CN113351966A - 一种用于低合金钢与奥氏体不锈钢的异种钢焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于低合金钢与奥氏体不锈钢的异种钢焊接方法，本发明的特点要点是：在选取低合金钢试板与奥氏体不锈钢试板，将焊接端加工坡面→将两件试板组对形成V形槽→钨极氩弧焊打底焊第一层→焊条电弧焊焊接第二第三层→焊条电弧焊在低合金钢板的坡面上堆焊一层→埋弧焊将V形槽填满，从而得到异种钢焊接完成品。通过该方法制得的低合金钢与奥氏体不锈钢的试件，力学性能合格，宏观金相没有可见焊接缺陷，满足产品对焊接性能的要求，可在产品焊接中应用。本发明的有益效果是，钨极氩弧焊打底降低了对焊工操作技能单面焊双面成形的难度，可避免背面清根这一过程；直接在组对后的低合金侧坡口面上堆焊隔离层，不需要堆焊后对堆焊面的打磨，节约了焊材，降低了成本，节省了人力，保护了环境；应用了埋弧焊，提高了生产效率，尤其适合厚板焊接；用异种钢常规焊材打底和堆焊，用不锈钢常规同种钢焊材埋弧焊，有效的控制了焊接成本。

Description

一种用于低合金钢与奥氏体不锈钢的异种钢焊接方法

技术领域

本发明涉及异种钢焊接技术领域，具体说就是一种用于低合金钢与奥氏体不锈钢的异种钢焊接方法。

背景技术

用埋弧焊直接焊接异种钢历来是实体焊接界(如容器制造)的难题，纵观各制造厂没有实际应用，多见工厂实践应用中焊接失败的事实，也偶见有相关资料(论文)的成功报道。在压力容器制造业，即使焊接工艺评定合格，也没人敢在产品上应用。异种钢焊接一直都是采用钨极氩弧焊，焊条电弧焊，熔化极气体保护焊，没有用埋弧焊的。异种钢埋弧焊即使焊接工艺评定通过了，在产品上应用的时候还是会出问题，如在实用中看到，换热器壳程筒体和管板直接采用埋弧焊焊接，结果，整条焊缝中心开裂。因此，异种钢焊接不能直接采用埋弧焊，因为不易控制焊接的开裂程度。

由于埋弧焊电流参数大，熔合比大，填充金属被稀释的程度高，焊缝金属不可避免的产生马氏体脆硬组织，这是埋弧焊的固有特性，靠控制焊接工艺参数也不可能完全避免，靠选用合金含量更高的焊材如镍基合金焊材控制稀释率是不经济的。要想将埋弧焊应用于异种钢焊接来提高焊接效率需要变通，即在低合金钢侧用其它的低稀释率的焊接方法预堆边，即做隔离过渡层，一般情况下需要对隔离过渡层再加工成标准的坡口形式，保证与不锈钢焊件的组对精度。这种焊接方式在容器的异种钢焊接上得到普遍应用，焊接质量可靠，尤其适用于厚板对接焊缝的焊接。

专利授权公开号为CN 101214573 B公开了一种中温厚壁WB36(珠光体耐热钢)和1Cr18Ni9Ti(奥氏体不锈钢)异种钢焊接工艺，其步骤包括：①用A307焊条在WB36钢侧先预堆边三层作隔离层，焊后进行消氢处理；②打磨堆焊层表面至8mm，然后与1Cr18Ni9Ti组成对接接头；③用A307或A137焊条电弧焊填充焊完。

专利申请公开号为CN 108247186 A公开了一种SUS316L奥氏体不锈钢与Weldox700E低合金调质钢异种钢焊接的焊接方法，其步骤包括：①用E309MoL-17焊条在Weldox700E钢侧先预堆边一层作隔离层；②机加堆焊层后与SUS316L组成对接接头；③用A022焊条电弧焊填充焊完。

