CN113319404B - 一种节镍奥氏体不锈钢中空钨极氩弧焊方法 - Google Patents

一种节镍奥氏体不锈钢中空钨极氩弧焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种节镍奥氏体不锈钢中空钨极氩弧焊方法，该焊接方法依据焊接参数设定保护气流量、送丝速度、焊接电弧模式(连续、脉冲)、焊接电流和焊接速度，在不同的工艺参数(焊接电流、焊接电压、钨极末端尺寸)下，通过对钨极内孔气体(氩气和氮气)成分配比、气体流量的优化，可以满足不同板厚节镍奥氏体不锈钢的优质高效焊接。解决了常规的焊接方法，焊接完成后，焊缝的耐腐蚀能力下降，尤其是抗晶间腐蚀能力显著降低的技术问题，提出一种节镍奥氏体不锈钢中空钨极氩弧焊方法，氮气从钨极内孔送出，经过电弧高温区，分解成原子及离子的N粒子，更加容易进入液体熔池，弥补液态熔池中N元素的损失。

Description

一种节镍奥氏体不锈钢中空钨极氩弧焊方法
技术领域
本发明涉及一种节镍奥氏体不锈钢中空钨极氩弧焊方法，属于材料焊接加工技术领域。
背景技术
节镍奥氏体不锈钢(08Cr19Mn6Ni3Cu2N)通过添加Mn、Cu、N等元素部分替代昂贵的Ni元素达到稳定奥氏体的目的。大量研究结果表明节镍奥氏体不锈钢不仅耐蚀性能好，还具有优异的综合力学性能，是一种可替代常规奥氏体不锈钢(Cr-Ni系)在某些重要领域获得应用的资源节约型新钢种。
然而，加工技术的完善程度则是限制该材料成功走向工程化应用的关键，这其中就包括必不可少的焊接技术。已有的研究结果表明，常规的焊接方法，包括激光焊接、电弧焊接、激光-电弧复合焊接等，焊接完成后，焊缝的耐腐蚀能力下降，而导致耐腐蚀能力降低的主要原因是，热源作用下液态金属对N元素的固化能力降低，导致部分N元素从高温液态金属中逸出，同时还没有较好的补充措施，导致节镍奥氏体不锈钢高温液态金属凝固后形成的焊缝中N元素含量下降，焊缝组织中奥氏体含量随之降低，使焊缝耐腐蚀能力，尤其是抗晶间腐蚀能力显著降低。目前，该问题成为限制节镍奥氏体不锈钢市场化推广应用亟需解决的技术难题。
发明内容
本发明为了解决上述背景技术中提到的常规的焊接方法，焊接完成后，焊缝的耐腐蚀能力下降，尤其是抗晶间腐蚀能力显著降低的技术问题，提出一种节镍奥氏体不锈钢中空钨极氩弧焊方法，贴合实际情况旨在公开一种中空钨极内孔通入混合保护气(氮气、氩气、氦气等)的空心钨极氩弧焊接新方法。
本发明提出一种节镍奥氏体不锈钢中空钨极氩弧焊方法，具体包括以下步骤：
步骤1：利用钨极制样工具将空心钨极电子发射端预置成锥形，安装到焊枪上，将空心钨极电子发射端伸出内层保护气罩，控制空心钨极电子发射端和内层保护气罩末端之间的垂直距离为6-12mm；
步骤2：利用机械清理或化学清洗的方法对节镍奥氏体不锈钢工件的表面焊接区域进行打磨处理，并用酒精去除附近20mm区域内油污；
步骤3：微调焊枪姿态，保证空心钨极中轴线垂直于焊接试样表面，同时调整焊枪和工件的距离，使空心钨极的端面和工件之间的距离控制在4-6mm之间；
步骤4：根据板厚和焊接件的结构，设定最外层、内层、钨极内孔的保护气类型及保护气流量，钨极内孔的送丝速度，焊接电弧模式和焊接速度，其中，焊接模式设定为直流连续焊接模式，焊接电流设定为200-210A，送丝速度设定为1-1.2m/min，最外层保护气和内层保护气均为氩气，最外层保护气的流量设定为6-8L/min，内层保护气气体流量设定为5L/min，钨极内孔的气体为氩气和氮气的混合气，其中氮气流量为0.2L/min，氩气流量为0.8L/min，起焊电流控制在150-180A，起弧时间设定为0.2-0.3s，收弧电流设定为120-150A，焊接完成后保护气延迟送气时间设定为4-6s；
