CN115502519A - 具有高韧性焊接热影响区铁素体不锈钢焊管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铁素体不锈钢焊接的技术领域，具有高韧性焊接热影响区铁素体不锈钢焊管的制备方法。本发明包括下述依次的步骤：Ⅰ化学成分设计；Ⅱ焊接制管；Ⅲ检验、判定。本发明制备的铁素体不锈钢焊接热影响区获得了韧性较好的低碳板条马氏体+铁素体细晶组织，而且在钢中弥散析出的钛、铌与碳、氮形成化合物颗粒起到了阻止铁素体晶粒长大的作用，最终焊接热影响区得到了晶粒较细的组织，通过晶粒粗化速率的降低进一步减小粗晶区晶粒的尺寸；通过焊接线能量控制，进一步降低焊接热影响区组织的粗化程度，焊接热影响区低温冲击韧性得到了大幅提高，满足铁素体不锈钢焊管在工程结构领域的使用需求。
Description
技术领域
本发明涉及铁素体不锈钢焊接的技术领域，尤其涉及具有高韧性焊接热影响区铁素体不锈钢焊管的制备方法。
背景技术
由于与含高镍的奥氏体不锈钢相比，铁素体不锈钢不含或含有少量镍，成本更低，大量推广应用铁素体不锈钢已成为世界各国节镍的重要途径。铁素体不锈钢具有热膨胀系数低、导热性好、耐应力腐蚀性能优异等独特性能，在汽车、铁路运输、家电、煤炭等领域具有广阔应用前景，并可替代含高镍的奥氏体不锈钢及碳钢、铜、塑料等材料，在国民经济中发挥着不可替代的作用。近年来，随着高端制造业的飞速发展，不仅大幅提高了高性能铁素体不锈钢的需求量，而且对产品的安全性、可靠性及服役寿命提出了更加苛刻的要求，然而铁素体不锈钢所面临的一个最为突出的问题是由于焊接热影响区晶粒易粗化而造成韧性差的问题，成为限制其工程结构领域应用的瓶颈。因此，急需解决铁素体不锈钢在焊接时所面临的焊接热影响晶粒易粗化、韧性差等关键共性技术难题，以提升铁素体不锈钢产品在高端应用领域的安全性和使用寿命。
本发明的目的在于克服现有技术中由于铁素体不锈钢焊接热影响晶粒易粗化而造成韧性差的问题，提供一种具有高韧性焊接热影响区铁素体不锈钢焊管的制备方法，满足铁素体不锈钢在工程结构领域的使用需求。
发明内容
本发明的目的就是针对上述问题，提供具有高韧性焊接热影响区铁素体不锈钢焊管的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：具有高韧性焊接热影响区铁素体不锈钢焊管的制备方法，包括以下步骤：步骤一：化学成分设计：控制马氏体转变能力指数Km值为6.25-6.75，Nb+Ti含量为0.18-0.25%；步骤二：焊接制管：对钢板边部进行铣边，开V型坡口，角度为50-55°，钝边厚度1.2-1.5mm，装配间隙1-1.2mm，焊丝为ER308L，直径为Φ1.0mm-Φ1.2mm，保护气体为97-98%氩气+2-3%二氧化碳的混合活性气体，气体流量16-20L/min，焊接线能量为0.65-0.75KJ/mm，焊接道数为2道，道间温度＜100℃；步骤三：检验、判定：为了保证焊管满足工程结构领域的使用要求，需对焊管焊缝性能进行检验。
高韧性焊接热影响区铁素体不锈钢成分的质量百分配比为：C：≤0.02%，Si：≤0.40%，Mn：1.50-2.0%，P：≤0.035%, S：≤0.005%，Cr：11.00-11.50%，Ni：0.70-0.90%，N：0.10-0.20%，Nb：0.7-0.10%，Ti：0.10-0.15%，Al: ≤0.015%,其余为Fe与不可避免的杂质。
步骤三的具体要求为焊缝抗拉强度Rm：560-590 Mpa，且断裂位置在母材处，-40℃冲击功Akv:≥38J，180°压扁性能完好。
本发明的有益效果是：本发明的一种具有高韧性焊接热影响区的铁素体不锈钢焊管的制造方法，制备的铁素体不锈钢焊接热影响区获得了韧性较好的低碳板条马氏体+铁素体细晶组织，而且在钢中弥散析出的钛、铌与碳、氮形成化合物颗粒起到了阻止铁素体晶粒长大的作用，最终焊接热影响区得到了晶粒较细的组织，通过晶粒粗化速率的降低进一步减小粗晶区晶粒的尺寸；通过焊接线能量控制，进一步降低焊接热影响区组织的粗化程度，焊接热影响区低温冲击韧性得到了大幅提高，满足铁素体不锈钢焊管在工程结构领域的使用需求。用本发明的制造工艺生产的铁素体不锈钢焊管的主要技术指标如下：Rm：560-590 Mpa，且断裂位置在母材处，-40℃冲击功Akv:≥38J，180°压扁性能完好。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
图1是成分优化前后铁素体不锈钢焊接热影响区组织对比图（1）。
图2是成分优化前后铁素体不锈钢焊接热影响区组织对比图（2）。
图3是成分优化前铁素体不锈钢试样中的大尺寸颗粒形貌图。