专利申请公开号为CN 108247186 A公开了一种用于珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢的异种钢焊接方法，其步骤包括：①用ENiCrFe-3焊条在珠光体耐热钢侧堆焊；②打磨堆焊层表面，然后与奥氏体不锈钢组成对接接头形式，用ERNiCr-3焊丝进行钨极氩弧焊打底；③用ENiCrFe-3焊条电弧焊填充焊完；④焊后热处理。

专利授权公开号为CN 105127562 B公开了一种不锈钢复合板与奥氏体不锈钢间焊接接头的焊接方法，其步骤包括：①用ENiCrMo-3焊条在不锈钢复合板的14Cr1MoR铬钼耐热钢部位先预堆边三层作隔离层，堆焊后进行消应力退火热处理；②打磨退火后复合板侧的堆焊层成坡口，然后与奥氏体不锈钢组成对接接头形式；③用ERNiCrMo-3焊丝进行钨极氩弧焊打底，用ENiCrMo-3焊条电弧焊填充焊完。

以上四项发明专利申请中，存在如下问题：①先堆焊预堆边过渡层，然后打磨，工作量大，浪费焊材；②用焊条电弧焊填充和罩面焊接效率低，不适用于厚板焊接；③用镍基合金作焊材，成本高。

发明内容

为了克服上述异种钢焊接现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于低合金钢与奥氏体不锈钢的异种钢焊接方法。通过该方法制得的异种钢焊件，焊接操作方便，省时省力，节省焊材，生产效率高；用异种钢焊接的常规焊材，控制成本；通过试验，力学性能合格，宏观金相中无焊接缺陷。

本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：一种用于低合金钢与奥氏体不锈钢的异种钢焊接方法，其特征在于它包括以下步骤：

①.准备母材和焊材：选取低合金钢板与奥氏体不锈钢板各一件，其钢板厚度在≧16mm，用机械加工方法将其焊接端均加工成斜口的坡面，选取钨极氩弧焊用的异种钢焊丝ER309或ER309LMo、焊条电弧焊用的异种钢焊条A302或A042和埋弧焊用的同种钢焊丝ER308或ER316L和埋弧焊用焊剂HJ260或SJ601若干，并在焊前，将焊条和焊剂按焊材使用说明书的要求进行烘干；

②.钨极氩弧打底焊接：将低合金钢的坡面与奥氏体不锈钢的坡面留3mm～4mm间隙对接摆放，使得两种钢的坡面形成一个V形槽，用异种钢焊丝对该V形槽采用钨极氩弧焊进行第一层焊接，焊缝金属厚度约2.0mm～2.5mm；

③.焊条电弧焊填充焊和坡面堆焊：选用异种钢焊条在钨极氩弧焊的第一层焊道上采用焊条电弧焊进行第二层和第三层的焊接，焊缝金属厚度约4.0mm～4.5mm，三层后的总厚度不低于6.0mm，使之能够承受住之后的埋弧焊电弧冲击，不致于烧穿；然后继续选用异种钢焊条在低合金钢侧的坡面上进行焊条电弧焊堆焊，堆焊一层即可，焊道紧密排列，压道量50％，焊接速度放慢，使之形成的堆焊层厚度不低于3mm；

④.埋弧焊填充和盖面焊接：选用同种钢焊丝和焊剂采用埋弧焊方法对剩余的V形槽部分进行填充和盖面焊接，采用至少二层二道或以上的多层多道焊接，控制道间温度在20℃至200℃范围内，防止焊缝和热影响区过热，埋弧焊将V形槽填充焊接完毕后即为成品。

本发明还包括所述的低合金钢板适用于NB/T 47015-2011中的钢号分类类别号为Fe-1的钢种，包括：Q245R、Q345R、16MnDR、09MnNiDR、Q370R。

本发明还包括所述的奥氏体不锈钢板适用于NB/T 47015-2011中的钢号分类组别号为Fe-8-1的钢种，包括：S30408，S30403，S31603，S32168。