步骤5：依次检查确认冷却水、保护气、离子气、送丝装置、焊接行走机构和焊接电源等均处于正常工作状态；
步骤6：按启动按钮，完成2mm厚节镍奥氏体不锈钢待焊工件的焊接。
一种节镍奥氏体不锈钢中空钨极氩弧焊方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：利用钨极制样工具将空心钨极电子发射端预置成锥形，安装到焊枪上，将空心钨极电子发射端伸出内层保护气罩，控制空心钨极电子发射端和内层保护气罩末端之间的垂直距离为6-12mm；
步骤2：利用机械清理或化学清洗的方法对节镍奥氏体不锈钢工件的表面焊接区域进行打磨处理，并用酒精去除附近20mm区域内油污；
步骤3：微调焊枪姿态，保证空心钨极中轴线垂直于焊接试样表面，同时调整焊枪和工件的距离，使空心钨极的端面和工件之间的距离控制在4-6mm之间；
步骤4：根据板厚和焊接件的结构，设定最外层、内层、钨极内孔的保护气类型及保护气流量，钨极内孔的送丝速度，焊接电弧模式和焊接速度，其中，焊接电流设定为380-400A，送丝速度设定为3.2-3.5m/min，三路气体的流量设定如下：最外层保护气和内层保护气为氩气和氮气的混合气，其中氮气流量设定为2L/min，氩气流量设定为8L/min；内层气体为氩气，流量设定为6-8L/min；钨极内孔的气体为氩气和氮气的混合气，其中氮气流量为0.5L/min，氩气流量为0.5L/min，起焊电流控制在250-280A，起弧时间设定为0.3-0.5s，收弧电流设定为200-220A，焊接完成后保护气延迟送气时间设定为8-10s；
步骤5：依次检查确认冷却水、保护气、离子气、送丝装置、焊接行走机构和焊接电源等均处于正常工作状态；
步骤6：按启动按钮，完成5mm厚节镍奥氏体不锈钢待焊工件的焊接。
优选地，以节镍奥氏体不锈钢(08Cr19Mn6Ni3Cu2N)为基体材料，采用焊丝成分相同的节镍奥氏体不锈钢焊丝。
优选地，所述空心钨极为中空形状，其外径为6mm，内孔直径为2.8mm。
本发明所述的节镍奥氏体不锈钢中空钨极氩弧焊方法的有益效果为：
(1)本发明所述的中空钨极氩弧焊继承了传统钨极氩弧焊接的技术优势，可实现节镍奥氏体不锈钢的高质量焊接。
(2)本发明所述的中空钨极氩弧焊的保护气体从钨极中间区域送入，可以在液态熔池中心区域形成一个小凹坑，该凹坑的存在有利电弧的热量向熔池内部传输，对提升焊缝熔深有显著的促进作用。
(3)本发明所述的中空钨极氩弧焊，氮气从钨极内孔送出，经过电弧高温区，分解成原子及离子的N粒子，更加容易进入液体熔池，弥补液态熔池中N元素的损失。
(4)本发明所述的中空钨极氩弧焊的中空钨极内孔通入一定比例氮气，可降低电弧的电离能，有利于电弧的稳定燃烧。
(5)本发明所述的中空钨极氩弧焊的中空钨极的内孔不仅可以送出特定的保护气体改善熔池成分，还可以通过与同步送出焊丝的联合调控，实现对节镍奥氏体不锈钢组织性能的调控，到达优化焊缝成分，改善焊缝组织类型，提升焊缝耐腐蚀能力。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1为本发明所述的一种节镍奥氏体不锈钢中空钨极氩弧焊方法的示意图；
其中，1-焊接熔池、2-空心钨极、3-外层保护气罩、4-内层保护气罩、5-内层进气口、6-钨极内孔进气口、7-钨极内孔、8-外层进气口、9-内层气室、10-外层气室、11-电弧、12-基体材料。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式。本实施方式所述的节镍奥氏体不锈钢中空钨极氩弧焊方法，具体包括以下步骤：
