CN112475786B - 不锈钢/碳钢层状结构复合板材的焊接方法 - Google Patents

不锈钢/碳钢层状结构复合板材的焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了不锈钢/碳钢层状结构复合板材的焊接方法，先通过真空封焊、热轧工艺连接在一起，再经过连续控轧控冷技术轧制成所需规格的不锈钢/碳钢层状结构复合板材，再进行焊接坡口设计和加工，并采用专用焊材和激光加冷金属过渡复合焊接技术和埋弧自动焊工艺进行焊接。本发明焊接坡口设计简单且易于加工，不需要多层多道次及摆动焊接，对大壁厚复合板可直接实现穿透焊接，上下焊缝一次焊接成型，这样大大提高了焊接效率，显著降低了焊接热积累；另外，激光能量的高度集中也使得焊接热影响区更小，保证了焊缝具有优良综合力学性能。

Description

不锈钢/碳钢层状结构复合板材的焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及不锈钢/碳钢层状结构复合板材的焊接方法。
背景技术
腐蚀是一项全球性问题，存在于工业生产、油气能源的钻采输和炼化、以及食品和饮水等各行各业，影响甚广，损失巨大。层状结构双金属复合材料可以使强度、熔点、热膨胀系数差异极为悬殊的不同金属材料实现完美的冶金结合，集不同材料的优点于一体，可充分发挥不同材料的性能特性。
目前，城市饮用水管网建设中，PCCP管、球墨铸铁管的使用率占比相对较高，碳钢钢管的使用率占比较低，而不锈钢/碳钢层状结构冶金复合管的使用率几乎没有。要保证饮用水的高品质，除了水体本身的高品质外，其输送管道的内防腐是关键，当内防腐层一旦失效后，随即造成生活饮用水的二次污染，严重影响广大人民的身体健康。为了防止城市饮用水的二次污染出现黄水、黑水等现象，国内发达地区城市给、排水管网工程建设已开始采用不锈钢/碳钢层状结构复合管替代球墨铸铁管、PCCP管等。对于城市间给、排水管网工程建设，不锈钢/碳钢层状结构复合管是一种极具生命力的新型供水管材，其具有内防腐、使用寿命长、运行安全可靠等众多优点。
目前，不锈钢/碳钢层状结构复合板材的对焊连接工艺方法，主要存在焊接效率低、焊缝性能不稳定、焊接坡口设计复杂等主要问题。对于不锈钢层的焊接，常用方法是钨极氩弧焊，其焊接效率相对较低，每分钟不超过40mm，且焊速越高，焊接质量将难以保证；当焊接坡口深度超过3mm、宽度超过5mm时，钨极氩弧焊还将面临打底、填充和盖面三道焊接，且填充和盖面过程均需要摆动焊接，效率严重降低，焊缝性能也会因为热积累的影响而出现不稳定现象。
另外，大壁厚不锈钢/碳钢层状结构复合板材的对焊连接若是采用传统焊接方法(钨极氩弧焊和埋弧自动焊方法、熔化极惰性气体保护焊和埋弧焊、等离子弧焊和埋弧自动焊)，对其焊接坡口设计有特定要求，坡口形势复杂且尺寸精度难于保证，给生产带来不便。同时熔化极惰性气体保护焊和等离子弧焊在焊接过程会因为飞溅问题带来焊缝外观成型质量差的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种不锈钢/碳钢层状结构复合板材的焊接方法，解决了现有技术中存在的焊接效率低、焊缝性能不稳定、焊接坡口设计复杂的问题。
本发明所采用的技术方案是，不锈钢/碳钢层状结构复合板材的焊接方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将不锈钢层和碳钢层通过真空封焊、热轧、连续控轧控冷方式制备成层状结构冶金复合板；
步骤2、对步骤1得到的冶金复合板进行坡口加工，具体为，坡口形状采用“I+V”型，“V”型坡口加工于碳钢层一侧，深度为0～24mm，坡口夹角为60～80°，坡口外沿宽度为8～25mm，“I”型坡口加工于不锈钢层一侧，深度为10～30mm；
步骤3、对经过坡口加工的复合板材以坡口边为组对边进行两两组对，坡口间隙为0，然后从组对完成的一对复合板的碳钢层一侧每隔500mm长为一定点进行点焊；
步骤4、不锈钢层一侧“I”型坡口的焊接：完成定位点焊后，从不锈钢层一侧采用激光加冷金属过渡复合焊接方法进行焊接，形成不锈钢层焊缝熔覆金属，焊接过程正面不锈钢层焊缝熔池周围长250mm、宽20mm范围内进行惰性气体保护；
步骤5、碳钢层一侧“V”型坡口的焊接：待不锈钢层一侧完成全部焊接后空冷至室温，对碳钢层一侧“V”型坡口内进行清根处理，清根处理后，碳钢层一侧“V”型坡口采用埋弧自动焊进行焊接，形成碳钢层焊缝熔覆金属，焊接过程背面不锈钢层一侧焊缝高温红亮部位周围长250mm、宽20mm范围内进行惰性气体保护。
本发明的特点还在于：
步骤1中不锈钢层为304、304L、316、316L、N08825、N06625奥氏体不锈钢或3RE60、SAF2304、SAF2205铁素体-奥氏体双相不锈钢或AISI442、443、446铁素体不锈钢。
步骤1中碳钢层为Q235、Q345、X52、X60、X65、X70、X80、X90、X100碳素结构钢或压力容器钢或管线钢。
步骤1不锈钢层厚度为1～10mm。
步骤4中冷金属过渡焊焊丝为
Figure BDA0002737829100000031
的ER309L焊丝。
步骤4中不锈钢层焊缝熔覆金属宽度为4～10mm。
步骤5中埋弧自动焊焊丝为H08E，焊剂为SJ101G。
步骤5中碳钢层焊缝熔覆金属宽度为10～30mm，余高为1～3mm。
