CN113814563A - 提高MIG焊接Cr-Ni系不锈钢耐腐蚀性的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于Cr‑Ni系不锈钢焊接相关技术领域，其公开了一种提高MIG焊接Cr‑Ni系不锈钢耐腐蚀性能的方法及装置，该方法包括：在保护气气氛下，在MIG焊接时采用激光束辅助MIG电弧对待焊件进行焊接，其中，所述保护气的成分为惰性气体和氮气的混合气，所述惰性气体与氮气的气流量比为22.5∶2.5～17.5∶7.5，所述激光束的能量为0.6～1.5KW，以使激光照射待焊件表面产生金属蒸汽为MIG电弧提供稳定的阴极斑点促进MIG电弧电离，同时氮气发生电离反应，提高了熔池的含氮量，进而扩大奥氏体相的凝固温度区间，加速铁素体向奥氏体的转变，提升耐腐蚀性能。

Description

提高MIG焊接Cr-Ni系不锈钢耐腐蚀性的方法及装置

技术领域

本发明属于Cr-Ni系不锈钢焊接相关技术领域，更具体地，涉及一种提高MIG焊接Cr-Ni系不锈钢耐腐蚀性能的方法及装置。

背景技术

Cr-Ni系不锈钢由于其较好的耐腐蚀性能和力学性能已成为核电领域、船舶领域以及管道运输领域的重要材料。在核电管道和压力容器等Cr-Ni系不锈钢焊接中，为了避免焊缝及热影响区发生应力腐蚀开裂，降低焊缝处的裂纹扩展速率，规定在纯氩气或者非氧化性气氛中进行焊接。在纯Ar气氛下MIG焊接Cr-Ni系不锈钢时会因为表面阴极斑点来回漂移而影响电弧稳定性，同时熔池粘滞，不利于熔池铺展，焊缝内部气孔残留。

现有技术中有往纯Ar气里混入低电离能的O₂或CO₂开展Cr-Ni系不锈钢的MAG焊接。虽然O₂或CO₂促进电弧电离，增强了电弧稳定性，但是这些气体会在高温弧柱区分解，导致焊缝内部存在大量微气孔，并且含氧量会大幅增加，导致焊缝的耐应力腐蚀性能下降，并且增加服役过程中应力腐蚀开裂倾向以及Mn、Si等难熔氧化物的析出倾向。

工程上统计，Cr-Ni系不锈钢焊件因焊接质量和腐蚀等问题引起的故障高达50％，其中，晶间腐蚀和应力腐蚀占很大部分，因此急需一种先进的MIG焊接方法来增强Cr-Ni系不锈钢焊件的耐腐蚀性能，提升Cr-Ni系不锈钢构件在核电管道、压力容器等领域的使用寿命、提升经济效益。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种提高MIG焊接Cr-Ni系不锈钢耐腐蚀性的方法及装置，有效对奥氏体相进行强化并加速铁素体向奥氏体的转变以形成稳定奥氏体相，增强了耐腐蚀性能。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种提高MIG焊接Cr-Ni系不锈钢耐腐蚀性能的方法，所述方法包括：在保护气气氛下，在MIG焊接时采用激光束辅助MIG电弧对待焊件进行焊接，其中，所述保护气的成分为惰性气体和氮气的混合气，所述惰性气体与氮气的气流量比为22.5∶2.5～17.5∶7.5，所述激光束的能量为0.6～1.5KW，以使激光照射待焊件表面产生金属蒸汽为MIG电弧提供了稳定的阴极斑点促进MIG电弧电离，同时氮气发生电离反应，提高了熔池的含氮量，进而扩大奥氏体相的凝固温度区间，加速铁素体向奥氏体的转变，提升耐腐蚀性能。

