CN102922083A - 一种核级不锈钢的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种核级不锈钢的焊接方法，通过设定合理的焊接参数，控制层间温度并对根焊道进行气体保护焊和焊条电弧焊的方式，改善焊接接头的性能，尤其是强度及耐腐蚀性能，使焊接接头的各项性能符合达到RCC-M标准，节省工序，提高焊接效率，降低生产成本；采用国产核级不锈钢焊材进行焊接，能够打破欧美日等国对我国特种焊材技术和市场的垄断，摆脱钢焊接材料依靠进口的状况，逐步实现国产化，促进核电设备制造、安装、检修关键技术的自主化进程。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种核级不锈钢的焊接方法。
背景技术
核级不锈钢是近年开发使用的一种新型的不锈钢材料，其主要化学成分为00Cr18Ni9，具有超低的S、P含量及优良的力学性能和耐腐蚀性。这种新型的不锈钢可以用于压水堆核电站反应堆堆内构件、驱动机构中的某些零部件、一回路主管道、主泵等核Ⅰ级设备中，具有较强的强度和耐腐蚀性，是一种具有高寿命周期和低成本的经济型材料。
这种新型的核级不锈钢焊接材料全部被国外公司所垄断，不仅价格昂贵，采购周期长，质量控制难，而且存在因政治原因而被封锁的风险，不利于我国核电事业的发展。目前我国基本上只在非核级产品的生产上有一定的生产经验，但距核级焊材的技术要求，尤其是核级焊材的技术要求还有很大的差距，且生产的非核级材料在国内市场的占有率不足50%，因此发展国内的核级不锈钢焊材，尤其核级焊材，是促进民族核工业的发展。开发自己的核级焊接材料，将打破欧美日等国对我国特种焊材技术和市场的垄断，树立自己的品牌，摆脱新型钢焊接材料依靠进口的状况，逐步实现国产化，促进核电设备制造、安装、检修关键技术的自主化进程。
因此，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
发明内容
本发明的主要目的是为了开发国产的核级焊接材料，为国内核级焊接材料的生产提供相关的试验依据，打破欧、美、日等国对我国核级焊接材料的垄断，树立自己的品牌，摆脱焊接核Ⅰ级材料依靠进口的状况，而提供一种核级不锈钢的焊接方法，通过设定合理的焊接参数，控制层间温度并对根焊道进行气体保护焊和焊条电弧焊的方式，改善焊接接头的性能，使焊接接头的各项性能符合达到RCC-M标准，节省工序，提高焊接效率，降低生产成本。
本发明的目的是由以下技术方案实现的。
本发明核级不锈钢的焊接方法，包括对不锈钢制备坡口、坡口对接装配和选定焊接材料的焊前准备工序，打底焊接工序，以及填充焊接和盖面焊接工序；所述焊接工序中所选用的焊接材料均为由国产核级不锈钢制成的焊条和焊丝；焊接前焊条或焊丝需要预热；焊接时要控制层间温度；所述打底焊接、填充焊接、盖面焊接工序采用手工钨极氩弧焊或者焊条电弧焊。
作为优选，所述核级不锈钢的化学成分，按照质量百分数，各组分含量如下：C：0.020~0.025%、Si：0.530~0.62%、Mn：1.41~1.94%、P：0.006~0.017%、S：0.006~0.011%、Ni：9.78~10.29%、Cr：19.75~20.68%、Mo：0.017~0.030%、Co：0.013~0.041%，余量为Fe；
前述的核级不锈钢的焊接方法，其中焊条为核级不锈钢焊条ER308L，焊丝为核级不锈钢焊丝ER308L。