步骤1：利用钨极制样工具将空心钨极2电子发射端预置成锥形，安装到焊枪上，将空心钨极2电子发射端伸出内层保护气罩4，控制空心钨极2电子发射端和内层保护气罩4末端之间的垂直距离为6-12mm；
步骤2：利用机械清理或化学清洗的方法对节镍奥氏体不锈钢工件的表面焊接区域进行打磨处理，并用酒精去除附近20mm区域内油污；
步骤3：微调焊枪姿态，保证空心钨极2中轴线垂直于焊接试样表面，同时调整焊枪和工件的距离，使空心钨极2的端面和工件之间的距离控制在4-6mm之间；
步骤4：根据板厚和焊接件的结构，设定最外层、内层、钨极内孔的保护气类型及保护气流量，钨极内孔的送丝速度，焊接电弧模式和焊接速度，其中，焊接模式设定为直流连续焊接模式，焊接电流设定为200-210A，送丝速度设定为1-1.2m/min，最外层保护气和内层保护气均为氩气，最外层保护气的流量设定为6-8L/min，内层保护气气体流量设定为5L/min，钨极内孔的气体为氩气和氮气的混合气，其中，氮气流量为0.2L/min，氩气流量为0.8L/min，起焊电流控制在150-180A，起弧时间设定为0.2-0.3s，收弧电流设定为120-150A，焊接完成后保护气延迟送气时间设定为4-6s；
步骤5：依次检查确认冷却水、保护气、离子气、送丝装置、焊接行走机构和焊接电源等均处于正常工作状态；
步骤6：按启动按钮，完成2mm厚节镍奥氏体不锈钢待焊工件的焊接。
所述的节镍奥氏体不锈钢指的是包含以氮气为奥氏体形成元素的不锈钢，该类型材料的N氮含量一般在1％-2％。
所述中空钨极2的钨极内孔7是钨极的中心通过机械加工、粉末冶金等加工方式形成的。
中空钨极内孔通入混合保护气具体指的是以氮气为主，其它气体为辅的混合气体，该类混合气体包括氩气、氦气等惰性气体，混合气体的内的气体种类大于或等于两种气体类型均可。
所述中空钨极焊炬的保护气共有三层，分别是空心钨极内孔气流(位于中空钨极2内部钨极内孔7内，从钨极内孔进气口6进入)、内层气体(位于内层保护气罩4和空心钨极2之间)和最外层气流(位于内层保护气罩4和外层保护罩3之间)。
所述节镍奥氏体不锈钢焊丝指的是以节镍奥氏体不锈钢的化学成分为基础开发出的新型节镍奥氏体不锈钢专用焊丝。
所述的中空钨极内孔的气体流量指的是混合气体中不同类型气体的流量总和。
实施例1：
综合该方法的技术要点，以节镍奥氏体不锈钢(08Cr19Mn6Ni3Cu2N)为基体材料，采用焊丝成分相同的节镍奥氏体不锈钢焊丝，其直径为1.2mm，对300×200×2mm的试样进行钨极内孔通入氩气和氮气混合气的中空钨极同轴填丝焊接实验，其具体实施步骤如下：
步骤1：利用钨极制样工具清理钨极电子发射端的污染物，将外径为6mm，内孔直径为2.8mm的空心钨极2的电子发射端加工成锥形，将加工好的空心钨极用钨极夹安装到焊枪上，钨极电子发射端需伸出保护气罩，空隙钨极电子发射端和保护气罩末端之间的垂直距离保持在10mm即可；
步骤2：利用机械清理或化学清洗的方法对300×200×2mm节镍奥氏体不锈钢待焊区域进行去污处理，并用酒精去除油污；
步骤3：微调焊枪姿态，保证钨极中轴线垂直于焊接试样表面，同时调整焊枪和工件的距离，使钨极电子发射端和工件之间的距离设定为4-5mm；
