CN113681126A - 超级双相不锈钢异种高合金材料的焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超级双相不锈钢异种高合金材料的焊接工艺，其适用于异种高合金材料的焊接，焊接工艺包括加工坡口、背部保护以及工件焊接。在对工件进行焊接时，该焊接工艺通过高纯氮或者98％氩气+2％氮气的混合气体或者98％氩气+3％氮气的混合气体作为背部保护气体，以控制最大氧气含量不超过100ppm，结合焊接过程中控制焊接线能量不超过15KJ/cm的设定，可以有效地减少焊接过程中超级双相不锈钢焊接时形成二次相的几率，避免因后道焊接线能量过大而造成前道焊缝中铁素体转变成二次奥氏体的情况，降低二次奥氏体对焊缝耐腐蚀性的影响，提高焊缝处的抗腐蚀性，保证工件焊接的整体结构强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种超级双相不锈钢异种高合金材料的焊接工艺，特别涉及一种超级双相钢异种高合金材料的焊接工艺，可适用于炼油设备、石油化工设备、管道、相关动力装置，以及处于海水等腐蚀环境中设备的焊接。
背景技术
超级双相不锈钢是指PREN>40，含25％Cr和高钼(>3.5％)，高氮(0.22％-0.30％)的双相钢。目前，主要牌号有UNS S32550、S32750和S32760。
超级双相不锈钢因具有优良的力学性能和耐腐蚀性能而在海洋工程和船舶行业中得到了大量的应用。但是，在实际使用过程中，会存在异种合金材料的焊接，如存在S32750与S32760的焊接接头，由于S32750与S32760化学成分、力学性能不同，如S32750与S32760异种合金的材料的焊缝容易被腐蚀，从而出现失效的情况。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的超级双相不锈钢异种高合金材料的焊接，异种合金的材料在焊接时，焊缝容易被腐蚀而出现失效的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种超级双相不锈钢异种高合金材料的焊接工艺，所述焊接工艺适用于异种高合金材料的焊接，所述焊接工艺包括如下步骤：加工坡口，在工件焊缝处设置坡口；背部保护，在工件上开设进气口和排气口，并向进气口中通入高纯氮或者98％氩气+2％氮气的混合气体或者98％氩气+3％氮气的混合气体作为背部保护气体，以使测定最大氧气含量不超过100ppm；工件焊接，采用钨极氩弧焊，采用98％氩气+2％氮气的混合气体或者97％氩气+3％氮气的混合气体作为保护气体，焊接线能量不超过15KJ/cm。
可选地，所述工件焊接的步骤包括打底焊接，所述打底焊接的焊接电流为60A-120A，焊接电压为8V-14V，最大线能量不超过15KJ/cm。
可选地，所述工件焊接的步骤还包括第二道焊接，所述第二道焊接在所述打底焊接之后进行，所述第二道焊接的焊接电流为70A-150A，焊接电压为8V-14V，最大线能量为12KJ/cm。
可选地，所述工件焊接的步骤还包括填充盖面焊接，所述填充盖面焊接在所述第二道焊接之后进行，所述填充盖面焊接的焊接电流为60A-150A，焊接电压为8V-14V，最大线能量为15KJ/cm。
可选地，所述工件焊接的步骤中还包括测定层间温度，并控制所述层间温度为10℃-150℃。
可选地，所述工件焊接的步骤中采用ER2594双相不锈钢焊丝作为填充材料。
可选地，在所述加工坡口的步骤中，所述坡口的为V形坡口，所述坡口的单边角度为25°-35°，所述坡口的钝边为1mm-2mm。
可选地，完成所述加工坡口的步骤后，在进行所述背部保护的步骤之前，先清洁并打磨坡口及焊缝周围50mm范围内的区域。