优选地，所述惰性气体为氩气，所述氩气与氮气的气流量比为22.5∶2.5～17.5∶7.5；进一步优选的，氩气与氮气的流量比为20∶5～17.5∶7.5。

优选地，所述在MIG焊接时采用激光束辅助MIG电弧进行焊接具体步骤为：在MIG焊接过程中，MIG的焊枪产生的电弧在后，激光束在前的焊接方式进行焊接。

优选地，在激光-MIG复合焊接增材时上一层焊材的温度为150～200℃；

优选地，MIG焊接的工艺参数为：

采用CMT冷金属过渡，送丝速度3.2～8.2m/min，扫描速度40～50cm/min。

优选地，在焊接之间还需要对待焊件进行打磨和清洗，以除去待焊件表面的氧化膜和油污。

按照本发明的另一个方面，提供了一种用于实现上述的提高MIG焊接Cr-Ni系不锈钢耐腐蚀性能的方法和装置，所述装置包括焊枪以及激光器，其中，焊枪通过其端部的焊丝对待焊件进行电弧焊接，所述激光器用于产生激光束，所述激光束与所述焊枪的夹角为30～60°，所述激光束的能量为0.6～1.5KW；所述焊枪输出的保护气为惰性气体与氮气的混合气，所述惰性气体与氮气的气流量比为22.5∶2.5～17.5∶7.5。

优选地，所述激光束的斑点与焊丝末端的距离为0～2mm；所述焊丝干伸长为1.0～1.2mm。

优选地，所述装置还包括热成像仪，用于对已焊接的焊件进行测温。

优选地，所述焊枪与待焊件表面面的夹角为120～150℃，所述激光束垂直于待焊件表面。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的提高MIG焊接Cr-Ni系不锈钢耐腐蚀性的方法及装置作用机理以及有益效果如下：

1.本申请在焊接的过程中，激光束照射待焊件表面产生金属蒸汽也即光致等离子体，为MIG电弧提供了较为稳定的阴极斑点，保证了在较高电离能的惰性气氛中MIG焊接Cr-Ni系不锈钢的电弧稳定性，同时在惰性气体和N₂气氛下，N₂凭借较高的热导率和较高的摩尔热容使得MIG电弧与熔池在混合气氛中形成更高效的热对流模式，促进MIG电弧中N₂向N⁺的电离反应，进而提高了熔池的含氮量。随着熔池中N元素的增加，Ni_eq增加，扩大了奥氏体相的凝固温度区间，有利于减少不锈钢焊缝中铁素体含量，加快γ奥氏体在熔池凝固过程中的析出速率，同时避免脆性相的析出和热裂纹的产生。

2.随着熔池中渗入的N元素含量增加，点蚀当量值PREN增加，Cr-Ni系不锈钢焊缝的综合耐点蚀性能增强，同时熔池中渗入N元素后，焊缝铁素体含量降低，抑制了Cr、Mo元素在铁素体与奥氏体界面处的偏析程度，提升了Cr-Ni不锈钢焊缝表面在腐蚀性介质中产生的钝化膜的致密性和稳定性，表现为相应焊缝的点蚀电位和自腐蚀电位得到提升、钝化区间得到扩大。

3.本申请中的激光光束能量为0.6～1.5KW的低能量激光束，激光能量高于1.5KW时，会增加激光的“窄间隙效应”，导致焊缝的熔深增加，不利于熔池中的气泡上浮和逸出，最终容易导致熔池底部残留有气孔缺陷。激光能量低于0.6KW时，对MIG电弧的诱导稳定作用较弱，不利于Cr-Ni系不锈钢在惰性气体和氮气保护焊接下焊道的铺展，而且导致焊道表面成形形貌较差。该能量范围内，既能促进MIG电弧的电离，保证MIG电弧在无氧化性气氛中的稳定性，促进焊道的铺展，也促进了N₂向N⁺的电离反应，增加熔池的N元素含量。

4.氩气和氮气的气流量比为22.5∶2.5～17.5∶7.5，既可以实现对焊接区域的有效保护防止氧化，又可以实现氮气的电离量的比例，使得氮离子不至于过高或过低，比例太低，熔池中的氮元素含量不高，耐腐蚀性能提升效果不显著；比例太高，达到熔池中N元素的溶解度，多余的则以氮气泡的形式上浮和逸出，容易残留有气孔，降低耐腐蚀性。

5.小功率激光对MIG电弧的诱导压缩作用可以保证MIG焊接Cr-Ni系不锈钢更加稳定，不发生熔滴飞溅，进而满足氮气电离苛刻的环境要求，使得氮气能够稳定地电离，保障氮离子均匀的渗入到熔池中，得到抗腐蚀性能优良的Cr-Ni系不锈钢焊件。