步骤4：依据焊接参数设定保护气流量、送丝速度、焊接电弧模式(连续、脉冲)、焊接电流和焊接速度，其中焊接模式设定为直流连续焊接模式，焊接电流设定为200-210A，送丝速度设定为1-1.2m/min，最外层保护气和内层保护气均为氩气，最外层保护气的流量设定为6-8L/min，内层保护气气体流量设定为5L/min，钨极内孔的气体为氩气和氮气的混合气，其中氮气流量为0.2L/min，氩气流量为0.8L/min，起焊电流控制在150-180A，起弧时间设定为0.2-0.3s，收弧电流设定为120-150A，焊接完成后保护气延迟送气时间设定为4-6s；
步骤5：依次检查确认冷却水、保护气、离子气、送丝装置、焊接行走机构和焊接电源等均处于正常工作状态；
步骤6：按启动按钮，实现2mm厚节镍奥氏体不锈钢的高质量焊接。
通过该方法焊接完成的节镍奥氏体薄板，抗点蚀能力提高22％，抗晶界腐蚀能力提升30％，焊接接头的抗拉强度和氩气保护下的焊接效果相当。
本发明方法的提出是基于氮气在电弧的高温区会分解为氮原子或氮离子，增加电弧与液态熔池交互区域的氮分压，这些分解后的粒子就更加容易以传热传质的方式进入高温液态熔池内部，同时对液态熔池中氮元素的逸出也起到一定的抑制作用，通过该方法的实施可以有效的改善节镍奥氏体不锈钢焊缝中的氮元素含量，提升焊缝的耐腐蚀能力。在不同的工艺参数(焊接电流、焊接电压、钨极末端尺寸)下，通过对钨极内孔气体(氩气和氮气)成分配比、气体流量的优化，可以满足不同板厚节镍奥氏体不锈钢的优质高效焊接。
除了通过钨极内孔可以加入氮气外，中空钨极焊枪的最外层保护气也可加入一定比例的氮气，这对于较大焊接规范下的提升节镍奥氏体不锈钢的耐点蚀能力具有显著的作用。
此外，空心钨极内孔除了可以通过气体成分的调控实现对节镍奥氏体不锈钢钢耐腐蚀能力的改进外，中空钨极内孔7还可以同步送出节镍奥氏体不锈钢焊丝，通过焊丝成分和气体成分的联合调控实现对节镍奥氏体不锈钢耐腐蚀能力及综合力学性能的同步提升，满足不同服役环境对性能提出的特殊要求。
具体实施方式二：参见图1说明本实施方式。本实施方式所述的节镍奥氏体不锈钢中空钨极氩弧焊方法，具体包括以下步骤：
步骤1：利用钨极制样工具将空心钨极2电子发射端预置成锥形，安装到焊枪上，将空心钨极2电子发射端伸出内层保护气罩4，控制空心钨极2电子发射端和内层保护气罩4末端之间的垂直距离为6-12mm；
步骤2：利用机械清理或化学清洗的方法对节镍奥氏体不锈钢工件的表面焊接区域进行打磨处理，并用酒精去除附近20mm区域内油污；
步骤3：微调焊枪姿态，保证空心钨极2中轴线垂直于焊接试样表面，同时调整焊枪和工件的距离，使空心钨极2的端面和工件之间的距离控制在4-6mm之间；
步骤4：根据板厚和焊接件的结构，设定最外层、内层、钨极内孔的保护气类型及保护气流量，钨极内孔的送丝速度，焊接电弧模式和焊接速度，其中，焊接电流设定为380-400A，送丝速度设定为3.2-3.5m/min，三路气体的流量设定如下：最外层保护气和内层保护气为氩气和氮气的混合气，其中氮气流量设定为2L/min，氩气流量设定为8L/min；内层气体为氩气，流量设定为6-8L/min；钨极内孔的气体为氩气和氮气的混合气，其中氮气流量为0.5L/min，氩气流量为0.5L/min，起焊电流控制在250-280A，起弧时间设定为0.3-0.5s，收弧电流设定为200-220A，焊接完成后保护气延迟送气时间设定为8-10s；
步骤5：依次检查确认冷却水、保护气、离子气、送丝装置、焊接行走机构和焊接电源等均处于正常工作状态；
步骤6：按启动按钮，完成5mm厚节镍奥氏体不锈钢待焊工件的焊接。
实施例2：
