CN112453657A

CN112453657A - 一种用于2205双相不锈钢mig焊的三元保护气体及其焊接工艺

Info

Publication number: CN112453657A
Application number: CN202011244248.4A
Authority: CN
Inventors: 韩俭; 徐畅; 张憙; 刘联盟; 蔡养川
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2020-11-10
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2021-03-09

Abstract

本发明属于金属焊接技术领域，具体为一种用于2205双相不锈钢MIG焊的三元保护气体及其焊接工艺，按体积分数计的下列各气体：0.1％≤CO₂≤0.5％、20.0％≤He≤40.0％，Ar为余量。本发明通过采用一种多种类气体混合型的焊接保护气，解决了对2205双相不锈钢熔化极气体保护焊的过程中受到保护气体影响而导致的焊缝质量差，包括表面氧化、成型不佳、效率低下的问题，同时提供了相应的主要焊接工艺参数，从而保证了双相不锈钢的焊接质量，提升了焊接过程的稳定性，并且满足了各类应用场合对于双相不锈钢焊接接头力学性能和耐腐蚀性能的要求。

Description

一种用于2205双相不锈钢MIG焊的三元保护气体及其焊接工艺

技术领域

本发明涉及双相不锈钢焊接，具体为一种用于双相不锈钢熔化极气体保护焊的三元混合型保护气体。

背景技术

双相不锈钢，即铁素体相和奥氏体相在固溶态下两相的比例约为1:1，同时继承了两类组织各自在力学性能和耐腐蚀性能方面的优点。由于双相不锈钢具有出众的耐氯化物腐蚀的性能，其应用量在海水净化、油气、造纸等化工冶金领域正在高速增长。目前，含氮的第二代双相不锈钢已在国内外得到大规模运用，其代表钢种是2205。双相不锈钢在焊接上存在一些可能会影响其主要性能(即力学性能和耐蚀性能)的问题，包括焊接工艺和耗材上选择不良而导致的两相不平衡、夹杂相过多、二次相析出从而造成焊接接头的缺陷产生、性能下降。在MIG焊的过程中，保护气的组分设置是重要的影响因素之一。

公告号为CN 101972878B的国内专利公开了一种对于双相不锈钢的焊接工艺和相应的特定保护气，但其所使用的焊接方式为钨极氩弧焊(Tungsten Inert Gas Welding，TIG焊)，所提及的焊接保护气内添加的还原性气体为保存、运输、操作过程中都比较危险的氢气，且比例高达10％。

与此类似的公布号为CN 102773591A的国内有关双相不锈钢焊接过程的保护气专利同样是针对TIG焊过程，且使用95％的Ar和5％的H₂。

但以上所提及的授理/授权专利所述的焊接方式都是TIG焊，因此，各专利中均没有在混合型保护气内添加活性气体作为成分调整。对于H₂而言，在奥氏体不锈钢的TIG焊过程采用中有利于减轻氧化，但是，对于双相不锈钢而言，保护气内添加H₂对于铁素体组织存在引发氢脆的危险。

公布号为CN 103801807A的专利给出的传统奥氏体不锈钢MIG焊接采用的混合保护气(98％Ar+2％CO₂)。虽然此气体体系正在被广泛使用，但是实际焊接过程中高比例CO₂所带来的氧化严重问题是无法解决的。而公布号 CN102019485A给出的(80％Ar+20％CO₂)的保护气体更是由于其大比例CO₂的存在不适合用于双相不锈钢的熔化极气体保护焊过程。

本发明所述的三元混合型保护气体，能够在针对双相不锈钢熔化极气体保护焊过程中有效提升其相关性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于2205双相不锈钢MIG焊的三元保护气体及其焊接工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于2205双相不锈钢MIG焊的三元保护气体，以体积分数计，为： 0.1％≤CO₂≤0.5％、20.0％≤He≤40.0％，Ar为余量，所焊不锈钢工件材料为2205 不锈钢，工件板料厚度6～10mm，焊丝采用2209实心焊丝。

一种用于2205双相不锈钢MIG焊的焊接工艺包含以下步骤：

步骤1：按上述配比，将三种气体通过气体混配器均匀混合成焊接保护气体；

步骤2：采用丙酮溶液对焊接工件进行清洁，清洁后采用熔化极气体保护焊设备对双相不锈钢板料进行焊接，其焊接参数为焊接电流为120～160A，焊接电压为20～25V，电源采用直流反接，焊接过程中层间温度为100～150 ℃，所述焊接速度为8～15mm/s；

