等级的提高，焊接难度也相应提高，特别是对于散热条件较差的钢筋焊接，接头形式、焊接参数、焊接热输入、焊接位置、焊接拘束度等众多因素相互协同、综合作用，都将对焊接接头的性能产生影响。为了得到力学性能和耐腐蚀性能满足要求的超级双相不锈钢钢筋焊接接头，需要做大量的试验和研究工作。正因为试验探索的工作量巨大，阻碍了超级双相不锈钢钢筋的推广应用。

发明内容

基于以上现有技术中所存在的问题，本发明的目的在于提供一种超级双相不锈钢钢筋的焊接工艺，满足超级双相不锈钢钢筋的焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能要求，特别适用于海洋结构用超级不锈钢钢筋的窄间隙电弧焊。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种超级双相不锈钢钢筋的焊接工艺，包括以下步骤：

(1)控制超级双相不锈钢钢筋之间的间隙为15mm，并将钢筋接头处置于铜质模具的U型槽中，U型槽的直径略大于钢筋直径；

(2)采用混合气体保护焊进行焊接，焊接气体的组成(体积比百分比)为： 93％～97％Ar、3％～5％N₂和0～2％He，焊接电流为180A～200A，焊接电压为25～27V，气体流量为20～25L/min，焊接速度为30～35cm/min，焊接热输入为5.4～7.5kJ/cm。

在所述(2)的步骤中，使用直径1.2mm的实芯焊丝焊接时，焊接气体组成(体积比百分比)为：93％～97％Ar、3％～5％N₂和0～2％He；使用1.2mm 的药芯焊丝焊接时，焊接气体组成(体积比百分比)为：95％～97％Ar和3％～ 5％N₂。

其中，所述超级双相不锈钢钢筋的直径为16mm。

本发明的有益效果为：

本发明采用超级双相不锈钢钢筋的窄间隙电弧焊，焊接材料的选用按照成分匹配的原则，通过熔敷金属化学成分、力学性能和双相不锈钢钢筋进行比对选择。将钢筋接头处置于铜质模具中，不仅提高了钢筋焊接过程中的冷却速度，避免了熔池过热导致的合金元素氧化烧损，有利于保障焊缝双相组织的平衡，同时用铜质模具无需进行装配焊接，焊接后拆除简单，显著降低了采用帮条、垫板等辅助焊接等引起的应力集中，钢材的消耗量也显著降低。

本发明通过控制焊接电流、焊接电压和焊接速度组合匹配，进而控制焊接热输入(其中气体保护焊接的有效加热系数按0.7计算)，特别要强调的是，本发明通过焊接电流和焊接速度的匹配，控制焊接规范的强弱，在热输入基本不变的情况下，增加焊接熔池的冷却速度，避免焊接熔池过热。使用本发明采用较大电流配合较大焊接速度的强焊接规范，在钢筋焊接散热条件不利的情况下和焊接效率基本不变的条件下，确保了焊接接头的力学性能和耐腐蚀的满足要求。

本发明中在焊接保护气体氩气中添加了氮气，焊接过程通过氮气的电离，增加焊缝金属中奥氏体化元素的含量，保证焊接接头两相比例的稳定。同时，当采用实芯焊丝气体保护焊接时，与药芯焊丝焊接相比，由于其电流密度低于药芯焊丝，且没有改善焊接熔池流动性的添加剂，易造成焊缝成型质量差。为提高焊接电流密度，增加熔池金属的流动性，可在焊接保护气体中适量添加 0％～2％氦气，以改善焊接接头的成型质量及其耐腐蚀性。

本发明所述的双相不锈钢钢筋焊接，通过大量试验确定了坡口和根部间隙。在保证接头综合性能的前提下，将焊接量控制在合理的范围内，实现了焊接质量和效率的最优化。本发明将钢筋间隙控制为15mm，可不开坡口进行焊接，省去了坡口加工工序，减少了焊接辅助时间。

