CN117862742A - 一种氢能装备用不锈钢抗氢脆焊件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氢能装备用不锈钢抗氢脆焊件及其制备方法，涉及特种不锈钢焊接技术领域。本发明提供的不锈钢抗氢脆焊件的制备方法，包括以下步骤：对待焊不锈钢进行双面开设坡口并预处理制得待焊件；将两个待焊件对接后点焊固定并对焊点端头进行打磨制得初级焊件；将初级焊件采用打底焊丝、埋弧焊丝和埋弧焊剂进行焊接制得抗氢脆焊件。本发明提供的制备方法简单且所制备的焊件具有良好的力学性能和抗氢脆性能。
Description
技术领域
本发明涉及特种不锈钢焊接技术领域，尤其涉及一种氢能装备用不锈钢抗氢脆焊件及其制备方法。
背景技术
氢能作为新型发展能源，具备来源广、无污染、可循环再生等优点，从而能够有效缓解世界资源短缺与环境污染等问题，被誉为21世纪最理想的终极能源。其中，高压气相储氢系统已经成为世界各国氢能产业推进的重点，而奥氏体不锈钢由于其具有良好的抗氢脆性能，在高压气相储氢领域具有良好的应用前景，被广泛应用于高压气相储氢部件的制备。
采用焊接工艺对奥氏体不锈钢母材进行加工，可为高压气相储氢部件的结构与尺寸提供更多的制备选择，然而对奥氏体不锈钢进行焊接加工时的热量会促使焊接部件产生升为复杂的铁素体组织，从而导致焊接部位与不锈钢基材之间出现不同的氢脆敏感性，此外由于高压气相储氢部件需要长期在高压氢气环境中服役，这就导致焊接部位更加容易发生氢脆事故，这大幅降低了高压气相储氢部件的服役说明和使用安全性，因此亟需提供一种方案改善这一问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氢能装备用不锈钢抗氢脆焊件及其制备方法，其制备方法简单且所制备的焊件具有良好的力学性能和抗氢脆性能。
第一方面，本发明提供的一种氢能装备用不锈钢抗氢脆焊件的制备方法，包括以下步骤：
对待焊不锈钢进行双面开设坡口并预处理制得待焊件；
将两个待焊件对接后点焊固定并对焊点端头进行打磨制得初级焊件；
将初级焊件采用打底焊丝、埋弧焊丝和埋弧焊剂进行焊接制得抗氢脆焊件。
可选地，将初级焊件采用打底焊丝、埋弧焊丝和埋弧焊剂进行焊接制得抗氢脆焊件的过程中，包括：将初级焊件进行打底填丝焊后对坡口进行填充焊接和盖面焊接制得抗氢脆焊件。
可选地，将初级焊件进行打底填丝焊后对坡口进行填充焊接和盖面焊接的过程中，包括：在氩气与氮气的混合气氛下，使用打底焊丝在10-12V、90-100A的焊接参数下对所述初级焊件进行打底填丝制得二级焊件；将二级焊件在28-33V、380-470A的焊接参数下进行填充焊接制得三级焊件；将三级焊件在28-33V、360-450A的焊接参数下进行盖面焊接制得抗氢脆焊件。
可选地，将初级焊件采用打底焊丝、埋弧焊丝和埋弧焊剂进行焊接制得抗氢脆焊件的过程中，所使用的所述打底焊丝为ER385。
可选地，将初级焊件采用打底焊丝、埋弧焊丝和埋弧焊剂进行焊接制得抗氢脆焊件的过程中，以质量百分比计所述埋弧焊丝包括以下元素：0.01-0.03％的C、0.5-1.0％的Si、1-3％的Mn、0.01-0.03％的P、0.015-0.025％的S、15-20％的Cr、15-25％的Ni、10-15％的Cu和余量的Fe。
可选地，将初级焊件采用打底焊丝、埋弧焊丝和埋弧焊剂进行焊接制得抗氢脆焊件的过程中，所述埋弧焊剂以质量份计包括以下组分：10-20份的萤石、15-20份的铝矾土、10-20份的镁砂、20-25份的硅灰石、10-15份的锆英砂、10-15份的合金粉、5-10份的粘接剂。
可选地，以摩尔百分比计，所述合金粉包括以下元素：20-25％的Co、20-25％的Cr、10-15％的Ni、5-15％的Mn和余量的Fe。
可选地，对待焊不锈钢进行双面开设坡口并预处理制得待焊件的过程中，包括：采用坡口机对所述待焊不锈钢的待焊接部分开切形成坡口，对所述坡口位置进行500-800℃热处理后制得所述待焊件。
可选地，采用坡口机对所述待焊不锈钢的待焊接部分开切形成坡口的过程中，所述坡口为双面对称型V-V组合坡口，且所述坡口的角度为35-60°。
第二方面，本发明还提供了上述任一制备方法所制备的氢能装备用不锈钢抗氢脆焊件。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
本发明实施例提供了一种氢能装备用不锈钢抗氢脆焊件的制备方法，包括以下步骤：
S1、对待焊不锈钢进行双面开设坡口并预处理制得待焊件；