前述的核级不锈钢的焊接方法，所述手工钨极氩弧焊的焊接参数是：焊丝直径为Φ1.5-2mm，钨极直径为Φ2.4mm；保护气体为氩气，氩气流量为15-25mL/min，纯度≥99.99％；背保护气体为氩气，氩气流量为15-25mL/min，纯度≥99.99％；焊接电弧电压为10-15V，焊接电流为直流，极性为直流正接，电流强度为100-140A；焊接速度为65-80mm/min；焊接位置为全位置，直立向上。
前述的核级不锈钢的焊接方法，所述焊条电弧焊的焊接参数如下：焊条预热温度为300℃并保温2小时，采用多道多层焊以及摆动的焊接方法，最大摆动宽度为2.5倍的焊条直径范围；采用ER308L不锈钢焊条；焊接电流为直流，极性为直流反接，电流强度为90-135A，焊接速度为100-150mm/min；焊接位置为全位置，直立向上。
前述的核级不锈钢的焊接方法，所述层间温度控制的步骤中，层间温度≤150℃。
前述的核级不锈钢的焊接方法，所述制备坡口的步骤中，制备的坡口为单面V字形坡口，坡口角度为60℃，间隙为2mm，钝边为1mm。
前述的核级不锈钢的焊接方法，其中的核级不锈钢为00Cr18Ni9不锈钢。
有益效果：本发明核级不锈钢的焊接方法，其通过设定合理的焊接参数，控制层间温度并对根焊道进行气体保护焊的方式，改善焊接接头的性能，尤其是强度及耐腐蚀性能，焊接接头的性能达到使焊接接头的各项性能符合达到RCC-M标准，节省工序，提高焊接效率，降低生产成本，开发国产的核Ⅰ级焊接材料，为国内核级焊接材料的生产提供相关的试验依据，树立自己的品牌，摆脱焊核Ⅰ级接材料依靠进口的状况，促进核电设备制造、安装、检修关键技术的自主化进程和民族核工业的发展。
具体实施方式
本发明核级不锈钢的焊接方法，包括对核级不锈钢制备坡口、坡口对接装配和选定焊接材料的焊前准备工序，打底焊接工序，以及填充焊接和盖面焊接工序；其改进之处在于，焊接所用的焊接材料全部为国产核级不锈钢材料；所述的打底、填充、盖面焊接工序均采用手工钨极氩弧焊或者焊条电弧焊。
本发明核级不锈钢的焊接方法，其中焊接母材为00Cr18Ni9，焊接材料为：焊条为国产核级不锈钢焊条ER308L；焊丝为国产核级不锈钢焊丝ER308L。手工钨极氩弧焊的焊接参数是：焊丝直径为Φ1.5-2mm，钨极直径为Φ2.4mm；保护气体为氩气，氩气流量为15-25mL/min，纯度≥99.99％；背保护气体为氩气，氩气流量为15-25mL/min，纯度≥99.99％；焊接电弧电压为10-15V，焊接电流为直流，极性为直流正接，电流强度为100-140A；焊接速度为65-80mm/min；焊接位置为全位置，直立向上。
焊条电弧焊的焊接参数如下：焊条预热温度为300℃并保温2小时，采用多道多层焊以及摆动的焊接方法，最大摆动宽度为2.5倍的焊条直径范围；采用ER308L不锈钢焊条；焊接电流为直流极性为直流反接，电流强度为90-140A，焊接速度为90-135mm/min；焊接位置为全位置，直立向上。
实施例1
对规格400×150×12(mm)的00Cr18Ni9不锈钢进行焊接。主要操作步骤如下：
1、焊前准备工序：
①制备坡口，用等离子方法制备单面V字形坡口，坡口角度为60°，间隙为2mm，钝边为1mm；对坡口及其内外壁两侧进行清理，直至露出金属光泽；
②对接装配坡口，检查确认被焊部位及其边缘的20mm范围内无缺陷，点焊装配；
③选定焊接材料，焊丝采用国产核级不锈钢焊丝ER308L，直径为Φ2mm。
2、打底焊接工序：