图4是成分优化前铁素体不锈钢试样中的大尺寸颗粒成分图。
图5是成分优化后铁素体不锈钢试样中的大尺寸颗粒形貌图。
图6是成分优化后铁素体不锈钢试样中的大尺寸颗粒成分图。
图7是成分优化后铁素体不锈钢试样中的小尺寸颗粒形貌图。
图8是成分优化后铁素体不锈钢试样中的小尺寸颗粒成分图。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种具有高韧性焊接热影响区铁素体不锈钢焊管的制备方法，采用三方面措施共同作用提升铁素体不锈钢焊接热影响区的韧性，措施一，进行化学成分设计，提出马氏体转变能力指数Km值控制思路，控制马氏体转变能力指数Km值，其公式Km=Cr%+6Si%+8Ti%+4Nb%+2Al% -40(C%+N%)-4Ni%-2Mn%，Km反映材料铬镍当量之差，随着其值降低，其焊后焊接热影响铁素体降低，低碳马氏体增多，焊接热影响粗晶组织中的低碳板条马氏体可以限制热循环过程中铁素体晶粒长大，使焊接热影响区获得韧性较好的低碳板条马氏体+铁素体细晶组织；措施二， 通过Nb、Ti复合双稳定元素微合金化的控制，使焊接热影响区粗晶区在焊接冷却过程中析出纳米级的铌钛复合碳氮化物粒子，使其大量分布在晶界上，利用对晶界的钉扎作用，有效阻碍铁素体晶粒的粗化，使得晶粒长大由纯铁素体生长模式转变为粒子抑制的晶粒生长模式，通过晶粒粗化速率的降低进一步减小粗晶区晶粒的尺寸；措施三，通过焊接线能量控制，进一步降低焊接热影响区组织的粗化程度。
本发明高韧性焊接热影响区铁素体不锈钢成分的质量百分配比为：C：≤0.02%，Si：≤0.40%，Mn：1.50-2.0%，P：≤0.035%, S：≤0.005%，Cr：11.00-11.50%，Ni：0.70-0.90%，N：0.10-0.20%，Nb：0.7-0.10%，Ti：0.10-0.15%，Al: ≤0.015%,其余为Fe与不可避免的杂质。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是一种具有高韧性焊接热影响区铁素体不锈钢焊管，焊管直径为Φ219-Φ355mm，壁厚为3-4mm，其工艺流程为：化学成分设计→焊接制管→定径矫直→检验、判定、交库。
本发明针对制管过程中的化学成分设计、焊接等进行说明，具体采用以下主要步骤：
Ⅰ化学成分设计
控制马氏体转变能力指数Km值为6.25-6.75，Nb+Ti含量为0.18-0.25%。
Ⅱ焊接制管
对钢板边部进行铣边，开V型坡口，角度为50-55°，钝边厚度1.2-1.5mm，装配间隙1-1.2mm，焊丝为ER308L，直径为Φ1.0mm-Φ1.2mm，保护气体为97-98%氩气+2-3%二氧化碳的混合活性气体，气体流量16-20L/min，焊接线能量为0.65-0.75KJ/mm，焊接道数为2道，道间温度＜100℃。
Ⅲ 检验、判定
为了保证焊管满足工程结构领域的使用要求，需对焊管焊缝性能进行检验。用本发明的制造工艺生产的铁素体不锈钢焊管的主要技术指标如下：Rm：560-590Mpa，且断裂位置在母材处，-40℃冲击功Akv:≥38J，180°压扁性能完好。
成分优化前后铁素体不锈钢焊接热影响区的显微组织如图1示。由图1可以看出，成分优化前的铁素体不锈钢的热影响区粗晶区组织以粗大的铁素体为主，同时含有少量的马氏体，其晶粒度为2.0级，与母材相比，晶粒长大倾向较严重，另外粗晶区宽度平均达0.5mm，由此造成了焊接热影响区低温韧性与母材相比严重降低。焊接冷却过程中，尽管板条马氏体的转变有助于抑制铁素体晶粒的长大，从而改善韧性，但由于本材料中焊接粗晶区马氏体含量较低，细化晶粒的作用不明显。由图2可以看出，经过优化成分后的铁素体不锈钢焊接后焊接热影响区的组织形态有了较大改善，晶粒明显细化，低碳马氏体所占比例明显增多。由于减少了铁素体形成元素，增加了奥氏体形成元素，高温下奥氏体增多，在焊后冷却过程中，形成了较多的马氏体，而且在钢中弥散析出的钛、铌与碳、氮形成金属间化合物颗粒起到了阻止铁素体晶粒长大的作用，最终焊接热影响区得到了晶粒较细的组织。
图1：1#试样，晶粒度2级，粗晶区铁素体90%+马氏体10%，平均宽度0.50mm；图2：2#试样，晶粒度5级，粗晶区铁素体15%+马氏体85%，平均宽度0.25mm。
扫描电镜和透射电镜研究表明，成分优化前的铁素体不锈钢焊接热影响区组织中主要存在直径4～6mm的含钛和铌的大颗粒，如图3所示；经成分优化后的铁素体不锈钢的焊接热影响区中主要含有两类含钛和铌的颗粒，一类是直径为2～6mm的大尺寸颗粒，如图5所示，另一类为直径为20～50nm的小尺寸颗粒，如图7所示。
