CN114260574A - 一种适合低合金钢/不锈钢的异种钢水下湿法焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及异种钢水下湿法焊接领域，提供了一种适合低合金钢/不锈钢的异种钢水下湿法焊接方法，该方法主要包括的步骤是：1)坡面机械加工，将待焊低合金钢侧进行坡面加工；2)坡面熔覆，利用机械超声辅助激光熔覆的方法在低合金钢一侧的坡面熔覆一层316L不锈钢，形成厚度不小于1mm的中间层；3)坡面再加工，将熔覆过后的低合金钢与待焊的不锈钢进行坡面加工，V型坡口角度为45°‑60°；4)异种钢水下焊接，将步骤3)中坡面再加工后的低合金钢与不锈钢置于水中采用镍基自保护药芯焊丝或不锈钢自保护药芯焊丝进行异种钢水下湿法焊接。解决了异种钢水下湿法焊接过程中存在组织不均匀性、残余应力大和疲劳强度低等问题。
Description
技术领域
本发明涉及水下湿法焊接领域，具体地，涉及一种适合低合金钢/不锈钢的异种钢水下湿法焊接方法。
背景技术
水下湿法焊接具有成本低、灵活性高的特点，在沉船打捞、海难救助、海底石油管道铺设等方面有很广泛的应用。国内外学者对水下湿法焊接的过程中存在的技术问题做了大量的研究，然而关于低合金钢/不锈钢异种钢水下湿法焊接存在的问题研究较少，低合金钢/奥氏体不锈钢异种钢接头可以充分利用各种材料的优异性能(如强度、耐蚀性、导热性等)，在实际应用中，低合金钢/不锈钢异种钢水下湿法焊接接头除了应该考虑空气中焊接遇到的问题外，还应考虑由水环境带来的影响，主要问题是组织不均匀性、残余应力大和疲劳强度低等。
专利文献CN107984062A、CN113366864A、CN112589333A均为异种钢焊接方法，但这些焊接方法属于空气中焊接，无法解决水下焊接低合金钢/不锈钢异种钢时由于热输入大、冷却速度快带来的组织不均匀性、残余应力、接头韧性差和疲劳强度低等问题，无法对异种钢水下湿法焊接接头的性能进行保障。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种适合低合金钢/不锈钢的异种钢水下湿法焊接方法，通过该方法制得的低合金钢与不锈钢的焊接件，耐腐蚀性能好、强度高、接头韧性优异，能有效的阻隔碳迁移；且不易出现焊缝缺陷，提高产品的性能。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种适合低合金钢/不锈钢的异种钢水下湿法焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)坡面机械加工，将待焊低合金钢侧进行坡面加工；
2)坡面熔覆，利用机械超声辅助激光熔覆的方法在低合金侧的坡面上熔覆一层304L不锈钢金属粉末形成中间层；
3)坡面再加工，将熔覆过后的低合金钢与不锈钢进行坡面加工，坡口角度为45°-60°；
4)异种钢水下焊接，将坡面再加工后的低合金钢与不锈钢置于水下环境，进行异种钢水下湿法焊接。
其中，所述的步骤2)的熔覆激光功率为1.3kW-2.5kW，扫描速率为2-10mm/s，超声频率为20kHz，振幅为0.5-15μm。
所述步骤2)的熔敷金属为316L不锈钢。
所述的步骤2)低合金钢坡面熔覆厚度不小于1mm。
所述的步骤2)具体的操作为：在激光熔覆低合金钢侧坡面时，将机械超声作用于低合金钢底部，使熔覆中间层的组织和成分更加均匀致密。
所述的步骤4)进行异种钢水下湿法焊接时，适用水深不大于100m，焊接参数的包括：焊接电压为15-40V，焊接电流为100A-300A，焊接速度为100-180mm/min。
所述的步骤4)进行异种钢水下湿法焊接时，所选用的焊丝为镍基自保护药芯焊丝或奥氏体不锈钢自保护药芯焊丝，镍基自保护药芯焊丝，以N6纯镍带为焊丝外皮，药芯具体成分为：氟化钙55％，铝粉15％，铁粉15％，钼粉2％，锰粉8％，铬粉5％；奥氏体不锈钢自保护药芯焊丝，以退火态316L奥氏体不锈钢为焊丝外皮，药芯具体成分氟化钙30％，氟化钡15％，二氧化钛10％，铝镁合金粉5％，铬镍粉35％，氟化锂5％。