步骤3：在焊接过程中采用保护气体对于样件进行保护，保护气流量为 15～25L/min。

作为优选，所述工件板料厚度6～10mm。

作为优选，所述焊接速度为8～15mm/s，采用直径为1.2mm的2209实心焊丝。

在焊接过程中，需要保证保护气体稳定、完全的覆盖焊缝位置，直至焊接过程结束。若焊接场地使用风扇，须对焊缝区采取防风措施。风扇风速不可超过1.5m/s。

本发明对象中混合保护气体的成分限定理由如下：

CO₂含量：向保护气内添加少量氧化性气体可以调整焊缝元素成分并稳定焊接电弧，而CO₂能够减轻熔滴金属表面张力、稳定电弧，因此添加0.1％的 CO₂是必要的。但同时，在受热时CO₂分解为CO和O₂，因此虽然其具有比 O₂稍弱的氧化性，但同样需要在添加比例上保持谨慎。另外，碳元素还会进入焊缝，增加多余相并夺走对腐蚀性能至关重要的铬，从而影响焊缝的耐腐蚀性能。因此，不能令其超过0.5％。

He含量：He是惰性气体，并不与熔池发生反应。但由于其相对原子质量较小，增加He可以降低保护气的平均蒸汽粒子大小，增加热效率，并且稳定电弧对焊缝的焊接过程。20％以上He的添加可以提升焊缝的成型质量，并且加快焊接速度，但另外一方面，He是不可再生资源且价格高昂，采用40％以上对于焊接过程的成本有较大影响，因此将其体积分数限制在20～40％。

Ar含量：Ar是焊接双相不锈钢时采用的最常用的惰性保护气，在焊接双相不锈钢时起防止焊接区隔离空气，防止其氧化以及氮化的作用。另外其大原子量也能帮助其更好的排出空气，但是，如果仅用纯Ar作为保护的双相不锈钢焊接往往令焊缝出现一系列的显著缺陷，例如成型不佳等，因此将其的体积分数比定为除了CO₂和He之外的剩余气体，并在保护气中添加其他成分以用于保护焊缝。

层间温度做出限制的理由如下：

≥100℃：太低的层间温度会导致裂纹形成。

≤150℃：除去高层间温度广泛导致的冷却速度过慢，热影响区尺寸增加，粗晶区扩大，拉伸韧性和冲击韧性降低等问题，对于2205不锈钢焊接而言高层间温度也会导致焊缝组织的相比例不平衡，二次析出相增加，从而影响关键的耐腐蚀性能，特别是在多道焊下，即使是相对较低的温度也会导致大量相沉淀增加和复杂的合金化反应。

对焊接工艺参数规定是为了更好地控制焊接过程中的热输入量。低的热输入和快的冷却速度会导致铁素体内过高饱和的Cr与N结合，导致Cr₂N和 CrN沉淀的形成，另一方面，高热输入会导致σ相和χ相在焊缝组织中生成，这些夹杂相对焊缝的抗腐蚀性有不利影响。

通过以上参数的控制，本发明对于双相不锈钢MIG焊得到的焊接接头进行了优化，以在保证其力学性能的前提下，聚焦2205不锈钢在主要应用场景下的性能需求——耐腐蚀性，因此，本发明可以获得抗表面氧化效果出色、成型好、飞溅小、夹杂物少，同时，焊缝的耐点蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀性能强，也富有经济性的焊接接头。

附图说明

图1为本发明实施例1中双相不锈钢试样焊接后的宏观形貌；

图2为本发明实施例2中双相不锈钢试样焊接后的宏观形貌；

图3为本发明实施例3中双相不锈钢试样焊接后的宏观形貌；

图4为本发明实施例1中双相不锈钢焊后X射线探伤图；

图5为本发明实施例2中双相不锈钢焊后X射线探伤图。

具体实施方式

本发明实施例参考上文发明内容中所述的工艺要点如下。

三元混合型保护气的成分按照体积分数比例为：0.1％≤CO₂≤0.5％、 20.0％≤He≤40.0％，Ar为余量，焊接过程中层间温度100～150℃，所述焊接速度8～15mm/s，保护气流量为15～25L/min，使用2205不锈钢板料，厚度 6～10mm，焊丝直径为1.2mm，采用2209实心焊丝。

根据相应的参数进行焊接，在焊接过程中均采用电源直流反接，在对各实施例及对比例进行加工后，对成品进行性能评价。

实施例1：

使用厚度6mm的2205不锈钢板料，焊丝为1.2mm直径的2209实心焊丝，采用如表1中所示的焊接保护气，即采用按体积分数79.5％Ar，20％He， 0.5％CO₂的三元混合保护气体，并采用如表2所示的焊接工艺参数进行焊接。