本发明所述的钢板厚度在16mm～200mm范围内。

本发明在所述①准备工作中将低合金钢和奥氏体不锈钢的焊接端加工的坡面角度均为35±2.5°。

本发明在所述①准备工作中选取的异种钢焊丝的直径为φ2.5mm或φ3.2mm，异种钢焊条的直径为φ4.0mm，埋弧焊用的同种钢焊丝的直径为φ4.0mm，埋弧焊用焊剂的目数为8目～60目。

本发明在所述②打底焊接工作中的钨极氩弧焊采用的钨极直径为φ3.0mm，喷嘴直径为φ10mm～12mm，电流140A～160A，保护气体Ar≥99.99％，流量为8L/min～10L/min，背保护气流量为10L/min～12L/min。

本发明在所述③填充焊和坡面堆焊工作中的焊条电弧焊的工艺参数均为电流150A～160A，电压28V～34V，焊接速度170mm/min～220mm/min。

本发明在所述④埋弧焊工作中的焊接参数为电流480A～520A，电压30V～35V，焊接速度400mm/min～450mm/min。

本发明所选取的异种钢焊丝的直径为φ2.5mm或φ3.2mm。

本发明所选取的异种钢焊条的直径为φ4.0mm。

本发明所选取的埋弧焊用同种钢焊丝的直径为φ4.0mm。

本发明所选取的埋弧焊用焊剂的目数为8目～60目。

本发明意义在于，创造条件可将埋弧焊方便快捷的应用于异种钢的焊接中，这样可显著提高焊接效率，但需要做好隔离过渡层防止埋弧焊焊缝金属被稀释，因此，本发明不仅做了低合钢侧的堆焊过渡层，而且先做了异种钢组对后的钨极氩弧焊加焊条电弧焊的打底，目的同样是起到异种钢焊接的隔离作用，也是为埋弧焊的应用做准备。本发明的工艺过程有一个显著特征，就是没有低合钢侧堆焊过渡层后的再加工坡口过程，这样显著提高了工作效率和节省了焊接材料。另外，本发明的钨极氩弧焊打底的时机与以上在先公开的发明专利不同，在先公开的发明专利是过渡层后的组对打底焊接，本发明的打底是过渡层前的异种钢直接组对后的打底焊接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：不再是传统的先在低合金钢侧堆焊，然后打磨的方式，而是采用异种钢直接组对后，以钨极氩弧焊打底，然后在坡口面上直接堆焊过渡层的方式，再之后以埋弧焊填充焊和罩面。有益效果有：①钨极氩弧焊打底降低了对焊工操作技能的要求，易于实现单面焊双面成形，并可避免背面清根这一过程；②直接在组对后的低合金侧坡口面上堆焊隔离层，不需要堆焊后对堆焊面的打磨，节约了焊材，降低了成本，节省了人力，保护了环境；③应用了埋弧焊，提高了生产效率，尤其适合于厚板焊接；④用焊接异种钢的常规不锈钢焊材打底和堆焊，用与不锈钢常规匹配的同种钢焊材埋弧焊，可有效控制焊接成本。

附图说明

图1是本发明的用于低合金钢与奥氏体不锈钢的异种钢的工艺流程示意图；(a)坡面加工，(b)坡面组对，(c)钨极氩弧焊打底，(d)焊条电弧焊填充，(e)在低合金侧焊条电弧焊堆焊隔离层，(f)埋弧焊完成焊接。图2(f)中，“1”低合金钢试板；“2”奥氏体不锈钢试板；“3”钨极氩弧打底焊道；“4”焊条电弧焊填充打底焊道；“5”低合金钢试板侧堆焊层；“6”埋弧焊焊道。

图2是采用本发明的实施例1的异种钢焊接的焊接接头宏观形貌图。宏观金相显示，焊接层次清晰，在焊缝金属中没有发现焊接缺陷。在此宏观金相中，“16MnDR”为实施例1的低合金钢母材，“S30408”为实施例1的奥氏体不锈钢母材。“7”为第1层钨极氩弧焊道，“8、9”为焊条电弧焊打底焊道，“10”为焊条电弧焊在低合金钢侧坡面上的多道排列的堆焊焊道(本应呈现与坡面平行的条状，但大部分已被熔入之后的埋弧焊焊道)，“11～20”为埋弧焊焊道。