采用手工钨极氩弧焊进行打底焊接，焊接参数设定为：焊丝为前述的三种焊丝，钨极直径为Φ2.4mm；保护氩气气体流量为15mL/min，纯度≥99.99％；背保护气体为氩气，氩气流量为15/min，纯度≥99.99％，焊接电弧电压为≤15V；焊接电流为直流电，极性为直流正接，电流强度为130A，焊接速度为65mm/min，控制热输入量小于30KJ/cm。
3、填充焊接和盖面焊接工序
采用手工钨极氩弧焊进行打底焊接，焊接参数设定为：焊丝为前述的三种焊丝，钨极直径为Φ2.4mm；保护氩气气体流量为15mL/min，纯度≥99.99％；焊接电弧电压≤14V，焊接电流为直流电，电流强度为120A，采用10道8层焊，焊接速度为80mm/min，控制热输入量小于13KJ/cm；控制层间温度≤150℃。
采用其它焊接方法，使用国产普通E308L焊条和国外核级E308L焊条进行焊接作为对比实验。
焊后，对焊缝试样进行性能检测，国产核级ER308L焊丝焊接00Cr18Ni9不锈钢焊接接头的抗拉强度Rm为636MPa，屈服强度Rp0.2为327MPa，焊缝中心、熔合线和熔合线+2mm处的冲击功分别为86.70J、104.50J、111.87J，其性能均符合RCCM标准的规定值；采用国产核级ER308L氩弧焊丝焊接的接头强度高于国产普通E308L焊条和国外核级E308L焊条，但冲击功有所降低。国产核级E308L焊条焊接00Cr18Ni9不锈钢焊接接头的焊缝和热影响区组织均为柱状奥氏体加δ铁素体，且分布均匀；国产核级ER308L氩弧焊丝成分和力学性能符合RCCM标准的要求，且优于国外的同类产品；在铁素体含量上符合标准，优于其他产品。
实施例2
对规格400×150×12(mm)的00Cr18Ni9不锈钢进行焊接。主要操作步骤如下：
1、焊前准备工序：
①制备坡口，用等离子方法制备单面V字形坡口，坡口角度为60°，间隙为2mm，钝边为1mm；对坡口及其内外壁两侧进行清理，直至露出金属光泽；
②对接装配坡口，检查确认被焊部位及其边缘的20mm范围内无缺陷，点焊装配；
③选定焊接材料，焊丝采用国产核级不锈钢焊丝ER308L，直径为Φ2mm。
2、打底焊接工序：
采用手工钨极氩弧焊进行打底焊接，焊接参数设定为：焊丝为国产核级不锈钢焊丝ER308L，直径为Φ2mm，钨极直径为Φ2.4mm；保护氩气气体流量为15mL/min，纯度≥99.99％；背保护气体为氩气，氩气流量为15/min，纯度≥99.99％，焊接电弧电压为≤15V；焊接电流为直流电，电流强度分别为140A、120A和100A，焊接速度为65mm/min，控制热输入量小于15KJ/cm。
3 填充焊接和盖面焊接工序
采用手工钨极氩弧焊进行打底焊接，焊接参数设定为：焊丝为国产核级不锈钢焊丝ER308L，直径为Φ2mm，钨极直径为Φ2.4mm；保护氩气气体流量为15mL/min，纯度≥99.99％；焊接电弧电压≤14V，焊接电流为直流电，电流强度分别为140A、120A和100A，采用10道8层焊，焊接速度为80mm/min，控制热输入量小于13KJ/cm；控制层间温度≤150℃。