在焊接完成后，参考标准GB/T 32259-2015对焊缝进行了宏观评价，发现焊缝几乎无氧化现象，焊缝成形均匀，有少量飞溅；

根据标准GB/T 3323.2-2019和GB/T 37910.1-2019对焊缝进行X射线探伤并评级，发现焊缝表现良好合格，这两点说明在焊接保护气内添加的少量CO₂对焊缝成型有帮助。图1与图4分别展示了实施例1焊缝的宏观形貌和X射线探伤结果。

根据GB/T 17899-1999，对焊缝试样进行点蚀电位评价。试验前将采用环氧树脂进行封样并已用硅胶密封边缘的样品完全浸在溶液中放置5min，然后在-0.9V下阴极极化5min，以去除样品表面的氧化膜，处理后的试样被在 30±1℃的温度下从-0.5V以20mV/min开始向阳极方向扫描，直到阳极电流超过100uA/cm²之后持续60s，所用试剂为1mol/L的NaCl溶液，溶液体积与试样面积之比不小于200mL/cm²，测得焊缝试样其点蚀电位为1.35V，高于对于双相不锈钢及其焊缝的点蚀电位常规所需的要求1.20V，说明焊缝耐点蚀性能良好，在该实例中，混合型的保护气成功起到了保证焊缝耐点蚀能力的作用。实施例焊接图如图1所示。

实施例2：

使用厚度6mm的2205不锈钢板料，焊丝为1.2mm直径的2209实心焊丝，采用如表1中所示的焊接保护气，即采用按体积分数59.5％Ar，40％He， 0.5％CO₂的三元混合保护气体，并采用如表2所示的焊接工艺参数进行焊接。

在焊接完成后，发现焊缝表面无氧化现象，焊缝成型良好，无飞溅或具有少量飞溅，根据标准进行X射线探伤，结果为合格；根据标准进行点蚀评价，条件与实施例1相同，发现其点蚀电位为1.23V。

实施例3：

使用厚度6mm的2205不锈钢板料，焊丝为1.2mm直径的2209实心焊丝，采用如表1中所示的焊接保护气，即采用按体积分数79.6％Ar，20％He， 0.4％CO₂的三元混合保护气体，并采用如表2所示的焊接工艺参数进行焊接。

在焊接完成后，发现焊缝表面无氧化现象，焊缝成型良好，无飞溅或具有少量飞溅，根据标准进行X射线探伤，结果为合格；根据标准进行点蚀评价，条件与实施例1相同，发现其点蚀电位为1.31V。

实施例4：

使用厚度10mm的2205不锈钢板料，焊丝为1.2mm直径的2209实心焊丝，采用如表1中所示的焊接保护气，即采用按体积分数59.6％Ar，40％He， 0.4％CO₂的三元混合保护气体，并采用如表2所示的焊接工艺参数进行焊接。

在焊接完成后，发现焊缝表面无氧化现象，焊缝成型良好，无飞溅或具有少量飞溅，根据标准进行X射线探伤，结果为合格；根据标准进行点蚀评价，条件与实施例1相同，发现其点蚀电位为1.27V。

实施例5：

使用厚度6mm的2205不锈钢板料，焊丝为1.2mm直径的2209实心焊丝，采用如表1中所示的焊接保护气，即采用按体积分数79.7％Ar，20％He， 0.3％CO₂的三元混合保护气体，并采用如表2所示的焊接工艺参数进行焊接。

在焊接完成后，发现焊缝表面无氧化现象，焊缝成型良好，无飞溅或具有少量飞溅，根据标准进行X射线探伤，结果为合格；根据标准进行点蚀评价，条件与实施例1相同，发现其点蚀电位为1.22V。

实施例6：

使用厚度6mm的2205不锈钢板料，焊丝为1.2mm直径的2209实心焊丝，采用如表1中所示的焊接保护气，即采用按体积分数59.7％Ar，40％He， 0.3％CO₂的三元混合保护气体，并采用如表2所示的焊接工艺参数进行焊接。

在焊接完成后，发现焊缝表面无氧化现象，焊缝成型良好，无飞溅或具有少量飞溅，根据标准进行X射线探伤，结果为合格；根据标准进行点蚀评价，条件与实施例1相同，发现其点蚀电位为1.32V。

实施例7：

使用厚度6mm的2205不锈钢板料，焊丝为1.2mm直径的2209实心焊丝，采用如表1中所示的焊接保护气，即采用按体积分数79.8％Ar，20％He， 0.2％CO₂的三元混合保护气体，并采用如表2所示的焊接工艺参数进行焊接。