6.本申请首次将一种先进的激光辅助增氮方法应用到Cr-Ni系不锈钢的MIG焊接中，降低了Cr-Ni系不锈钢焊件的铁素体相含量，以达到增加奥氏体相含量的目的，从而提高Cr-Ni系不锈钢焊件的耐腐蚀性能，延长其在核电管道、压力容器等领域的服役寿命，缩减更换成本。

7.装置简单只需对现有装置进行稍微改动即可，具有显著的经济效益，便于工业化应用。

附图说明

图1是氮气辅助激光-MIG复合焊接Cr-Ni系不锈钢的示意图；

图2是氮气辅助激光-MIG复合焊接Cr-Ni系不锈钢熔池的吸氮与脱氮示意图；

图3是氮气辅助激光-MIG复合焊接Cr-Ni系不锈钢焊缝的动电位极化曲线图；

图4是氮气辅助激光-MIG复合焊接Cr-Ni系不锈钢焊缝的阻抗谱图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-焊枪，2-熔池，3-焊丝，4-待焊件，5-Ar-N2混合气体，6-激光束。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种提高MIG焊接Cr-Ni系不锈钢耐腐蚀性的方法，该方法包括：在保护气气氛下，在MIG焊接时采用激光束辅助MIG电弧对待焊件进行焊接，其中，所述保护气的成分为惰性气体和氮气的混合气，所述惰性气体与氮气的气流量比为22.5∶2.5～17.5∶7.5，所述激光束的能量为0.6～1.5KW，以使激光照射待焊件表面产生金属蒸汽为MIG电弧提供了稳定的阴极斑点促进MIG电弧电离，同时氮气发生电离反应，提高了熔池的含氮量，进而扩大奥氏体相的凝固温度区间，加速铁素体向奥氏体的转变，提高耐腐蚀性能。

在MIG焊接过程中，MIG的焊枪产生的电弧在后，激光束在前的焊接方式进行焊接。MIG焊接的工艺参数为：采用CMT冷金属过渡，送丝速度3.2～8.2m/min，扫描速度40～50cm/min。进一步优选为送丝速度4.2～8.2m/min，扫描速度42～50cm/min。

其中，惰性气体优选为氩气；进一步优选的，氩气与氮气的流量比为20∶5～17.5∶7.5。本实施例中氩气和氮气的总流量为25L/min。

本实施例中激光束的能量功率进一步优选为1.2～1.5kw。

在对待焊件进行焊接之间还包括对待焊接进行预处理，例如进行打磨并用酒精或丙酮进行清洗，以除去待焊接表面的氧化膜和油污。

在激光-MIG复合焊接增材时上一层焊道的温度为150～200℃，进一步优选为170～200℃；也即逐层进行焊接时，在焊接下一层时，控制前一层的温度在一定范围，例如180℃，继续焊接下一层，增材焊接成形后自然冷却至室温，松开夹具，取下Cr-Ni系不锈钢增材结构件。

根据工装示意图调节并固定好光纤激光器、焊枪与机器人的相对位置。根据增材构件的三维形状和切片处理，获得机器人的行走路径。调节好Ar：N2气流量比，在焊枪前端形成合适的Ar-N2保护气氛。调节好激光-MIG电弧熔丝增材的工艺参数，在Ar-N₂气氛中逐层增材待加工的Cr-Ni系不锈钢构件。每增材下一层时，控制前一层表面的最高温度150～200℃。

在已凝固的Cr-Ni系不锈钢中的N浓度反映了激光-MIG电弧复合焊接过程中N₂气泡、N原子和N⁺离子之间的转换与平衡。附图2显示在高温MIG电弧气氛下的N₂，一部分在向熔池界面运动的过程中逃逸到空气中，一部分受激分解生成N原子和N⁺离子并穿过熔池表面层，最终融入熔池中，受激后的N和N⁺在液态熔池中的溶解速度比没有受激的N₂分子要快得多，多余的N也会以N₂气泡形式往上浮出。在激光-MIG复合焊接过程中，N₂的溶解过程要比平衡状态下复杂，因为熔化金属过热度大，激光-MIG电弧气氛中有受激的N₂分子、N原子和N⁺离子，这增加了N₂活性，因此激光-MIG复合焊接时熔池吸收的N含量远超过它的平衡浓度。根据Sievert定律，在0.5～0.6atm^1/2标准大气压下，N₂最高分压3×10^-3～4×10^-3。在该压力下，氮浓度为0.06wt％，大约为非电弧平衡熔化状态下的20倍。