S2、将两个待焊件对接后点焊固定并对焊点端头进行打磨制得初级焊件；
S3、将初级焊件采用打底焊丝、埋弧焊丝和埋弧焊剂进行焊接制得抗氢脆焊件。
实际上，在执行步骤S1时，采用坡口机对所述待焊不锈钢的待焊接部分开切形成坡口，对所述坡口位置进行500-800℃热处理后制得所述待焊件。具体的，采用坡口机对所述待焊不锈钢的待焊接部分开切形成坡口的过程中，所述坡口为双面对称型V-V组合坡口，且所述坡口的角度为35-60°。
一些实施例中，在执行步骤S2时，将两个待焊件需要焊接的部位进行对接后，采用双面钨极氩弧焊双面填丝进行点焊固定，并且对点焊固定的端头处使用200目砂纸进行打磨以消除可能出现的熄弧裂纹。
一些实施例中，在执行步骤S3时，包括：将初级焊件进行打底填丝焊后对坡口进行填充焊接和盖面焊接制得抗氢脆焊件。
一些实施例中，将初级焊件进行打底填丝焊后对坡口进行填充焊接和盖面焊接的过程中，包括：在氩气与氮气的混合气氛下，使用打底焊丝在10-12V、90-100A的焊接参数下对所述初级焊件进行打底填丝制得二级焊件；将二级焊件在28-33V、380-470A的焊接参数下进行填充焊接制得三级焊件；将三级焊件在28-33V、360-450A的焊接参数下进行盖面焊接制得抗氢脆焊件。
实际上，在氩气与氮气的混合气氛下，使用打底焊丝在10-12V、90-100A的焊接参数下对所述初级焊件进行打底填丝制得二级焊件时，氩气与氮气的混合气氛中，氮气的体积分数为1-3％。
实际上，在氩气与氮气的混合气氛下，使用打底焊丝在10-12V、90-100A的焊接参数下对所述初级焊件进行打底填丝制得二级焊件时，控制混合气氛的流量为15-20L/min，且控制焊接速度为50-70mm/min，控制线能量为6.8-12KJ/cm。
实际上，将二级焊件在28-33V、380-470A的焊接参数下进行填充焊接制得三级焊件时，控制焊接速度为360-500mm/min，控制线能量为12.5-25KJ/cm；将三级焊件在28-33V、360-450A的焊接参数下进行盖面焊接制得抗氢脆焊件，控制焊接速度为360-500mm/min，控制线能量为12.5-25KJ/cm。
一些实施例中，将初级焊件采用打底焊丝、埋弧焊丝和埋弧焊剂进行焊接制得抗氢脆焊件的过程中，所使用的所述打底焊丝为ER385。
一些实施例中，将初级焊件采用打底焊丝、埋弧焊丝和埋弧焊剂进行焊接制得抗氢脆焊件的过程中，以质量百分比计所述埋弧焊丝包括以下元素：0.01-0.03％的C、0.5-1.0％的Si、1-3％的Mn、0.01-0.03％的P、0.015-0.025％的S、15-20％的Cr、15-25％的Ni、10-15％的Cu和余量的Fe。
一些实施例中，埋弧焊丝的制备方法包括以下步骤：按照预设质量比称量合金原料混合熔融塑形。
一些实施例中，将初级焊件采用打底焊丝、埋弧焊丝和埋弧焊剂进行焊接制得抗氢脆焊件的过程中，所述埋弧焊剂以质量份计包括以下组分：10-20份的萤石、15-20份的铝矾土、10-20份的镁砂、20-25份的硅灰石、10-15份的锆英砂、10-15份的合金粉、5-10份的粘接剂。
具体的，以摩尔百分比计，所述合金粉包括以下元素：20-25％的Co、20-25％的Cr、10-15％的Ni、5-15％的Mn和余量的Fe。
实际上，萤石的主要成分为CaF2，且其中各成分的重量百分数分别为CaF2≥97％、SiO2≤2％、S≤0.05％、P≤0.03％、CaCO3≤1.5％，且萤石在105℃煅烧1h后烧失量≤0.50％。在焊接过程中，萤石能够起到造渣以及脱硫脱氢的作用，并且能过降低熔渣的年度及表面张力，降低焊缝中的氢含量，从而提高焊缝的冲击韧性。
实际上，铝矾土的主要成分为Al2O3，且其中各成分的重量百分数分别为80-85％的Al2O3、5-10％的SiO2、Fe2O3≤2.5％、TiO2≤5％、S≤0.03％、P≤0.05％、C≤0.10％，碱度≤0.3，且铝矾土在105℃煅烧1h后烧失量≤0.50％。在焊接过程中能够调节熔渣的熔点及年度，同时还可以在高温下提高电弧的集中度。
实际上，镁砂具体可以是烧结镁砂，其主要成分为MgO，且其中各成分的重量百分数分别为：90-95％的MgO、SiO2≤5％、S≤0.03％、P≤0.03％、C≤0.20％，且镁砂在1000℃煅烧1h后的烧失量≤1.00％。
实际上，硅灰石的主要成分为Ca3Si3O9，且其中各成分的重量百分数分别为：90-95％的Ca3Si3O9、SiO2≤5％、S≤0.03％、P≤0.03％、C≤0.20％，且硅灰石在105℃煅烧1h后烧失量≤0.50％。