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。

具体实施方式

实施例1

由图1所示，本实施例应用于低合金钢与奥氏体不锈钢的异种钢焊接工艺过程包括以下步骤：

第一步，准备母材和焊材

选取厚度为30mm的低合金钢板16MnDR和厚度为26mm的奥氏体不锈钢板S30408各一件，用机械加工方法将它们的焊接端加工成坡面(图1(a))。选取ER309焊丝(钨极氩弧焊用)、A302焊条和埋弧焊用的ER308焊丝和焊剂HJ260若干，并在焊前，将A302焊条和焊剂HJ260按焊材使用说明书的要求烘干。

第二步，钨极氩弧打底焊接

将低合金钢的坡面与奥氏体不锈钢的坡面留3mm～4mm间隙对接摆放，使得两种钢的坡面形成一个V形槽(图1(b))。将16MnDR侧的坡面预热到80℃～200℃。用ER309焊丝对该V形槽采用钨极氩弧焊进行第1层焊接，仅焊一层一道(图1(c)、图1(f)中(3)和图2(7))，焊缝金属厚度约2.0mm～2.5mm。

第三步，焊条电弧焊填充焊和坡面堆焊

选用A302焊条在钨极氩弧焊的第1层焊道上采用焊条电弧焊进行第2层和第3层的焊接，每层一道(图1(d)、图1(f)中(4)和图2(8、9))，焊缝金属厚度约4.0～4.5mm，三层后的总焊缝金属厚度不低于6.0mm，使之能承受住之后的埋弧焊电弧，不致烧穿。然后继续选用A302焊条在低合金钢侧的坡面上进行电弧堆焊第4层(图1(e)、图1(f)中(5)和图2(10))，堆焊一层多道，焊道紧密排列，压道量50％，焊接速度放慢，使之形成的堆焊层厚度不低于3mm。控制道间温度在80℃至200℃范围内。

第四步，埋弧焊填充和盖面焊接

埋弧焊填充和盖面焊接：选用ER308焊丝和焊剂HJ260采用埋弧焊方法对剩余的V形槽部分进行填充和盖面焊接(图1(f)中(6)和图2(11～20))，远红外测温仪监测，控制道间温度在20℃至150℃范围内，防止焊缝和热影响区过热，埋弧焊将V形槽填充焊接完毕后即为成品。

在上述实施例中，第一步准备工作将低合金钢和奥氏体不锈钢的焊接端加工的坡面角度均为35±2.5°，选取的ER309焊丝的直径为φ2.5mm或φ3.2mm，A302焊条的直径为φ4.0mm，埋弧焊用焊丝ER308的直径为φ4.0mm，埋弧焊所用焊剂HJ260的目数为8目～40目。

第二步钨极氩弧打底焊接工作中的钨极氩弧焊采用的钨极直径为φ3.0mm，喷嘴直径为φ10mm～12mm，电流140A～160A，保护气体Ar≥99.99％，流量为8L/min～10L/min，背保护气流量为10L/min～12L/min。

第三步焊条电弧焊填充焊和坡面堆焊工作中的焊条电弧焊的工艺参数均为电流150A～160A，电压28V～34V，焊接速度170mm/min～220mm/min。

第四步埋弧焊工作中的焊接参数为电流480A～520A，电压30V～35V，焊接速度400mm/min～450mm/min。

第二步、第三步和第四步的焊接工艺参数见表1。

表1实施例1的焊接工艺参数

为了评价低合金钢和奥氏体不锈钢采用本发明的异种钢焊接方法所得焊件接头的综合性能，对实施例1的焊件接头按NB/T 47014-2011《承压设备焊接工艺评定》的要求制取拉伸试样、弯曲试样(侧弯)和冲击试样，分别进行了拉伸试验、弯曲试验和冲击试验来综合评定力学性能。经试验，焊接接头的抗拉强度、塑性和致密性以及韧性指标合格，见表2。