可选地，在进行工件焊接的步骤前，先将待焊接的工件采用搭桥方式进行定位，焊缝间隙为2mm-4mm；焊接前先将焊缝坡口采用胶带缠绕。
可选地，所述焊接工艺还包括焊后试验，所述焊后试验在所述工件焊接的步骤之后进行，对完成焊接的工件进行检测；所述焊后试验包括无损检测、抗拉强度检测、硬度测定、铁素体含量测定以及腐蚀试验；所述腐蚀试验为将完成焊接的工件浸泡在50℃的100gFeCl3·6H2O中24小时后，测定工件的失重，并用显微镜观察工件表面腐蚀情况。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：本发明的超级双相不锈钢异种高合金材料的焊接工艺适用于异种高合金材料的焊接，在对工件进行焊接时，通过高纯氮或者98％氩气+2％氮气的混合气体或者98％氩气+3％氮气的混合气体作为背部保护气体，以控制最大氧气含量不超过100ppm，结合焊接过程中控制焊接线能量不超过15KJ/cm的设定，可以有效地减少焊接过程中超级双相不锈钢焊接时形成二次相的几率，避免因后道焊接线能量过大而造成前道焊缝中铁素体转变成二次奥氏体的情况，降低二次奥氏体对焊缝耐腐蚀性的影响，提高焊缝处的抗腐蚀性，保证工件焊接的整体结构强度。
附图说明
图1是本发明超级双相不锈钢异种高合金材料的焊接工艺的流程图。
图2是本发明超级双相不锈钢异种高合金材料的焊接工艺一实施例管路焊接示意图。
图3是本发明超级双相不锈钢异种高合金材料的焊接工艺一实施例管路焊接另一示意图。
附图标记说明如下：10、第一管路；11、进气口；20、第二管路；21、排气口；30、密封件；40、胶带。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
参阅图1，本申请一实施例提供一种超级双相不锈钢异种高合金材料的焊接工艺，其中，超级双相不锈钢具体是指PREN>40，含25％Cr和高钼(>3.5％)，高氮(0.22％-0.30％)的双相钢，其主要牌号有UNS S32550、S32750和S32760等。
本申请的该焊接工艺适用于异种高合金材料的焊接，如适用于牌号为S32550和S32750两种高合金材料的焊接，或者牌号为S32550和S32760两种高合金材料的焊接，或者牌号为S32750和S32760两种高合金材料的焊接。
针对异种高合金材料，本申请的焊接工艺采用了特定的背部保护气体，设定了焊接前的最大沿其含量，并对应设置了焊接过程中的最大线能量，以解决异种材料因化学成分和力学性能不同而造成的焊缝易腐蚀的缺陷。
具体地，本申请的焊接工艺包括如下步骤：
S10、加工坡口，在工件焊缝处设置坡口；
S20、背部保护，在工件上开设进气口和排气口，并向进气口中通入高纯氮或者98％氩气+2％氮气的混合气体或者98％氩气+3％氮气的混合气体作为背部保护气体，以使测定最大氧气含量不超过100ppm；
S30、工件焊接，采用钨极氩弧焊，采用98％氩气+2％氮气的混合气体或者97％氩气+3％氮气的混合气体作为保护气体，焊接线能量不超过15KJ/cm。
进一步地，在步骤S10中，工件的焊缝处加工的坡口为V形。对于管状工件的焊接，分别在每个管状工件的端部焊缝处设置单V形坡口，该坡口的单边角度为25°-35°，坡口的钝边为1mm-2mm。
在工件焊缝处完成坡口设置后，清洁并打磨工件待焊接的表面，使工件的表面光洁、平整，没有毛刺、撕裂、裂纹或者其他会严重影响焊接强度和焊接质量的不稳定因素。
在对工件焊缝处进行清理时，需要保证焊缝坡口及焊缝周围50mm范围的区域内清洁，没有潮气、油、渣、铁锈、氧化物或任何可能污染焊缝的外来杂质，保证后续焊接稳定性及焊接质量。
工件焊缝处设置坡口及清洁完成后，可以对待焊接的工件进行装配，便于工件的定位焊接。
可以采用搭桥方式对工件进行定位，并保持工件的焊缝间隙为2mm-4mm。定位焊道应该避免含有气孔、夹渣、裂纹等焊接缺陷，并且定位焊焊道的起点和终点在焊接前都应当打磨光滑。