采用本发明对直径16mm的超级双相不锈钢钢筋进行焊接，焊接接头的抗拉强度高于母材，点蚀电位E′b₁₀₀大于1.0V，高于母材金属(在相同的腐蚀试验条件下，超级双相不锈钢钢筋的点蚀电位E′b₁₀₀为0.5V)。因此采用本发明所述的焊接工艺，解决了超级双相不锈钢钢筋的焊接难题，其焊接过程操作方便，焊接接头成形质量好，无裂纹、夹渣、气孔等冶金缺陷，焊接接头的综合性能优良，实现了其强度和耐腐蚀性与母材的匹配。

本发明提出超级双相不锈钢钢筋的焊接工艺，具有指导规范作用，填补了我国钢结构工程中超级双相不锈钢钢筋气体保护焊接的空白，对于推动该钢种的工程应用具有重要意义。

附图说明

图1是本发明超级双相不锈钢钢筋焊接时接头处的结构示意图。

图2是本发明超级双相不锈钢钢筋焊接用铜质模具的结构示意图，其中(a) 为侧视图，(b)为俯视图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但所列举的实施例并不用于限制本发明。

如图1所示为本发明超级双相不锈钢钢筋焊接时接头处的结构示意图。钢筋1、2的切口角度表示为a，钢筋1、2之间的间隙表示为L，该间隙为两钢筋切口底端之间的距离。

如图2所示为本发明超级双相不锈钢钢筋焊接用铜质模具的结构示意图。该模具具有U型槽3，该U型槽的直径略大于钢筋直径。

本发明所涉及的超级双相不锈钢钢筋的各组分质量百分比为：碳≤0.03％，硅≤0.80％，锰≤1.20，镍6.00％～8.00％，钼3.00％～5.00％，铬24.00％～26.00 ％，氮0.24％～0.32％，硫≤0.020％，磷≤0.035％，余量为铁；其抗拉强度Rm≥795MPa，伸长率A≥15％，直径为16mm。

本发明所用气保护药芯焊丝的材质与钢筋相匹配，其熔敷金属各组分质量百分比：碳≤0.04％，硅≤1.00％，锰0.5％～2.0％，镍8.0％～10.5％，钼2.5％～ 4.5％，铬24.0％～27.0％，氮0.20％～0.30％，硫≤0.020％，磷≤0.030％，铜≤1.50 ％，余量为铁；其直径为1.2mm。

本发明所用气保护实芯焊丝的材质与钢筋相匹配，其各组分质量百分比：碳≤0.03％，硅≤1.0％，锰≤2.5％，镍8.0％～10.5％，钼2.5％～4.5％，铬24.0 ％～27.0％，氮0.20％～0.30％，硫≤0.02％，磷≤0.03％，铜≤1.50％，余量为铁；其直径为1.2mm。

控制超级双相不锈钢钢筋之间的间隙为15mm，坡口角度为0°～60°，并将钢筋接头处置于如图2所示的铜质模具中，采用混合气体保护焊进行焊接，焊接电流为180A～200A，焊接电压为25～27V，气体流量为20～25L/min，焊接速度为30～35cm/min，焊接热输入为5.4～7.5kJ/cm。

使用直径1.2mm的实芯焊丝焊接时，焊接气体成分为93％～97％Ar+3％～ 5％N₂+0％～2％He，使用直径1.2mm的药芯焊丝焊接，焊接气体成分为95％～ 97％Ar+3％～5％N₂。

在以下实施例和对比例中，采用的超级双相不锈钢钢筋各组分质量百分比为：碳0.01％，硅0.28％，锰0.90，镍6.93％，钼3.47％，铬24.51％，氮0.25 ％，硫0.001％，磷0.006％，余量为铁。采用的气保护实芯焊丝的材质各组分质量百分比：碳0.025％，硅0.41％，锰1.65％，镍9.43％，钼3.97％，铬25.06 ％，氮0.23％，硫0.008％，磷0.018％，铜0.58％，余量为铁。采用的气保护药芯焊丝的材质各组分质量百分比：碳0.029％，硅0.55％，锰0.91％，镍9.52 ％，钼3.62％，铬24.34％，氮0.20％，硫0.006％，磷0.015％，铜0.01％，余量为铁。