本发明的有益效果是：本发明不锈钢/碳钢层状结构复合板材的焊接方法焊接坡口设计简单且易于加工，不需要多层多道次及摆动焊接，对大壁厚复合板可直接实现穿透焊接，上下焊缝一次焊接成型，这样大大提高了焊接效率，显著降低了焊接热积累；激光能量的高度集中也使得焊接热影响区更小，保证了焊缝具有优良综合力学性能；不锈钢层一侧的焊接，相比熔化极惰性气体保护焊和等离子弧焊，激光加冷金属过渡复合焊接技术飞溅更小，焊缝外观成型质量相对更高；本发明方法焊接生产效率更高、焊缝质量和性能更加优良可靠、适用性更广、实用性更高。
附图说明
图1是通过本发明不锈钢/碳钢层状结构复合板材的焊接方法焊接得到的复合板材的结构示意图。
其中，1.不锈钢层，2.碳钢层，3.不锈钢层焊缝熔覆金属，4.碳钢层焊缝熔覆金属。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明不锈钢/碳钢层状结构复合板材的焊接方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将不锈钢层和碳钢层通过真空封焊、热轧、连续控轧控冷方式制备成层状结构冶金复合板；其中，不锈钢层为304、304L、316、316L、N08825、N06625奥氏体不锈钢或3RE60、SAF2304、SAF2205铁素体-奥氏体双相不锈钢或AISI442、443、446铁素体不锈钢；碳钢层为Q235、Q345、X52、X60、X65、X70、X80、X90、X100碳素结构钢或压力容器钢或管线钢；不锈钢层厚度为1～10mm；
步骤2、对步骤1得到的冶金复合板进行坡口加工，具体为，坡口形状采用“I+V”型，所述“V”型坡口加工于碳钢层一侧，深度为0～24mm，坡口夹角为60～80°，坡口外沿宽度为8～25mm，“I”型坡口加工于不锈钢层一侧，深度为10～30mm；
步骤3、对经过坡口加工的复合板材以坡口边为组对边进行两两组对，坡口间隙为0，然后从组对完成的一对复合板的碳钢层一侧每隔500mm长为一定点进行点焊；
步骤4、不锈钢层一侧“I”型坡口的焊接：完成定位点焊后，从不锈钢层一侧采用激光加冷金属过渡复合焊接方法进行焊接，冷金属过渡焊焊丝为
Figure BDA0002737829100000051
的ER309L焊丝，形成不锈钢层焊缝熔覆金属，宽度为4～10mm，焊接过程正面不锈钢层焊缝熔池周围长250mm、宽20mm范围内进行惰性气体保护；
步骤5、碳钢层一侧“V”型坡口的焊接：待不锈钢层一侧完成全部焊接后空冷至室温，对碳钢层一侧“V”型坡口内进行清根处理，并保证坡口底部无夹杂、焊瘤等异物或污染源存在，清根处理后，碳钢层一侧“V”型坡口采用埋弧自动焊进行焊接，埋弧自动焊焊丝为H08E，焊剂为SJ101G，形成碳钢层焊缝熔覆金属，宽度为10～30mm，余高为1～3mm，焊接过程背面不锈钢层一侧焊缝高温红亮部位周围长250mm、宽20mm范围内进行惰性气体保护，得到图1所示的焊接连接态不锈钢/碳钢层状结构复合板材。
组对好的一幅复合板材，在焊接前需要进行定位点焊，目的是为了防止焊接过程两块复合板发生相对位移，增大坡口间隙，造成焊缝无法成形或产生严重焊接缺陷。
实施例
不锈钢/碳钢层状结构复合板材的焊接方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将304不锈钢层和Q235碳钢层通过真空封焊、热轧、连续控轧控冷方式制备成层状结构冶金复合板，复合板材总壁厚为(4+20)mm＝24mm，Q235碳钢层厚度为20mm，304不锈钢层厚度为4mm；
步骤2、对步骤1得到的冶金复合板进行两纵边“I+V”型坡口铣削加工，并对坡口两边10～20mm范围内再次进行表面清理，坡口加工具体参数为：“V”型坡口位于碳钢层一侧，深度为10mm，坡口夹角为70°，坡口外沿宽度为20mm，“I”型坡口位于不锈钢层一侧且深度为14mm；
步骤3、完成坡口加工后，对组对好的一副304/Q235不锈钢/碳钢层状结构复合板材从碳钢层一侧每隔500mm长为一个定位点进行定位点焊，点焊后的复合板坡口间隙为0；
步骤4、采用激光加冷金属过渡复合焊接方法从304不锈钢层一侧“I”型坡口处进行焊接，焊接过程正面不锈钢层焊缝熔池附近长250mm、宽20mm范围内进行惰性气体保护；待不锈钢层焊缝熔覆金属成型且冷却致室温后，对碳钢层一侧“V”型坡口内进行清根处理，然后再采用埋弧自动焊对碳钢层侧“V”型坡口进行焊接，形成碳钢层焊缝熔覆金属，焊接过程背面不锈钢层一侧焊缝高温红亮部位附近长250mm、宽20mm范围内进行惰性气体保护；冷金属过渡焊采用
Figure BDA0002737829100000062
的ER309L焊丝，埋弧自动焊采用H08E焊丝，焊剂采用SJ101G。
焊接过程焊接工艺参数如表1和表2，得到的复合板焊缝性能测试结构如表3。
表1激光加冷金属过渡复合焊接试验参数
Figure BDA0002737829100000061
表2埋弧自动焊焊接参数
Figure BDA0002737829100000071
表3 304/Q235不锈钢/碳钢层状结构复合板焊缝性能测试结果
Figure BDA0002737829100000072
由上表3可知，通过本发明的焊接方法焊接的复合板材焊缝抗拉强度和焊缝冲击韧性优异。