此外，需要注意的是，工件上焊缝的破出口需要采用专用的胶带缠绕，以避免焊接前焊缝坡口被污染，确保焊接质量。
步骤S10加工坡口、焊缝破口处清洁处理以及工件装配定位完成后，可进行步骤S20背部保护。
对于管状工件的焊接，在通入背部保护气体前，需要先将工件两端与焊接接头用纸包装胶带、海绵塞或专用塞封闭。再在工件上开口，其中一个待焊接的工件上设置进气口，另一待焊接的工件上设置排气口，在焊接接头的顶部开孔。
由进气口向工件中通入高纯氮或者98％氩气+2％氮气的混合气体或者98％氩气+3％氮气的混合气体作为背部保护气体。在通入背部保护气体之前以及通入背部保护气体的过程中，使用测氧设备进行氧气含量的测定。
当测定的最大氧气含量不超过100ppm时，可以开始工件焊接作业。
采用高纯氮或者98％氩气+2％氮气的混合气体或者98％氩气+3％氮气的混合气体作为背部保护气体，背部保护气体中不含氢气，可以有效地避免氢气引起工件开裂的情况，同时在焊接前和焊接时通入上述成分的背部保护气体，并将最大氧气含量控制在不超过100ppm，保证焊接工件的稳定性。
在步骤S30工件焊接的过程中，采用钨极氩弧焊，使用ER2594双相不锈钢焊丝作为填充材料，并采用98％氩气+2％氮气的混合气体或者97％氩气+3％氮气的混合气体作为保护气体。
具体地，本申请的步骤S30工件焊接可以包括S31打底焊接、S32第二道焊接以及S33填充盖面焊接。
其中，在步骤S31打底焊接中，焊接电流为60A-120A，焊接电压为8V-14V，最大线能量不超过15KJ/cm。
在步骤S32第二道焊接中，焊接电流为70A-150A，焊接电压为8V-14V，最大线能量为12KJ/cm。
在步骤S33填充盖面焊接中，焊接电流为60A-150A，焊接电压为8V-14V，最大线能量为15KJ/cm。
对于工件焊接的过程，始终将最大线能量控制在不超过15KJ/cm，结合焊接时通过通入高纯氮或者98％氩气+2％氮气的混合气体或者98％氩气+3％氮气的混合气体作为背部保护气体而将最大氧气含量控制在不超过100ppm，以有效地减少焊接过程中级双相不锈钢焊接时形成二次相的几率，避免因后道焊接线能量过大而造成前道焊缝中铁素体转变成二次奥氏体的情况，降低二次奥氏体对焊缝耐腐蚀性的影响，提高焊缝处的抗腐蚀性，保证工件焊接的整体结构强度。
可以理解地是，步骤S30工件焊接不限于上述三道焊接的示例，可以包括多层多道焊接，只要控制各道焊接作业的焊接能量不超过15KJ/cm即可，以有效地确保焊接过程中级双相不锈钢焊接时形成二次相的几率达到最低。
如尺寸为φ88.9×7.62管件的焊接，焊接一般需要六道或七道。在每道焊接过程中，需要控制每道焊缝的线能量，特别是第一道不能大于15KJ/cm，第二道不能大于12KJ/cm，第三到第七道不能大于15KJ/cm。这样能保证打底有很好的两相比例，得到较优的理化性能，同时第二道低线能量有效地减少焊接过程中超级双相不锈钢焊接时形成二次相的几率，提高焊缝的腐蚀性能。
此外，在步骤S30工件焊接中，随时测定各层温度，并控制层间温度在10℃-150℃，直至焊接完成。
每层焊接完成后，可以相应地进行层间清理。对于超级双相不锈钢异种高合金材料，可以使用手工打磨机，以免对工件造成损伤。同时在打磨过程中避免使用含铁基材料，如不得使用用于打磨合金钢或碳钢的打磨片，进一步地保证焊接位置处的结构强度。
在本申请的超级双相不锈钢异种高合金材料的焊接工艺中，在工件焊接完成后，可以对工件进行试验，即焊接工艺还包括焊后试验。
焊后试验可以包括无损检测、抗拉强度检测、硬度测定、铁素体含量测定以及腐蚀试验。除上述例举的检测试验之外，焊后试验还可以包括金相检测、焊缝金属抗点腐蚀当量测定、夏比冲击试验以及微观组织放大观察。
