CN111975182A - 一种通过焊接工艺提高不锈钢耐蚀性的方法 - Google Patents

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李天庆
张宇
王凯
陈璐
雷玉成
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Abstract

本发明提供了一种通过焊接工艺提高不锈钢耐蚀性的方法，外层‑中层‑内层等离子弧焊枪通入气体，所述气体的外层为氩气、中层为氮气、内层为氩气，所述等离子弧焊枪对不锈钢焊件进行焊接，中层氮气利用焊接电弧的能量将氮气电离，产生氮离子，形成氮离子气氛和氮离子分压，在高温条件下以氮离子形式向不锈钢熔池中过渡氮元素，形成含氮不锈钢层。本发明可以直接在不锈钢表层制备含氮不锈钢层，提高不锈钢耐蚀性。

Description

一种通过焊接工艺提高不锈钢耐蚀性的方法
技术领域
本发明涉及一种通过焊接工艺提高不锈钢耐蚀性的方法。
背景技术
工业生产与实践证明，全球范围内因腐蚀、磨损造成的构件失效在各类机电产品中占据70％左右。据相关统计，仅在西方发达国家内因腐蚀导致的经济损失就占经济总值的2％～4％。解决各类构件腐蚀失效一直是工程领域的重大问题之一。不锈钢虽然具有较好的耐蚀性能，但当不锈钢构件在酸性或者海水环境中服役时，腐蚀仍是导致其失效的主要问题。设计焊接的不锈钢，一般情况下焊接后焊缝的抗腐蚀性能会下降。含氮不锈钢可以明显提高不锈钢的耐蚀性，然而通过炼钢手段提高不锈钢中的含氮量是非常困难的，氮原子很难扩散到钢中。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种通过焊接工艺提高不锈钢耐蚀性的方法，将氮元素过渡到不锈钢中，提高不锈钢的耐蚀性和屈服强度。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种通过焊接工艺提高不锈钢耐蚀性的方法，包括如下步骤：
步骤(1)，祛除不锈钢焊件表层的氧化膜，并清洗烘干；将清洗烘干后的焊件固定在焊接可移动平台上，调整焊枪喷嘴到工件的距离和钨极内缩量；
步骤(2)，外层-中层-内层等离子弧焊枪通入气体，所述气体的外层为氩气、中层为氮气、内层为氩气；
步骤(3)，设定焊接工艺参数：外层氩气流量为20-25L/min、中层氮气流量为0.2-5L/min、内层氩气流量为0.5-6L/min，焊接电流为40-200A，焊接速度为0.1-1.0m/min；
步骤(4)，所述等离子弧焊枪对焊件进行焊接，中层氮气利用焊接电弧的能量将氮气电离，产生氮离子，形成氮离子气氛和氮离子分压，在高温条件下以氮离子形式向不锈钢熔池中过渡氮元素，形成含氮不锈钢层。
进一步的技术方案，所述中层氮气流量小于内层氩气流量。
进一步的技术方案，所述氩气的质量百分比在99.9％以上。
进一步的技术方案，所述氮气的质量百分比在99.9％以上。
进一步的技术方案，所述焊枪喷嘴到工件的距离为5mm。
进一步的技术方案，所述钨极内缩量为3mm。
进一步的技术方案，所述钨极直径为4mm。
本发明的有益效果为：
(1)本发明通过设计外层为氩气、中层为氮气、内层为氩气的气体，通入外层-中层-内层等离子弧焊枪，焊接过程中中层氮气利用焊接电弧的能量将氮气电离，产生氮离子，形成氮离子气氛和氮离子分压，在高温条件下以氮离子形式向不锈钢熔池中过渡氮元素。本发明成本低、无需堆焊材料、无需考虑稀释率问题，可以直接在不锈钢表层制备含氮不锈钢层，提高不锈钢耐蚀性，同时提高不锈钢的屈服强度。
(2)本发明的内层氩气还能阻断高温下氮元素与钨电极发生化学反应，保护钨电极，保证电弧稳定。
(3)本发明中层氮气流量小于内层氩气流量，保证内层氩气电弧挺度。
附图说明
图1为本发明实施例极化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明一种通过焊接工艺提高不锈钢耐蚀性的方法，外层-中层-内层等离子弧焊枪通入一种特定分布、特定流量的气体，气体的分布形式为：外层为氩气、中层为氮气、内层为氩气，气体的流量为：外层氩气流量为20-25L/min，中层氮气流量为0.2-5L/min，内层氩气流量为0.5-6L/min；中层氮气流量一般应小于内层氩气流量，保证内层氩气电弧挺度。