实施例1

采用直径1.2mm的实芯焊丝按图1所示的接头形式，置于图2所示的模具中进行焊接，坡口角度为30°，焊接间隙为15mm，焊接电流为200A，焊接电压为27V，焊接速度为30cm/min，焊接热输入为7.5kJ/cm，气体流量为25L/min，保护气体为97％Ar+3％N₂，制成焊接接头。

实施例2

采用直径1.2mm的实芯焊丝按图1所示的接头形式，置于图2所示的模具中进行焊接，不开坡口，焊接间隙为15mm，焊接电流为180A，焊接电压为25V，焊接速度为30cm/min，焊接热输入为6.3kJ/cm，气体流量为20L/min，保护气体为95％Ar+3％N₂+2％He，制成焊接接头。

实施例3

采用直径1.2mm的药芯焊丝按图1所示的接头形式，置于图2所示的模具中进行焊接，坡口角度为30°，焊接间隙为15mm，焊接电流为200A，焊接电压为27V，焊接速度为35cm/min，焊接热输入为6.5kJ/cm，气体流量为25L/min，保护气体为97％Ar+3％N₂，制成焊接接头。

实施例4

采用直径1.2mm的药芯焊丝按图1所示的接头形式，置于图2所示的模具中进行焊接，坡口角度为45°，焊接间隙为15mm，焊接电流为180A，焊接电压为25V，焊接速度为40cm/min，焊接热输入为5.4kJ/cm，气体流量为20L/min，保护气体为97％Ar+3％N₂，制成焊接接头。

对比例1

采用直径1.2mm的实芯焊丝按图1所示的接头形式、置于图2所示的模具中进行焊接，坡口角度为30°，焊接间隙为15mm，焊接电流为250A，焊接电压为27V，焊接速度为33cm/min，焊接热输入为8.6kJ/cm，气体流量为25L/min，保护气体为97％Ar+3％N₂，制成焊接接头。

对比例2

采用直径1.2mm的实芯焊丝按图1所示的接头形式、置于图2所示的模具中进行焊接，不开坡口，焊接间隙为15mm，焊接电流为120A，焊接电压为25V，焊接速度为35cm/min，焊接热输入为3.6kJ/cm，气体流量为20L/min，保护气体为95％Ar+3％N₂+2％He，制成焊接接头。

对比例3

采用直径1.2mm的实芯焊丝按图1所示的接头形式、置于图2所示的模具中进行焊接，坡口角度为30°，焊接间隙为15mm，焊接电流为200A，焊接电压为27V，焊接速度为25cm/min，焊接热输入为9.1kJ/cm，气体流量为25L/min，保护气体为97％Ar+3％N₂，制成焊接接头。

对比例4

采用直径1.2mm的实芯焊丝按图1所示的接头形式、置于图2所示的模具中进行焊接，坡口角度为60°，焊接间隙为15mm，焊接电流为180A，焊接电压为25V，焊接速度为35cm/min，焊接热输入为5.4kJ/cm，气体流量为20L/min，保护气体为100％Ar，制成焊接接头。

对比例5

采用直径1.2mm的实芯焊丝按图1所示的接头形式、置于图2所示的模具中进行焊接，坡口角度为90°，焊接间隙为15mm，焊接电流为190A，焊接电压为26V，焊接速度为33cm/min，焊接热输入为6.3kJ/cm，气体流量为20L/min，保护气体为97％Ar+3％N₂，制成焊接接头。