实际上，锆英砂的主要成分为ZrSiO4，且其中各成分的重量百分数分别为：95-98％的ZrSiO4、SiO2≤2％、S≤0.03％、P≤0.03％、C≤0.20％，且锆英砂在1000℃煅烧1h后的烧失量≤1.00％。
实际上，粘接剂为钾钠比为1.2、模数为2.6、波美度为44.0°Be的水玻璃。
一些实施例中，埋弧焊剂的制备方法包括以下步骤：将萤石、铝矾土、镁砂、硅灰石、锆英砂和合金粉混合研磨，加入粘接剂润湿后塑形烘干，并置于750-850℃下烧结成型后制得不锈钢埋弧焊剂。
实施例1
本实施例1提供了一种氢能装备用不锈钢抗氢脆焊件的制备方法，包括以下步骤：
S1、将厚度为3mm的304奥氏体不锈钢板材的端部使用坡口机加工为双面对称型V-V组合坡口，且设定坡口的开设角度为60°，使用乙炔-氧燃烧火焰加热坡口至800℃后制得待焊件；
S2、将两个待焊件的组队装配对接后，使用ER385作为点焊焊丝，采用双面钨极氩弧焊点焊后，对点焊位置使用200目金刚砂打磨平整以消除可能出现的熄弧裂纹后制得初级焊件；
S3、在氩气与氮气体积比97：3、流量为20L/min的混合气氛中，在12V、100A的焊接参数下，控制焊接速度为60mm/min，控制线能量为10KJ/cm，使用ER385作为打底焊丝进行打底填丝后制得二级焊件；将二级焊件在30V、400A的焊接参数下，控制控制焊接速度为400mm/min，控制线能量为15KJ/cm，进行填充焊接后制得三级焊件；将三级焊件在30V、400A的焊接参数下，控制控制焊接速度为400mm/min，控制线能量为15KJ/cm，进行盖面焊接后制得抗氢脆焊件。
其中，实施例1中所使用的埋弧焊丝以质量百分数计包括以下元素：0.017％的C、0.8％的Si、1.8％的Mn、0.016％的P、0.019％的S、18.6％的Cr、23.1％的Ni、12.5％的Cu和余量的Fe；所使用的埋弧焊剂以质量份计包括以下组分：16份的萤石、17份的铝矾土、16份的镁砂、23份的硅灰石、13份的锆英砂、12份的合金粉、8份的粘接剂；其中合金粉包括以下元素：23mol％的Co、22mol％的Cr、12mol％的Ni、12mol％的Mn和余量的Fe，粘接剂为钾钠比为1.2、模数为2.6、波美度为44.0°Be的水玻璃。
实施例2
本实施例2提供了一种氢能装备用不锈钢抗氢脆焊件的制备方法，与实施例1的不同之处在于，实施例2中所使用的埋弧焊丝为京群ER317LMod，所使用的埋弧焊剂为京群ER317L Mod配套的焊剂。
对比例1
本对比例1与实施例1的不同之处在于，对比例1的制备方法包括以下步骤：
S1、将厚度为3mm的304奥氏体不锈钢板材的端部使用坡口机加工为双面对称型V-V组合坡口，且设定坡口的开设角度为60°，使用乙炔-氧燃烧火焰加热坡口至800℃后制得待焊件；
S2、将两个待焊件的组队装配对接后，使用ER385作为点焊焊丝，采用双面钨极氩弧焊点焊后，对点焊位置使用200目金刚砂打磨平整以消除可能出现的熄弧裂纹后制得初级焊件；
S3、将初级焊件在30V、400A的焊接参数下，控制控制焊接速度为400mm/min，控制线能量为15KJ/cm，进行填充焊接后制得一级焊件；将一级焊件在30V、400A的焊接参数下，控制控制焊接速度为400mm/min，控制线能量为15KJ/cm，进行盖面焊接后制得抗氢脆焊件。
其中，对比例1中所使用的埋弧焊丝以质量百分数计包括以下元素：0.017％的C、0.8％的Si、1.8％的Mn、0.016％的P、0.019％的S、18.6％的Cr、23.1％的Ni、12.5％的Cu和余量的Fe；所使用的埋弧焊剂以质量份计包括以下组分：16份的萤石、17份的铝矾土、16份的镁砂、23份的硅灰石、13份的锆英砂、12份的合金粉、8份的粘接剂；其中合金粉包括以下元素：23mol％的Co、22mol％的Cr、12mol％的Ni、12mol％的Mn和余量的Fe，粘接剂为钾钠比为1.2、模数为2.6、波美度为44.0°Be的水玻璃。
性能检测
基于GB/T 5293-2018中记载的方法进行对实施例1-2和对比例1中制备的不锈钢抗氢脆焊件进行力学性能测试，其测试结果如下表1所示；将实施例1-2和对比例1中制备的不锈钢抗氢脆焊件基于ASTM G146-01中的记载，在20MPa的充氢压力下，以50℃/min的速率升温至475℃后保温48h后，以300℃/h的速率降温至室温后，对焊接式样进行超声波跟踪168h观察是否出现剥离，其结果如表1所示。