本发明所述的适合低合金钢/不锈钢的异种钢水下湿法焊接方法，采用机械超声辅助激光熔覆金属粉末的方式对低合金钢坡口进行熔覆，形成均匀致密的金属熔覆层，形成耐腐蚀性能好，强度较高的金属粉末中间层，能有效的阻隔碳迁移。可以降低焊接过程中低合金钢侧热影响区产生的应力，提高焊缝的耐腐蚀性能和拉伸性能，增强焊接接头的疲劳强度，有效的提高了产品的性能。
在陆地焊接时，中间层的主要目的是阻止碳元素长时间在较高温度下迁移，使过渡区组织发生马氏体转变，降低焊接接头的力学性能。但是在水下环境中，由于水的快速冷却作用导致碳迁移不明显，添加不锈钢中间层主要是防止低合金钢(尤其对于碳当量＞0.35的钢种)侧热影响区出现马氏体组织，产生较大的内应力和冷裂纹，从而降低焊接接头韧性、抗拉强度和疲劳强度等。
在采用超声辅助激光熔覆中间层，相比于其他方法，采用超声辅助激光熔覆中间层，可以实现稀释率可控，成分偏析少，熔覆中间层的组织更加均匀致密等。
附图说明
图1为本发明的用于低合金钢和不锈钢异种钢水下湿法焊接流程示意图。
图2为本发明的低合金侧坡口面超声辅助激光熔覆中间层的示意图。
图3为激光熔覆中间层的效果对比图，(a)为未添加超声辅助的熔覆层微观组织图,(b)为添加超声辅助的熔覆层组织图。
图4为未添加中间层时异种钢水下湿法焊接时低合金钢一侧热影响区的微观组织图。
图5为添加中间层的异种钢水下湿法焊接接头不同位置的金相图，(a)低合金钢16Mn一侧的HAZ与中间层，(b)中间层与Ni基焊缝。
图中：1-低合金钢，2-中间层，3-不锈钢，4-焊缝，5-超声变幅杆。
具体的实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明所选用的焊丝为镍基自保护药芯焊丝或奥氏体不锈钢自保护药芯焊丝，镍基自保护药芯焊丝，以N6纯镍带为焊丝外皮，药芯具体成分为：氟化钙55％，铝粉15％，铁粉15％，钼粉2％，锰粉8％，铬粉5％；奥氏体不锈钢自保护药芯焊丝，以退火态316L奥氏体不锈钢为焊丝外皮，药芯具体成分氟化钙30％，氟化钡15％，二氧化钛10％，铝镁合金粉5％，铬镍粉35％，氟化锂5％。
本发明所述的适合低合金钢/不锈钢的异种钢水下湿法焊接方法的流程如图1所示，下面以具体实施例的方式具体说明。
实施例一
本实施例是以Q460低合金钢与304L奥氏体不锈钢为例的异种钢水下湿法焊接方法：
1)坡面机械加工：将待焊Q460低合金钢侧进行坡面加工，如图1所示；
2)坡面熔覆：利用置于低合金钢下部的超声变幅杆提供机械超声，辅助激光熔覆的方法在Q460低合金钢侧的坡面上，利用304L不锈钢金属粉末熔覆一层厚度为3mm的不锈钢304L金属层，作为中间层，如图2所示。熔覆的过程中，将机械超声作用于试板底部，使熔覆中间层组织和成分更加均匀致密。熔覆功率为1.5kW，扫描速率为6mm/s，超声频率为20kHz，振幅为3μm。
同时，在不附加机械超声辅助的条件下，采用上述激光熔覆工艺，在Q460低合金钢侧的坡面上熔覆3mm的不锈钢304L金属层。有无机械超声辅助的两个中间层的金相图如图3所示，其中(a)为未添加超声的熔覆层金相组织图，(b)为添加超声的熔覆层金相组织图，可以看出机械超声使熔敷层金属组织更加均匀致密、晶粒更加细化。
3)坡面再加工：将熔覆过后的Q460低合金钢与304L奥氏体不锈钢进行坡面加工，坡口角度为60°。
4)异种钢水下焊接：将开好坡口的Q460低合金钢与304L不锈钢置于水箱中，采用316L奥氏体不锈钢自保护药芯焊丝进行异种钢水下湿法焊接。焊接参数为：焊接电压为25V，焊接电流为160A，焊接速度为120mm/min。
实施例二
本实施例以16Mn低合金钢与304L奥氏体不锈钢为例的异种钢水下湿法焊接方法包括以下步骤：
1)坡面机械加工：将待焊16Mn低合金钢侧进行坡面加工，如图1所示；
2)坡面熔覆：利用机械超声辅助激光熔覆的方法在16Mn低合金钢侧的坡面上熔覆一层厚度为2.5mm的304L金属层，作为中间层。熔覆的过程中，将机械超声作用于试板底部，使熔覆中间层的组织和成分更加均匀致密。熔覆功率为1.4kW，扫描速率为6mm/s，超声频率为20kHz，振幅为1.5μm。
3)坡面再加工：将熔覆过后的16Mn低合金钢与304L奥氏体不锈钢进行坡面加工，坡口角度为60°；
4)异种钢水下焊接：将开好坡口的16Mn低合金钢与304L不锈钢置于水箱中，选用镍基自保护药芯焊丝，进行异种钢水下湿法焊接。焊接参数为：焊接电压为25V，焊接电流为160A，焊接速度为120mm/min。