对比例6

采用直径1.2mm的实芯焊丝按图1所示的接头形式、置于图2所示的模具中进行焊接，不开坡口，焊接间隙为15mm，焊接电流为120A，焊接电压为25V，焊接速度为20cm/min，焊接热输入为6.3kJ/cm，气体流量为20L/min，保护气体为95％Ar+3％N₂+2％He，制成焊接接头。

对各实施例及对比例性能的评价：

焊接接头的抗拉强度按GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行检测，焊接接头的点蚀电位按GB/T 17899-1999《不锈钢点蚀电位测量方法》进行测试。

各实施例及对比例的效果对比如表1所示：

表2各实施例及对比例的焊丝性能评价

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					抗拉强度(MPa)	868	857	843	835
E′b<sub>100</sub>(V)	1.069	1.105	1.022	1.172
						对比例1	对比例2	对比例3	对例4
抗拉强度(MPa)	821	833	805	855
					E′b<sub>100</sub>(V)	0.403	0.678	0.579	0.792
	对比例5	对比例6	/	/
					抗拉强度(MPa)	/	827	/	/
E′b<sub>100</sub>(V)	/	0.537	/	/

如表1所示，对于焊接电流大于200A、焊接热输入大于7.5kJ/cm的对比例 1，熔敷金属中合金元素的烧损严重，熔池的过热度高，将导致焊接接头的强度和耐腐性能下降。对于焊接电流小于180A、焊接热输入小于5.4kJ/cm的对比例 2，熔池的冷却速度过慢，熔敷金属耐腐蚀性能的下降与显微组织中有害相的析出有关。对于焊接速度小于30cm/min、焊接热输入大于7.5kJ/cm的对比例3，同样由于熔池的过热度高，合金元素的氧化烧损严重，将导致焊接接头的强度和耐腐性能下降。对于使用实芯焊丝+100％氩气作为保护气体焊接的对比例4，在焊接过程中合金元素氧化烧损后，由于未通过焊接保护气体向焊缝金属过渡氮元素，焊缝中的奥氏体化元素含量降低，导致焊缝中铁素体析出量偏高，耐腐蚀性下降。对于坡口角度大于60°的对比例5，容易导致焊接接头侧壁未熔合并恶化接头成型质量，同时由于钢筋间预留了15mm的间隙，焊缝金属的填充量过大，焊接时间过长，合金元素烧损严重，对耐腐蚀性能不利。对于焊接电流小于180A，焊接速度小于30cm/min，但焊接热输入仍在5.4kJ/cm～7.5kJ/cm 范围内的对比例6，尽管热输入量在本发明允许的范围内，但由于是采用弱规范焊接，焊接熔池的冷却速度慢，合金元素烧损严重，导致接头耐腐蚀性下降。

实施例1～4所制的本发明的焊接工艺性好，焊接接头成形质量好，无裂纹、夹渣、气孔等冶金缺陷，焊接接头的综合性能优良，实现了其强度和耐腐蚀性与母材的匹配，其综合性能显著优于对比例1～6。

Claims

1.一种超级双相不锈钢钢筋的焊接工艺，其特征在于，包括以下步骤：

(2)采用混合气体保护焊进行焊接，焊接气体的组成为：93％～97％Ar、3％～5％N₂和0～2％He，焊接电流为180A～200A，焊接电压为25～27V，气体流量为20～25L/min，焊接速度为30～35cm/min，焊接热输入为5.4～7.5kJ/cm。

2.根据权利要求1所述的焊接工艺，其特征在于，使用实芯焊丝焊接时，焊接气体组成为：93％～97％Ar、3％～5％N₂和0～2％He；使用药芯焊丝焊接时，焊接气体组成为：95％～97％Ar和3％～5％N₂。

3.根据权利要求1所述的焊接工艺，其特征在于，坡口角度为0°～60°。

4.根据权利要求1所述的焊接工艺，其特征在于，所述超级双相不锈钢钢筋的直径为16mm，所述气体保护焊焊丝直径为1.2mm。