焊后，对焊缝试样进行性能检测，在焊接电流强度为140A时，国产核级ER308L焊丝焊接00Cr18Ni9不锈钢焊接接头的抗拉强度Rm为611.21MPa，屈服强度Rp0.2为334.02MPa，屈强比为0.55；焊缝中心、熔合线和熔合线+2mm处的冲击功分别为88.45J、98.40J、102.12J；在焊接电流强度为120A时，国产核级ER308L焊丝焊接00Cr18Ni9不锈钢焊接接头的抗拉强度Rm为636.00MPa，屈服强度Rp0.2为325.00MPa，屈强比为0.51；焊缝中心、熔合线和熔合线+2mm处的冲击功分别为86.70J、79.07J、100.21J；在焊接电流强度为100A时，国产核级ER308L焊丝焊接00Cr18Ni9不锈钢焊接接头的抗拉强度Rm为621.07MPa，屈服强度Rp0.2为342.26MPa，屈强比为0.55；焊缝中心、熔合线和熔合线+2mm处的冲击功分别为79.09J、93.73J、102.48J；在金相组织中，在焊接电流强度为120A时，热影响区晶粒长大程度较小，且接头焊缝区的组织更细小，紧密。综合前述可的出120A为较佳焊接电流。
实施例3
对规格400×150×12(mm)的00Cr18Ni9不锈钢进行焊接。主要操作步骤如下：
1、焊前准备工序：
①制备坡口，用等离子方法制备单面V字形坡口，坡口角度为60°，间隙为2mm，钝边为1mm；对坡口及其内外壁两侧进行清理，直至露出金属光泽；
②对接装配坡口，检查确认被焊部位及其边缘的20mm范围内无缺陷，点焊装配；
③选定焊接材料，焊条采用国产核级不锈钢焊条ER308L；
④焊前预热，焊接前焊条需预热到300℃并保温两小时；
2、打底焊接工序：
采用焊条电弧焊进行打底焊接，焊接参数设定为：焊丝为前述的三种焊条，焊接电弧电压为12V；焊接电流为直流电，极性为直流反接，电流强度为90A，焊接速度为100mm/min。
3、填充焊接和盖面焊接工序
采用焊条电弧焊进行打底焊接，焊接参数设定为：焊丝为前述的三种焊条，焊接电弧电压≤14V，焊接电流为直流电，极性为直流反接，电流强度为115A，采用5道3层焊以及摆动焊的焊接方法，摆动宽度控制在2.5倍的焊条直径范围内，焊接速度为150mm/min；控制层间温度≤150℃。
采用其它焊接方法，使用国外核级不锈钢焊条ER308L、国内核Ⅰ级普通不锈钢焊条ER308L进行焊接作为对比实验。
焊后，对焊缝试样进行性能检测，国产核级E308L焊条焊接00Cr18Ni9不锈钢焊接接头的抗拉强度Rm为642MPa，屈服强度Rp0.2为337MPa，焊缝中心、熔合线和熔合线+2mm处的冲击功分别为76.89J、76.47J、98.28J，其性能均符合RCCM标准的规定值；采用国产核级ER308L氩弧焊丝焊接的接头强度高于国产普通E308L焊条和国外核级E308L焊条，但冲击功有所降低。国产核级E308L焊条焊接00Cr18Ni9不锈钢焊接接头的焊缝和热影响区组织均为柱状奥氏体加δ铁素体，且分布均匀；国产核级E308L焊条成分、铁素体含量和力学性能均符合RCCM标准的要求，且优于国外的同类产品。
实施例4
对规格400×150×12(mm)的00Cr18Ni9不锈钢进行焊接。主要操作步骤如下：
1、焊前准备工序：
①制备坡口，用等离子方法制备单面V字形坡口，坡口角度为60°，间隙为2mm，钝边为1mm；对坡口及其内外壁两侧进行清理，直至露出金属光泽；
②对接装配坡口，检查确认被焊部位及其边缘的20mm范围内无缺陷，点焊装配；
③选定焊接材料，焊条采用国产核级不锈钢焊条ER308L；
④焊前预热，焊接前焊条需预热到300℃并保温两小时；
2、打底焊接工序：
采用焊条电弧焊进行打底焊接，焊接参数设定为：焊丝为国产核级不锈钢焊条ER308L；焊接电流为直流电，极性为直流反接，电流强度分别为125A、90A和95A，焊接速度为100mm/min。
3 填充焊接和盖面焊接工序