其中，腐蚀试验为将完成焊接的工件浸泡在50℃的100g FeCl3·6H2O中24小时后，测定工件的失重，并用显微镜观察工件表面腐蚀情况。
在实际工作工程中，现以钻井平台海水冷却系统ASTM A790 UNS32750和UNS32760异种材料焊接为例，具体阐述超级双相不锈钢异种高合金材料的焊接工艺。
对于该钻井平台海水冷却系统，待焊接的管路尺寸有以下五种规格：φ60.3×2.77、φ88.9×3.05、φ88.9×7.62、φ168.3×3.4、φ273×4.19。
如图2所示，设定待焊接的管路为第一管路10和第二管路20。先在待焊接第一管路10和第二管路20上加工坡口，坡口为V形坡口，V形坡口形成的夹角α为60°。第一管路10和第二管路20上的单边角度为30°，坡口钝边的长度L为1mm。坡口设置完成后，打磨并清理焊缝周边50mm范围的区，保持焊缝区域的清洁。
参阅图3，将加工完坡口的管路采用搭桥方式进行定位装配，保证焊缝间隙为2mm-4mm。在焊接前，将第一管路10和第二管路20的焊缝破口处用专用的胶带40缠绕，避免焊缝处的污染。
然后将第一管路10和第二管路20背离焊缝处的端口用密封件30封闭，该密封件30可以为纸包装胶带40、海绵塞或专用塞等。再在第一管路10和第二管路20上开设进气口11和排气口21。其中，进气口11开设在第一管路10的外端，且靠近第一管路10的底部设置。排气口21设置在第二管路20的外端，且靠近第二管路20的顶部设置。
通过进气口11向第一管路10和第二管路20中通入98％氩气+2％氮气的混合气体作为背部保护气体，并测定氧气含量，控制最大氧气含量不超过100ppm。
背部保护完成后，对第一管路10和第二管路20进行焊接。焊接保护气体为98％氩气+2％氮气的混合气体，采用钨极氩弧焊，并使用ER2594双相不锈钢焊丝作为填充材料。
先对第一管路10和第二管路20进行打底焊接，其焊接电流为75A-100A，焊接电压为9V-13V，最大线能量为14.5KJ/cm。然后在打底焊接的基础上对第一管路10和第二管路20进行第二道焊接，其焊接电流为70A-150A，焊接电压为8V-14V，最大线能量为12KJ/cm。第二道焊接完成后，再进行填充盖面焊接，其焊接电流为60A-150A，焊接电压为8V-14V，最大线能量为15KJ/cm。
在对第一管路10和第二管路20的焊接过程中，随时测定层间温度，控制层间温度为124℃，从而完成第一管路10和第二管路20的焊接。
焊接完成后，对焊接好的第一管路10和第二管路20进行焊后试验，相关测试结果如下：
(1)、无损检测：可以通过射线探伤、超声波探伤、磁粉、渗透和涡流探伤的方式进行检测，其检测结果为100％无损检测合格。
(2)、抗拉强度检测：其抗拉强度≥800MPa，符合要求。
(3)、焊接好的第一管路10和第二管路20弯曲无开口的缺陷，符合要求。
(4)、硬度测定：其硬度≤340HV10，符合要求。
(5)、金相检测：其金相显示焊缝成形良好，焊缝完全焊透，无裂纹和未熔合缺陷，符合要求。
(6)、铁素体含量测定：其铁素体含量为35％-65％，符合要求。
(7)、焊缝金属抗点腐蚀当量测定：其焊缝PREN≥40，符合要求。
(8)、夏比冲击试验：其在-46℃的夏比V型缺口冲击试验值＞45J，符合要求。
(9)、微观组织放大观察：其经微观组织放大400到500倍，没有有害的金属间化合物和沉淀，符合要求。
(10)、腐蚀试验：将焊接好的第一管路10和第二管路20浸泡在50℃的100gFeCl3·6H2O中24小时，硬泡后测定其失重≤4.0g/m2，显微镜放大20倍观察被润湿管路的表面，没有出现明显点蚀，符合要求。
综合上述焊后试验的结果，第一管路10和第二管路20焊接100％探伤没有问题，其力学性能、化学成分、相比例、耐腐蚀性等都符合要求。