表1
| 屈服强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 伸长率/％ | 是否剥离 | |
| 实施例1 | 426 | 763 | 43 | 无 |
| 实施例2 | 435 | 782 | 45 | 无 |
| 对比例1 | 352 | 537 | 30 | 出现剥离 |
从表1中可以看出，本发明提供的方法所制备的抗氢脆焊件具有良好的力学性能和抗氢脆性能。
虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。
Claims (10)
1.一种氢能装备用不锈钢抗氢脆焊件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
对待焊不锈钢进行双面开设坡口并预处理制得待焊件；
将两个待焊件对接后点焊固定并对焊点端头进行打磨制得初级焊件；
将初级焊件采用打底焊丝、埋弧焊丝和埋弧焊剂进行焊接制得抗氢脆焊件。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将初级焊件采用打底焊丝、埋弧焊丝和埋弧焊剂进行焊接制得抗氢脆焊件的过程中，包括：将初级焊件进行打底填丝焊后对坡口进行填充焊接和盖面焊接制得抗氢脆焊件。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，将初级焊件进行打底填丝焊后对坡口进行填充焊接和盖面焊接的过程中，包括：在氩气与氮气的混合气氛下，使用打底焊丝在10-12V、90-100A的焊接参数下对所述初级焊件进行打底填丝制得二级焊件；将二级焊件在28-33V、380-470A的焊接参数下进行填充焊接制得三级焊件；将三级焊件在28-33V、360-450A的焊接参数下进行盖面焊接制得抗氢脆焊件。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，将初级焊件采用打底焊丝、埋弧焊丝和埋弧焊剂进行焊接制得抗氢脆焊件的过程中，所使用的所述打底焊丝为ER385。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将初级焊件采用打底焊丝、埋弧焊丝和埋弧焊剂进行焊接制得抗氢脆焊件的过程中，以质量百分比计所述埋弧焊丝包括以下元素：0.01-0.03％的C、0.5-1.0％的Si、1-3％的Mn、0.01-0.03％的P、0.015-0.025％的S、15-20％的Cr、15-25％的Ni、10-15％的Cu和余量的Fe。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将初级焊件采用打底焊丝、埋弧焊丝和埋弧焊剂进行焊接制得抗氢脆焊件的过程中，所述埋弧焊剂以质量份计包括以下组分：10-20份的萤石、15-20份的铝矾土、10-20份的镁砂、20-25份的硅灰石、10-15份的锆英砂、10-15份的合金粉、5-10份的粘接剂。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，以摩尔百分比计，所述合金粉包括以下元素：20-25％的Co、20-25％的Cr、10-15％的Ni、5-15％的Mn和余量的Fe。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，对待焊不锈钢进行双面开设坡口并预处理制得待焊件的过程中，包括：采用坡口机对所述待焊不锈钢的待焊接部分开切形成坡口，对所述坡口位置进行500-800℃热处理后制得所述待焊件。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，采用坡口机对所述待焊不锈钢的待焊接部分开切形成坡口的过程中，所述坡口为双面对称型V-V组合坡口，且所述坡口的角度为35-60°。
10.一种如权利要求1至9任一项所述制备方法所制备的氢能装备用不锈钢抗氢脆焊件。
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| CN202410177801.9A CN117862742A (zh) | 2024-02-08 | 2024-02-08 | 一种氢能装备用不锈钢抗氢脆焊件及其制备方法 |
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