表2实施例1的焊接接头力学性能

实施例2

本实施例的工艺步骤与图1的对应关系和实施例1相同，本实施例应用于低合金钢与奥氏体不锈钢的异种钢焊接工艺过程包括以下步骤：

第一步，准备母材和焊材

选取厚度为40mm的低合金钢板Q245R与奥氏体不锈钢板S30408各一件，用机械加工方法将它们的焊接端加工成35±2.5°坡面。选取的焊接材料与实施例1相同。

第二步，除了Q245R侧的坡面不需要预热外，钨极氩弧打底焊接与实施例1相同。

第三步，除了控制道间温度在20℃至200℃范围内外，焊条电弧焊填充焊和坡面堆焊与实施例1相同。

第四步，埋弧焊填充和盖面焊接与实施例1相同。

第二步、第三步、第四步中相应的焊接方法的焊接工艺参数与实施例1相同，故省略。

实施例2的焊接接头的抗拉强度等各项力学性能指标合格，见表3。

表3实施例2的焊接接头力学性能

实施例3

本实施例的工艺步骤与图1的对应关系和实施例1相同，本实施例应用于低合金钢与奥氏体不锈钢的异种钢焊接工艺过程包括以下步骤：

第一步，准备母材和焊材

选取厚度为60mm的低合金钢板Q345R与奥氏体不锈钢板S31603各一件，用机械加工方法将它们的焊接端加工成坡面。选取ER309LMo氩弧焊丝、A042焊条和埋弧焊用的ER316L焊丝和焊剂HJ260若干。在焊前，将A042焊条和焊剂HJ260按焊材使用说明书的要求烘干。

第二步，钨极氩弧打底焊接

将Q345R的坡面与S31603的坡面留3mm～4mm间隙对接摆放，使得两种钢的坡面形成一个V形槽。将Q345R的坡面预热到80℃～120℃。用ER309LMo焊丝对该V形槽采用钨极氩弧焊进行第1层焊接，也是一层一道，焊缝金属厚度约2.0mm～2.5mm。

第三步，焊条电弧焊填充焊和坡面堆焊

选用A042焊条在钨极氩弧焊的第1层焊道上采用焊条电弧焊进行第2层和第3层的焊接，每层一道，焊缝金属厚度约4.0～4.5mm，三层后的总焊缝金属厚度不低于6.0mm。然后继续选用A042焊条在Q345R侧的坡面上电弧堆焊，堆焊一层，厚度不低于3mm。控制道间温度在80℃～200℃之间。

第四步，埋弧焊填充和盖面焊接

埋弧焊填充和盖面焊接：选用ER316L焊丝和焊剂HJ260采用埋弧焊方法对剩余的V形槽进行填充和盖面焊接。控制道间温度在20℃至150℃范围内。埋弧焊将V形槽填充焊接完毕。

在实施例3中，第一步准备工作将Q345R和S31603的焊接端加工成35±2.5°的坡面，选取的ER309LMo焊丝的直径为φ2.5mm或φ3.2mm，A042焊条的直径为φ4.0mm，埋弧焊用焊丝ER316L的直径为φ4.0mm，埋弧焊用焊剂HJ260的目数为8目～40目。

第二步、第三步、第四步中相应的焊接方法的焊接工艺参数与实施例1相同，故省略。

实施例3的焊接接头的抗拉强度等各项力学性能指标合格，见表4。

表4实施例3的焊接接头力学性能

在上述三个实施例中，采用的低合金钢板厚度分别为30mm、40mm、60mm，采用的奥氏体不锈钢板厚度分别为26mm、40mm、60mm，按NB/T 47014-2011《承压设备焊接工艺评定》的评定规则，适用于焊件母材厚度有效范围是16mm～200mm。