实施例2是对5mm厚同材质的节镍奥氏体不锈钢进行不开坡口的多道多层焊接，操作流程相同，不同的是焊接参数存在较大差异，其中焊接电流设定为380-400A，送丝速度设定为3.2-3.5m/min。三路气体的流量设定如下：最外层保护气和内层保护气为氩气和氮气的混合气，其中氮气流量设定为2L/min，氩气流量设定为8L/min；内层气体为氩气，流量设定为6-8L/min；钨极内孔的气体为氩气和氮气的混合气，其中氮气流量为0.5L/min，氩气流量为0.5L/min，起焊电流控制在250-280A，起弧时间设定为0.3-0.5s，收弧电流设定为200-220A，焊接完成后保护气延迟送气时间设定为8-10s。
由于板厚较大时，焊接热输入较高，液态熔池内逸出的氮元素较多，因此在钨极内孔通入氩气的同时，钨极最外层气流也设定为氩气和氮气组成的混合气，同常规实心钨极氩弧焊相比，该方法在较大的焊接热输入下依然有效控制了焊缝内部的氮元素含量，抗点蚀能力提高了15％，抗晶界腐蚀能力提升24％，焊接接头的抗拉强度和氩气保护下的焊接效果相当。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种节镍奥氏体不锈钢中空钨极氩弧焊方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：利用钨极制样工具将空心钨极(2)电子发射端预置成锥形，安装到焊枪上，将空心钨极(2)电子发射端伸出内层保护气罩(4)，控制空心钨极(2)电子发射端和内层保护气罩(4)末端之间的垂直距离为6-12mm；
步骤2：利用机械清理或化学清洗的方法对节镍奥氏体不锈钢工件的表面焊接区域进行打磨处理，并用酒精去除附近20mm区域内油污；
步骤3：微调焊枪姿态，保证空心钨极(2)中轴线垂直于焊接试样表面，同时调整焊枪和工件的距离，使空心钨极(2)的端面和工件之间的距离控制在4-6mm之间；
步骤4：根据板厚和焊接件的结构，设定最外层、内层、钨极内孔的保护气类型及保护气流量，钨极内孔的送丝速度，焊接电弧模式和焊接速度，其中，焊接模式设定为直流连续焊接模式，焊接电流设定为200-210A，送丝速度设定为1-1.2m/min，最外层保护气和内层保护气均为氩气，最外层保护气的流量设定为6-8L/min，内层保护气气体流量设定为5L/min，钨极内孔的气体为氩气和氮气的混合气，其中，氮气流量为0.2L/min，氩气流量为0.8L/min，起焊电流控制在150-180A，起弧时间设定为0.2-0.3s，收弧电流设定为120-150A，焊接完成后保护气延迟送气时间设定为4-6s；
步骤5：依次检查确认冷却水、保护气、离子气、送丝装置、焊接行走机构和焊接电源均处于正常工作状态；
步骤6：按启动按钮，完成2mm厚节镍奥氏体不锈钢待焊工件的焊接；
以节镍奥氏体不锈钢为基体材料，采用焊丝成分相同的节镍奥氏体不锈钢焊丝；
或者步骤4与步骤6采用如下步骤：
步骤4：焊接电流设定为380-400A，送丝速度设定为3.2-3.5m/min，三路气体的流量设定如下：最外层保护气和内层保护气为氩气和氮气的混合气，其中，氮气流量设定为2L/min，氩气流量设定为8L/min；内层气体为氩气，流量设定为6-8L/min；钨极内孔的气体为氩气和氮气的混合气，其中氮气流量为0.5L/min，氩气流量为0.5L/min，起焊电流控制在250-280A，起弧时间设定为0.3～0.5s，收弧电流设定为200-220A，焊接完成后保护气延迟送气时间设定为8-10s；
步骤6：按启动按钮，完成5mm厚节镍奥氏体不锈钢待焊工件的焊接。
2.根据权利要求1所述的节镍奥氏体不锈钢中空钨极氩弧焊方法，其特征在于，所述空心钨极(2)为中空形状，其外径为6mm，内孔直径为2.8mm。
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