本申请另一方面提供了一种实现上述提高MIG焊接Cr-Ni系不锈钢耐腐蚀性的方法的装置，所述装置包括焊枪以及激光器其中，焊枪通过其端部的焊丝对待焊接进行电弧焊接，所述激光器用于产生激光束，所述激光束与所述焊枪的夹角为30～60°，所述激光束的能量为0.6～1.5KW；焊枪输出的气体为惰性气体与氮气的混合气，所述惰性气体与氮气的气流量比为22.5∶2.5～17.5∶7.5。

进一步优选的激光器的额定输出功率为4000W，功率调节范围10％-100％，输出功率稳定度±1.5％，保证焊接过程中激光功率的稳定性。

所述激光束的斑点与焊丝末端的距离为0～2mm；所述焊丝为1.0～1.2mm。

所述装置还包括热成像仪，用于对已焊接的焊件进行测温。

所述焊枪与待焊件表面面的夹角为120～150℃，所述激光束垂直于待焊件表面。

焊枪和激光器可以同时固定于一个机器人上。

如图1和图2所示，工作过程如下：

S1：调整好焊枪1和激光器的相对位置并固定于机器人上，本实施例中焊枪的倾角为135℃，焊丝3为1.0mm。激光束6垂直入射待焊件4，离焦量(激光斑点与焊丝末端的距离)2mm。

S2：将待焊件4进行打磨并用酒精或丙酮进行清理，将其固定于工作台上。

S3：根据待焊接的Cr-Ni系不锈钢构件的三维形状和切片处理，获得机器人的行走路径，并输入到机器人的控制面板中。在机器人沿着编程路径向前运动时，MIG电弧在前，激光束在后，同时设置机器人往左右两边的摆幅1.0-3.5mm，摆动频率1.0-1.5Hz，设置MIG焊接的工艺参数为：采用CMT冷金属过渡，激光束功率1.0kw，送丝速度6.2m/min，扫描速度40cm/min，Ar-N₂混合气体5流量比20L/min：5L/min，Ar-N₂混合气体5的总流量25L/min。

S4：采用热成像仪，控制前一层的表面温度180℃，继续增材下一层，增材成形后熔池2自然冷却至室温，松开夹具，取下Cr-Ni系不锈钢增材结构件。

实施例1

将待焊件进行打磨并用酒精或丙酮进行清理，将其固定于工作台上，在保护气气氛下，在MIG焊接时采用激光束辅助焊枪对待焊件进行焊接，所述保护气的成分为氩气和氮气的混合气，氩气与氮气的气流量比为22.5∶2.5，激光束的能量为0.6KW，在MIG焊接过程中，MIG的焊枪产生的电弧在前，激光束在后的焊接方式进行焊接。待焊件的材料为Cr-Ni系不锈钢。

实施例2

将待焊件进行打磨并用酒精或丙酮进行清理，将其固定于工作台上，在保护气气氛下，在MIG焊接时采用激光束辅助焊枪对待焊件进行焊接，所述保护气的成分为氩气和氮气的混合气，氩气与氮气的气流量比为20∶5，激光束的能量为1.2KW，在MIG焊接过程中，MIG的焊枪产生的电弧在前，激光束在后的焊接方式进行焊接。待焊件的材料为Cr-Ni系不锈钢。

实施例3

将待焊件进行打磨并用酒精或丙酮进行清理，将其固定于工作台上，在保护气气氛下，在MIG焊接时采用激光束辅助焊枪对待焊件进行焊接，所述保护气的成分为氩气和氮气的混合气，氩气与氮气的气流量比为17.5∶7.5，激光束的能量为1.5KW，在MIG焊接过程中，MIG的焊枪产生的电弧在前，激光束在后的焊接方式进行焊接。待焊件的材料为Cr-Ni系不锈钢。