并采用实施例1、实施例2所述的焊丝及焊接参数对不增加中间层的16Mn低合金钢与304L奥氏体不锈钢异种金属进行焊接作为对比例，来对照本发明所述方法的效果。为了评价低合金钢与不锈钢采用本发明的异种钢水下湿法焊接方法所得的焊接接头的综合性能，以下对两个实施例的焊接接头分别进行拉伸试验、冲击实验和弯曲试验来综合评定它们的力学性能，如表1所示。
表1
图4所示为该对比例低合金钢一侧热影响区的微观组织图，由图中可以看出在水下湿法焊接中由于较大的热输入以及水的冷却作用使得低合金钢一侧出现明显的板条状马氏体和裂纹，结合力学性能的分析，无中间层的异种钢水下湿法焊接中低合金钢一侧存在明显的焊接缺陷。
上述实施例1、实施例2的焊接方法所得的焊接接头的局部微观组织图如图5和图6所示，由图中可看出，与无中间层的异种钢水下湿法焊接接头相比，添加中间层之后低合金钢一侧的热影响区晶粒细化、显微组织更加的均匀，平均冲击功也显著提高。
结果发现，采用本发明的异种钢水下湿法焊接方法所获得的焊接接头，母材性能优异，无裂纹等缺陷，热影响区没有发现马氏体组织，无明显的碳元素的迁移。特别是实施例二，显示良好的焊接工艺性能，与图4所示的常规的不添加中间层的异种钢焊接方法相比，在相同焊接条件下，焊接接头的疲劳强度提高了30-50％，抗拉强度提高20％以上，可以满足异种钢水下湿法焊接的实际需求。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.适合低合金钢/不锈钢的异种钢水下湿法焊接方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)坡面机械加工：将待焊的低合金钢侧进行坡面加工；
2)坡面熔覆：利用机械超声辅助激光熔覆的方法在低合金钢侧的坡面上熔覆一层不锈钢作为中间层；
3)坡面再加工：将熔覆过后的低合金钢坡面上的中间层与不锈钢分别进行坡面加工，使低合金钢中间层与不锈钢之间的坡口角度为45°-60°；
4)异种钢水下焊接：将坡面再加工后的低合金钢与不锈钢置于水下环境进行异种钢水下湿法焊接。
2.根据权利要求1所述的低合金钢和不锈钢异种钢水下湿法焊接方法，其特征在于，所述的步骤2)熔覆的激光功率为1.3kW-2.5kW，扫描速率为2-10mm/s，超声频率为20kHz，振幅为0.5-15μm。
3.根据权利要求1所述的适合低合金钢和不锈钢异种钢水下湿法焊接方法，其特征在于，所述的步骤2)的熔敷的中间层为316L不锈钢。
4.根据权利要求1所述的适合低合金钢和不锈钢异种钢水下湿法焊接方法，其特征在于，所述的步骤2)低合金钢侧坡面熔覆中间层厚度不小于1mm。
5.根据权利要求1所述的低合金钢和不锈钢异种钢水下湿法焊接方法，其特征在于，所述的步骤2)具体的方法为：在激光熔覆低合金钢侧坡面时，将机械超声作用于低合金钢底部，使熔覆中间层的组织和成分更加均匀致密。
6.根据权利要求1所述的适合低合金钢和不锈钢异种钢水下湿法焊接方法，其特征在于，适用水深不大于100m。
7.根据权利要求1所述的适合低合金钢和不锈钢异种钢水下湿法焊接方法，其特征在于，所述的步骤4)进行异种钢水下湿法焊接时，焊接参数的包括：焊接电压为15-40V，焊接电流为100A-300A，焊接速度为100-180mm/min。
8.根据权利要求1所述的适合低合金钢和不锈钢异种钢水下湿法焊接方法，其特征在于，所述的步骤4)进行异种钢水下湿法焊接时，所选用的焊丝为镍基自保护药芯焊丝或奥氏体不锈钢自保护药芯焊丝。
9.根据权利要求1所述的适合低合金钢和不锈钢异种钢水下湿法焊接方法，其特征在于，所述镍基自保护药芯焊丝，以N6纯镍带为焊丝外皮，药芯具体成分为：氟化钙55％，铝粉15％，铁粉15％，钼粉2％，锰粉8％，铬粉5％；奥氏体不锈钢自保护药芯焊丝，以退火态316L奥氏体不锈钢为焊丝外皮，药芯具体成分氟化钙30％，氟化钡15％，二氧化钛10％，铝镁合金粉5％，铬镍粉35％，氟化锂5％。
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Non-Patent Citations (2)
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