成分优化后的铁素体不锈钢中的铌钛复合碳氮化物，可在焊接冷却组织转变过程中作为形核质点细化晶粒，利用其对晶界的钉扎作用，有效阻碍铁素体晶粒的粗化，起到改善焊接热影响区韧性的作用。
下面结合实施例详细说明本发明的具体实施方式，但本发明的具体实施不局限于下述的实施例。
实施例1
本高韧性焊接热影响区铁素体不锈钢焊管直径为Φ219mm，壁厚为3mm，其化学成分的质量百分比为：：C：0.015%，Si：0.321%，Mn：1.719%，P：0.018%, S：0. 001%，Cr：11.052%，Ni：0.751%， N：0.013%，Nb：0.09%,Ti:0.124%，Al:0.013%,其余为Fe与不可避免的杂质。
本实施例包括下述依次的步骤：
Ⅰ化学成分设计
控制马氏体转变能力指数Km值为6.75，Nb+Ti含量为0.214%。
Ⅱ焊接制管
对钢板边部进行铣边，开V型坡口，角度为50°，钝边厚度1.2mm，装配间隙1mm，焊丝为ER308L，直径为Φ1.0mm，保护气体为98%氩气+2%二氧化碳的混合活性气体，气体流量18L/min，焊接线能量为0.65KJ/mm，焊接道数为2道，道间温度82℃。
Ⅲ 检验、判定
为了保证焊管满足工程结构领域用使用需求，需对焊管焊缝性能进行检验。用本发明的制造工艺生产的铁素体不锈钢焊管的主要技术指标如下：焊缝抗拉强度Rm 为570Mpa，且断裂位置在母材处，-40℃冲击功Akv为40J，180°压扁性能完好。
实施例2
本高韧性焊接热影响区铁素体不锈钢焊管直径为Φ355mm，壁厚为4mm，其化学成分的质量百分比为： C：0.014%，Si：0.30%，Mn：1.65%，P：0.019%, S：0. 001%，Cr：11.15%，Ni：0.81%， N：0.014%，Nb：0.085%,Ti:0.11%，Al:0.012%,其余为Fe与不可避免的杂质。
本实施例包括下述依次的步骤：
Ⅰ化学成分设计
控制马氏体转变能力指数Km值为6.53，Nb+Ti含量为0.195%。
Ⅱ焊接制管
对钢板边部进行铣边，开V型坡口，角度为55°，钝边厚度1.5mm，装配间隙1.2mm，焊丝为ER308L，直径为Φ1.2mm，保护气体为97%氩气+3%二氧化碳的混合活性气体，气体流量20L/min，焊接线能量为0.75KJ/mm，焊接道数为2道，道间温度85℃。
Ⅲ 检验、判定
为了保证焊管满足工程结构领域用使用需求，需对焊管焊缝性能进行检验。用本发明的制造工艺生产的铁素体不锈钢焊管的主要技术指标如下：焊缝抗拉强度Rm 为585Mpa，且断裂位置在母材处，-40℃冲击功Akv为41J，180°压扁性能完好。
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明所保护范围的结构特征并不限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围内。
Claims (3)
1.具有高韧性焊接热影响区铁素体不锈钢焊管的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：化学成分设计：控制马氏体转变能力指数Km值为6.25-6.75，Nb+Ti含量为0.18-0.25%；
步骤二：焊接制管：对钢板边部进行铣边，开V型坡口，角度为50-55°，钝边厚度1.2-1.5mm，装配间隙1-1.2mm，焊丝为ER308L，直径为Φ1.0mm-Φ1.2mm，保护气体为97-98%氩气+2-3%二氧化碳的混合活性气体，气体流量16-20L/min，焊接线能量为0.65-0.75KJ/mm，焊接道数为2道，道间温度＜100℃；
步骤三：检验、判定：为了保证焊管满足工程结构领域的使用要求，需对焊管焊缝性能进行检验。
2.具有高韧性焊接热影响区铁素体不锈钢焊管的制备方法，其特征在于：高韧性焊接热影响区铁素体不锈钢成分的质量百分配比为：C：≤0.02%，Si：≤0.40%，Mn：1.50-2.0%，P：≤0.035%, S：≤0.005%，Cr：11.00-11.50%，Ni：0.70-0.90%，N：0.10-0.20%，Nb：0.7-0.10%，Ti：0.10-0.15%，Al: ≤0.015%,其余为Fe与不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的具有高韧性焊接热影响区铁素体不锈钢焊管的制备方法，其特征在于：步骤三的具体要求为焊缝抗拉强度Rm：560-590 Mpa，且断裂位置在母材处，-40℃冲击功Akv:≥38J，180°压扁性能完好。
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