实施例4

将待焊件进行打磨并用酒精或丙酮进行清理，将其固定于工作台上，在保护气气氛下，在MIG焊接时采用激光束辅助焊枪对待焊件进行焊接，所述保护气的成分为氩气和氮气的混合气，氩气与氮气的气流量比为24∶1，激光束的能量为1.2KW，在MIG焊接过程中，MIG的焊枪产生的电弧在前，激光束在后的焊接方式进行焊接。待焊件的材料为Cr-Ni系不锈钢。

实施例5

将待焊件进行打磨并用酒精或丙酮进行清理，将其固定于工作台上，在保护气气氛下，在MIG焊接时采用激光束辅助焊枪对待焊件进行焊接，所述保护气的成分为氩气和氮气的混合气，氩气与氮气的气流量比为17.3∶7.7，激光束的能量为1.2KW，在MIG焊接过程中，MIG的焊枪产生的电弧在前，激光束在后的焊接方式进行焊接。待焊件的材料为Cr-Ni系不锈钢。

如图3和图4所示，随着Ar-N₂中N₂气流量的增加，焊缝的点蚀电位和钝化区间均明显增大，并且钝化膜的稳定性都得到了显著提升，表明焊缝的综合耐腐蚀性能得到增强，并且在氩气与氮气的气流量比为20∶5时具有做好的抗腐蚀性能。

综上所述，Cr-Ni系不锈钢在增材过程中会因为氮气逸出而造成氮元素损失，同时其在氧化性气氛中增材会引起构件内部氧含量增加，导致其服役期间更容易出现应力腐蚀开裂以及裂纹扩展加速的现象。因此为了提高纯氩气下MIG增材Cr-Ni系不锈钢的电弧稳定性以及强化耐腐蚀性能，本申请在Ar-N₂保护气氛中引入小功率激光与MIG电弧复合来增材Cr-Ni系不锈钢，利用小功率激光对MIG电弧的诱导压缩作用以及熔池渗入氮元素后对奥氏体相的强化效应，提高增材过程中MIG电弧的稳定性，减小熔池内部微缺陷、细化熔池内部晶粒，同时加快铁素体向奥氏体的转变速率并稳定奥氏体相、增强耐腐蚀性能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高MIG焊接Cr-Ni系不锈钢耐腐蚀性能的方法，其特征在于，所述方法包括：

在保护气气氛下，在MIG焊接时采用激光束辅助MIG电弧对待焊件进行焊接，其中，所述保护气的成分为惰性气体和氮气的混合气，所述惰性气体与氮气的气流量比为22.5∶2.5～17.5∶7.5，所述激光束的能量为0.6～1.5KW，以使激光照射待焊件表面产生金属蒸汽为MIG电弧提供了稳定的阴极斑点促进MIG电弧电离，同时氮气发生电离反应，提高了熔池的含氮量，进而扩大奥氏体相的凝固温度区间，加速铁素体向奥氏体的转变，提升耐腐蚀性能。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气，氩气与氮气的流量比为20∶5～17.5∶7.5。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在MIG焊接时采用激光束辅助MIG电弧进行焊接具体步骤为：在MIG焊接过程中，MIG的焊枪产生的电弧在后，激光束在前的焊接方式进行焊接。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，在激光-MIG复合焊接增材时前一层焊道的温度为150～200℃。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，MIG焊接的工艺参数为：

采用CMT冷金属过渡，送丝速度3.2～8.2m/min，扫描速度40～50cm/min。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在焊接之间还需要对待焊件进行打磨和清洗，以除去待焊件表面的氧化膜和油污。

7.一种用于实现权利要求1～6任意一项所述的提高MIG焊接Cr-Ni系不锈钢耐腐蚀性的方法的装置，其特征在于，所述装置包括焊枪以及激光器，其中，焊枪通过其端部的焊丝对待焊件进行电弧焊接，所述激光器用于产生激光束，所述激光束与所述焊枪的夹角为30～60°，所述激光束的能量为0.6～1.5KW；所述焊枪输出的保护气为惰性气体与氮气的混合气，所述惰性气体与氮气的气流量比为22.5∶2.5～17.5∶7.5。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述激光束的光斑与焊丝末端的距离为0～2mm；所述焊丝干伸长为1.0～1.2mm。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括热成像仪，用于对已焊接的焊件进行测温。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述焊枪与待焊件表面面的夹角为120～150℃，所述激光束垂直于待焊件表面。

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