Claims (1)

1.不锈钢/碳钢层状结构复合板材的焊接方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将不锈钢层和碳钢层通过真空封焊、热轧、连续控轧控冷方式制备成层状结构冶金复合板；
步骤2、对步骤1得到的冶金复合板进行坡口加工，具体为，坡口形状采用“I+V”型，所述“V”型坡口加工于碳钢层一侧，深度为0～24mm，坡口夹角为60～80°，坡口外沿宽度为8～25mm，“I”型坡口加工于不锈钢层一侧，深度为10～30mm；
步骤3、对经过坡口加工的复合板材以坡口边为组对边进行两两组对，坡口间隙为0，然后从组对完成的一对复合板的碳钢层一侧每隔500mm长为一定点进行点焊；
步骤4、不锈钢层一侧“I”型坡口的焊接：完成定位点焊后，从不锈钢层一侧采用激光加冷金属过渡复合焊接方法进行焊接，形成不锈钢层焊缝熔覆金属，中冷金属过渡焊焊丝为
Figure FDA0003517399380000011
的ER309L焊丝，不锈钢层焊缝熔覆金属宽度为4～10mm；焊接过程正面不锈钢层焊缝熔池周围长250mm、宽20mm范围内进行惰性气体保护；
步骤5、碳钢层一侧“V”型坡口的焊接：待不锈钢层一侧完成全部焊接后空冷至室温，对碳钢层一侧“V”型坡口内进行清根处理，清根处理后，碳钢层一侧“V”型坡口采用埋弧自动焊进行焊接，形成碳钢层焊缝熔覆金属，焊接过程背面不锈钢层一侧焊缝高温红亮部位周围长250mm、宽20mm范围内进行惰性气体保护；
所述步骤1中不锈钢层为304、304L、316、316L、N08825、N06625奥氏体不锈钢或3RE60、SAF2304、SAF2205铁素体-奥氏体双相不锈钢或AISI442、443、446铁素体不锈钢，不锈钢层厚度为1～10mm；所述步骤1中碳钢层为Q235、Q345、X52、X60、X65、X70、X80、X90、X100碳素结构钢或压力容器钢或管线钢；
所述步骤5中埋弧自动焊焊丝为H08E，焊剂为SJ101G，碳钢层焊缝熔覆金属宽度为10～30mm，余高为1～3mm。
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