Claims (9)

1.一种用于低合金钢与奥氏体不锈钢的异种钢焊接方法，其特征在于它包括以下步骤：

①.准备母材和焊材：选取低合金钢板与奥氏体不锈钢板各一件，其钢板厚度在≧16mm，用机械加工方法将其焊接端均加工成斜口的坡面，选取钨极氩弧焊用的异种钢焊丝ER309或ER309LMo、焊条电弧焊用的异种钢焊条A302或A042和埋弧焊用的同种钢焊丝ER308或ER316L和埋弧焊用焊剂HJ260或SJ601若干，并在焊前，将焊条和焊剂按焊材使用说明书的要求进行烘干；

②. 钨极氩弧打底焊接：将低合金钢的坡面与奥氏体不锈钢的坡面留3mm~4mm间隙对接摆放，使得两种钢的坡面形成一个V形槽，用异种钢焊丝对该V形槽采用钨极氩弧焊进行第一层焊接，焊缝金属厚度约2.0mm~2.5mm；

③. 焊条电弧焊填充焊和坡面堆焊：选用异种钢焊条在钨极氩弧焊的第一层焊道上采用焊条电弧焊进行第二层和第三层的焊接，焊缝金属厚度约4.0mm~4.5mm，三层后的总厚度不低于6.0mm，使之能够承受住之后的埋弧焊电弧冲击，不致于烧穿；然后继续选用异种钢焊条在低合金钢侧的坡面上进行焊条电弧焊堆焊，堆焊一层即可，焊道紧密排列，压道量50%，焊接速度放慢，使之形成的堆焊层厚度不低于3mm；

④. 埋弧焊填充和盖面焊接：选用同种钢焊丝和焊剂采用埋弧焊方法对剩余的V形槽部分进行填充和盖面焊接，采用至少二层二道或以上的多层多道焊接，控制道间温度在20℃至200℃范围内，防止焊缝和热影响区过热，埋弧焊将V形槽填充焊接完毕后即为成品。

2. 根据权利要求1所述的异种钢焊接方法，其特征在于：所述的低合金钢板适用于NB/T 47015-2011中的钢号分类类别号为Fe-1的钢种，包括：Q245R、Q345R、16MnDR、09MnNiDR、Q370R。

3. 根据权利要求1所述的异种钢焊接方法，其特征在于：所述的奥氏体不锈钢板适用于NB/T 47015-2011中的钢号分类组别号为Fe-8-1的钢种，包括：S30408，S30403，S31603，S32168。

4.根据权利要求1所述的异种钢焊接方法，其特征在于：所述的钢板厚度在16mm~200mm范围内。

5.根据权利要求1所述的异种钢焊接方法，其特征在于：所述①准备工作中将低合金钢和奥氏体不锈钢的焊接端加工的坡面角度均为35±2.5°。

6.根据权利要求1所述的异种钢焊接方法，其特征在于：所述①准备工作中选取的异种钢焊丝的直径为φ2.5mm或φ3.2mm，异种钢焊条的直径为φ4.0mm，埋弧焊用的同种钢焊丝的直径为φ4.0mm，埋弧焊用焊剂的目数为8目~60目。

7.根据权利要求1所述的异种钢焊接方法，其特征在于：所述②打底焊接工作中的钨极氩弧焊采用的钨极直径为φ3.0mm，喷嘴直径为φ10mm~12mm，电流140A~160A，保护气体Ar≥99.99%，流量为8L/min~10L/min，背保护气流量为10L/min~12L/min。

8.根据权利要求1所述的异种钢焊接方法，其特征在于：所述③填充焊和坡面堆焊工作中的焊条电弧焊的工艺参数均为电流150A~160A，电压28V~34V，焊接速度170mm/min~220mm/min。

9.根据权利要求1所述的异种钢焊接方法，其特征在于：所述④埋弧焊工作中的焊接参数为电流480A~520A，电压30V~35V，焊接速度400mm/min~450mm/min。

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