在焊接完成后，发现焊缝表面无氧化现象，焊缝成型良好，无飞溅或具有少量飞溅，根据标准进行X射线探伤，结果为合格；根据标准进行点蚀评价，条件与实施例1相同，发现其点蚀电位为1.38V。

实施例8：

使用厚度10mm的2205不锈钢板料，焊丝为1.2mm直径的2209实心焊丝，采用如表1中所示的焊接保护气，即采用按体积分数59.8％Ar，40％He， 0.2％CO₂的三元混合保护气体，并采用如表2所示的焊接工艺参数进行焊接。

在焊接完成后，发现焊缝表面无氧化现象，焊缝成型良好，无飞溅或具有少量飞溅，根据标准进行X射线探伤，结果为合格；根据标准进行点蚀评价，条件与实施例1相同，发现其点蚀电位为1.41V。

实施例9：

使用厚度6mm的2205不锈钢板料，焊丝为1.2mm直径的2209实心焊丝，采用如表1中所示的焊接保护气，即采用按体积分数79.9％Ar，20％He， 0.1％CO₂的三元混合保护气体，并采用如表2所示的焊接工艺参数进行焊接。

在焊接完成后，发现焊缝表面无氧化现象，焊缝成型良好，无飞溅或具有少量飞溅，根据标准进行X射线探伤，结果为合格；根据标准进行点蚀评价，条件与实施例1相同，发现其点蚀电位为1.45V。

实施例10：

使用厚度6mm的2205不锈钢板料，焊丝为1.2mm直径的2209实心焊丝，采用如表1中所示的焊接保护气，即采用按体积分数59.9％Ar，40％He， 0.1％CO₂的三元混合保护气体，并采用如表2所示的焊接工艺参数进行焊接。

该实施例和实施例1是两个极端情况，在焊接完成后参考标准GB/T 32259-2015对焊缝进行了宏观评价，发现焊缝无氧化现象，焊缝成型较为均匀，几乎无飞溅；根据标准GB/T 3323.2-2019和GB/T 37910.1-2019对焊缝进行X射线探伤并评级，发现焊缝表现良好合格，图2和图5分别展示了实施例10焊缝的宏观形貌和X射线探伤结果。根据GB/T 17899-1999，对焊缝试样进行点蚀电位评价，测得焊缝试样其点蚀电位为1.45V，说明焊缝耐点蚀性能良好。

对比例1：

为测试CO₂临界值，使用按体积分数69.4％Ar、30％He、0.6％CO₂的混合保护气比例进行焊接，其余焊接参数皆与实施例1相同。焊接完成后对焊缝表面进行评估，发现焊缝表面氧化现象较为严重，可见CO₂比例大于0.5％虽然焊接成型可以接受，但会带来较为严重的氧化现象，对比例1的焊缝表面宏观形貌见图3所示。

采用本发明的实施例，其焊缝性能整体优良，根据GB/T 37910.1-2019标准评估，均可按验收等级一级验收，且其重要的点蚀性能优良，和2205材料相当，同时没有牺牲成本或效率，而超出本发明所规定的CO₂比例范围可能会导致焊缝表面氧化、飞溅、成型差等问题，威胁着焊缝的可靠性和安全性。

表1：实施例保护气成分(体积分数)

表2：实施例工艺参数。

Claims

1.一种用于2205双相不锈钢MIG焊的三元保护气体，以体积分数计为：0.1％≤CO₂≤0.5％、20.0％≤He≤40.0％，Ar为余量，所焊不锈钢工件材料为2205不锈钢，所述焊丝采用2209实心焊丝。

2.根据权利要求1所述的一种用于2205双相不锈钢MIG焊的三元保护气体，其特征在于：所述工件板料厚度6～10mm。

3.一种用于2205双相不锈钢MIG焊的焊接工艺，包含以下步骤：

步骤1：按上述配比，将三种气体通过专业的气体混配器均匀混合成焊接保护气体；

步骤2：采用丙酮溶液对焊接件进行清洁，清洁后采用熔化极气体保护焊设备进行焊接，其焊接参数为焊接电流为120～160A，焊接电压为20～25V，电源采用直流反接，焊接过程中层间温度为100～150℃，所述焊接速度为8～15mm/s；

步骤3：在焊接过程中采用保护气体对于样件进行保护，保证保护气体在焊接过程中完全的保护焊缝，直至焊接完成，保护气流量为15～25L/min。

4.根据权利要求3所述的一种用于2205双相不锈钢MIG焊的焊接工艺，其特征在于：所述焊接速度为8～15mm/s，采用直径为1.2mm的2209实心焊丝。