焊接过程中，内层氩气作为主电离气体形成电弧等离子体，内层氩气还能阻断高温下氮元素与钨电极发生化学反应，保护钨电极，保证电弧稳定；外层氩气作为主保护气体保护金属不被氧化；中层氮气利用焊接电弧的能量将氮气电离，产生氮离子，形成氮离子气氛和氮离子分压，在高温条件下以氮离子形式向不锈钢熔池中过渡氮元素，提高不锈钢耐蚀性和屈服强度。
氩气纯度要求质量百分比在99.9％以上，氮气纯度要求质量百分比在99.9％以上。
焊接时采用的焊接电流为40-200A，焊接速度为0.1-1.0m/min；焊接电流与焊接速度要匹配，保证合适的熔深和熔宽。
本实例以提高304不锈钢耐蚀性为例，通过焊接工艺提高不锈钢耐蚀性的方法，具体步骤如下：
步骤(1)，预处理：使用砂轮角磨机将304不锈钢板表层的氧化膜祛除，然后使用酒精将表层清洗干净、烘干。
步骤(2)，焊件装配：将预处理好的304不锈钢板平放装夹在等离子弧焊接可移动平台上，调整焊枪喷嘴到工件的距离为5mm，钨极内缩量为3mm，本实施例中钨极直径为4mm。
步骤(3)，焊接工艺参数设定如下：焊接电流为100A，焊接速度为140mm/min，内层离子气氩气流量为1.2L/min，外层保护气氩气流量为20L/min，中层氮气流量为0.65L/min；氩气的纯度为质量百分比99.99％，氮气的纯度为质量百分比99.99％。
步骤(4)，焊接过程：采用外层-中层-内层等离子弧焊枪(具体为CN108772619A中的等离子弧焊枪)，分别在两块304不锈钢上进行焊接实验，其中一块304不锈钢焊接用等离子弧焊枪的中层通入氮气进行焊接(即采用本发明的气体组成)，形成含氮不锈钢层；而另一块304不锈钢用等离子弧焊枪的中层没有通入氮气，进行普通焊接。
步骤(5)，电化学腐蚀实验：分别制备采用本发明气体焊接的不锈钢试样、普通焊接的不锈钢试样、304不锈钢母材试样，经过打磨、抛光等，进行电化学腐蚀实验，获取上述三种试样的点蚀电位。
步骤(6)，力学性能试样：分别制备采用本发明气体焊接的不锈钢试样、普通焊接的不锈钢试样、304不锈钢母材试样，进行力学性能实验，获取上述三种试样的屈服强度。
根据步骤(5)、(6)的实验结果，绘制如图1所示的极化曲线，图中a为母材试样极化曲线，b为普通焊接制备的试样极化曲线，c为本发明气体焊接制备的试样极化曲线。由图1可见，采用本发明气体制备的试样点蚀电位为1.22V，普通焊接制备的试样点蚀电位为0.49V，母材试样点蚀电位为0.49V，可以看出本发明试样的点蚀电位明显提高，表明耐腐蚀性能明显提高。本发明制备试样屈服强度为436MPa，普通焊接试样屈服强度为279MPa，母材304不锈钢屈服强度为318MPa，屈服强度明显提高。可见，通过本发明一种通过焊接工艺提高不锈钢耐蚀性的方法，可以明显提高304不锈钢耐蚀性和屈服强度。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种通过焊接工艺提高不锈钢耐蚀性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)，祛除不锈钢焊件表层的氧化膜，并清洗烘干；将所述清洗烘干后的焊件固定在焊接可移动平台上，调整焊枪喷嘴到工件的距离和钨极内缩量；
步骤(2)，外层-中层-内层等离子弧焊枪通入气体，所述气体的外层为氩气、中层为氮气、内层为氩气；
步骤(3)，设定焊接工艺参数：外层氩气流量为20-25L/min、中层氮气流量为0.2-5L/min、内层氩气流量为0.5-6L/min，焊接电流为40-200A，焊接速度为0.1-1.0m/min；
步骤(4)，所述等离子弧焊枪对所述焊件进行焊接，中层氮气利用焊接电弧的能量将氮气电离，产生氮离子，形成氮离子气氛和氮离子分压，在高温条件下以氮离子形式向不锈钢熔池中过渡氮元素，形成含氮不锈钢层。
2.根据权利要求1所述的通过焊接工艺提高不锈钢耐蚀性的方法，其特征在于，所述中层氮气流量小于内层氩气流量。
3.根据权利要求1所述的通过焊接工艺提高不锈钢耐蚀性的方法，其特征在于，所述氩气的质量百分比在99.9％以上。
4.根据权利要求1所述的通过焊接工艺提高不锈钢耐蚀性的方法，其特征在于，所述氮气的质量百分比在99.9％以上。
5.根据权利要求1所述的通过焊接工艺提高不锈钢耐蚀性的方法，其特征在于，所述焊枪喷嘴到工件的距离为5mm。
6.根据权利要求1所述的通过焊接工艺提高不锈钢耐蚀性的方法，其特征在于，所述钨极内缩量为3mm。
7.根据权利要求1所述的通过焊接工艺提高不锈钢耐蚀性的方法，其特征在于，所述钨极直径为4mm。
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