对于本申请的超级双相不锈钢异种高合金材料的焊接工艺，适用于异种高合金材料的焊接，在对工件进行焊接时，通过高纯氮或者98％氩气+2％氮气的混合气体或者98％氩气+3％氮气的混合气体作为背部保护气体，以控制最大氧气含量不超过100ppm，结合焊接过程中控制焊接线能量不超过15KJ/cm的设定，可以有效地减少焊接过程中超级双相不锈钢焊接时形成二次相的几率，避免因后道焊接线能量过大而造成前道焊缝中铁素体转变成二次奥氏体的情况，降低二次奥氏体对焊缝耐腐蚀性的影响，提高焊缝处的抗腐蚀性，保证工件焊接的整体结构强度。尤其针对海工平台，通过本申请焊接工艺焊接的工件，可以使用双相不锈钢异种高合金材料替代传统碳钢管，在提高耐腐蚀性要求的基础上，还可以实现平台的轻量化设计，从而使该超级双相不锈钢异种高合金材料的焊接工艺广泛应用在浮式液化天然气生产储卸装置上部模块、石油化工及电力行业等领域。
虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种超级双相不锈钢异种高合金材料的焊接工艺，其特征在于，所述焊接工艺适用于异种高合金材料的焊接，所述焊接工艺包括如下步骤：
加工坡口，在工件焊缝处设置坡口；
背部保护，在工件上开设进气口和排气口，并向进气口中通入高纯氮或者98％氩气+2％氮气的混合气体或者98％氩气+3％氮气的混合气体作为背部保护气体，以使测定最大氧气含量不超过100ppm；
工件焊接，采用钨极氩弧焊，采用98％氩气+2％氮气的混合气体或者97％氩气+3％氮气的混合气体作为保护气体，焊接线能量不超过15KJ/cm。
2.根据权利要求1所述的焊接工艺，其特征在于，所述工件焊接的步骤包括打底焊接，所述打底焊接的焊接电流为60A-120A，焊接电压为8V-14V，最大线能量不超过15KJ/cm。
3.根据权利要求2所述的焊接工艺，其特征在于，所述工件焊接的步骤还包括第二道焊接，所述第二道焊接在所述打底焊接之后进行，所述第二道焊接的焊接电流为70A-150A，焊接电压为8V-14V，最大线能量为12KJ/cm。
4.根据权利要求3所述的焊接工艺，其特征在于，所述工件焊接的步骤还包括填充盖面焊接，所述填充盖面焊接在所述第二道焊接之后进行，所述填充盖面焊接的焊接电流为60A-150A，焊接电压为8V-14V，最大线能量为15KJ/cm。
5.根据权利要求4所述的焊接工艺，其特征在于，所述工件焊接的步骤中还包括测定层间温度，并控制所述层间温度为10℃-150℃。
6.根据权利要求1所述的焊接工艺，其特征在于，所述工件焊接的步骤中采用ER2594双相不锈钢焊丝作为填充材料。
7.根据权利要求1所述的焊接工艺，其特征在于，在所述加工坡口的步骤中，所述坡口的为V形坡口，所述坡口的单边角度为25°-35°，所述坡口的钝边为1mm-2mm。
8.根据权利要求1所述的焊接工艺，其特征在于，完成所述加工坡口的步骤后，在进行所述背部保护的步骤之前，先清洁并打磨坡口及焊缝周围50mm范围内的区域。
9.根据权利要求1所述的焊接工艺，其特征在于，在进行工件焊接的步骤前，先将待焊接的工件采用搭桥方式进行定位，焊缝间隙为2mm-4mm；焊接前先将焊缝坡口采用胶带缠绕。
10.根据权利要求1所述的焊接工艺，其特征在于，所述焊接工艺还包括焊后试验，所述焊后试验在所述工件焊接的步骤之后进行，对完成焊接的工件进行检测；所述焊后试验包括无损检测、抗拉强度检测、硬度测定、铁素体含量测定以及腐蚀试验；
所述腐蚀试验为将完成焊接的工件浸泡在50℃的100g FeCl3·6H2O中24小时后，测定工件的失重，并用显微镜观察工件表面腐蚀情况。
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