采用焊条电弧焊进行打底焊接，焊接参数设定为：焊条为国产核级不锈钢焊条ER308L；焊接电弧电压≤14V，焊接电流为直流电，极性为直流反接；电流强度分别为135A、115A和95A，采用5道3层焊以及摆动焊的焊接方法，摆动宽度控制在2.5倍的焊条直径范围内，焊接速度为150mm/min；控制层间温度≤150℃。
焊后，对焊缝试样进行性能检测，在焊接电流强度为135A时，国产核级ER308L焊条焊接00Cr18Ni9不锈钢焊接接头的抗拉强度Rm为610.55MPa，屈服强度Rp0.2为367.80MPa，屈强比为0.60；焊缝中心、熔合线和熔合线+2mm处的冲击功分别为39.98J、43.99J、99.85J；在焊接电流强度为115A时，国产核级ER308L焊丝焊接00Cr18Ni9不锈钢焊接接头的抗拉强度Rm为642.42MPa，屈服强度Rp0.2为337.30MPa，屈强比为0.53；焊缝中心、熔合线和熔合线+2mm处的冲击功分别为76.89J、76.47J、97.62J；在焊接电流强度为95A时，国产核级ER308L焊丝焊接00Cr18Ni9不锈钢焊接接头的抗拉强度Rm为604.06MPa，屈服强度Rp0.2为348.53MPa，屈强比为0.58；焊缝中心、熔合线和熔合线+2mm处的冲击功分别为40.72J、51.41J、104.14J；通过试验最终得出建议的焊接流为115A，在此焊接条件下，焊接接头的抗拉强度、塑性、韧性和耐腐蚀性能均足够好。
实施例5
本实施例中，焊前准备工序、打底焊接工序、填充焊接和盖面焊接工序与前述实施例1~4基本相同，不同之处在于，选用的核级不锈钢的化学成分，按照质量百分数，各组分含量如下：C：0.025%、Si：0.62%、Mn：1.41%、P：0.006%、S：0.006%、Ni：10.29%、Cr：20.68%、Mo：0.017%、Co：0.013，余量为Fe；采用由上述核级不锈钢制成的焊条进行焊接，焊接接头的抗拉强度、塑性、韧性和耐腐蚀性能均足够好。
实施例6
本实施例中，焊前准备工序、打底焊接工序、填充焊接和盖面焊接工序与前述实施例1~4基本相同，不同之处在于，选用的核级不锈钢的化学成分，按照质量百分数，各组分含量如下：C：0.020%、Si：0.530%、Mn：1.94%、P：0.017%、S：0.011%、Ni：9.78%、Cr：19.75%、Mo：0.030%、Co：0.041%，余量为Fe；采用由上述核级不锈钢制成的焊条进行焊接，焊接接头的抗拉强度、塑性、韧性和耐腐蚀性能均足够好。
本发明核级不锈钢的焊接方法的功效及优点是：1、使用国产核级不锈钢焊材作为焊接材料，使焊缝各项性能优良。由于00Cr18Ni9奥氏体不锈钢的杂志元素的P、S含量较低，使其具有良好的焊接性、耐蚀性及较好的塑性和高温性能，而被用于核电站的核电设备中。2、采用钨极氩弧焊和焊条电弧焊的焊接方法，不仅适用于板材的焊接，更适用于各种核级不锈钢材料的焊接，并且能够在实际生产中得到快速的运用。尤其是钨极氩弧焊，其机理是，氩弧焊采用钨电极，焊接时钨极不熔化，所以是一种电弧稳定、热源集中的焊接方法。加之焊接时使用很高纯度的氩气作为保护气，能有有效的防止合金元素的氧化而获得性能好的焊接接头。3、核级不锈钢焊材的国产化能够打破欧美日等国对我国特种焊材技术和市场的垄断，摆脱新型钢焊接材料依靠进口的状况，逐步实现国产化，促进核电设备制造、安装、检修关键技术的自主化进程。使我国核电事业能够安全、稳定的发展。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种核级不锈钢的焊接方法，包括对不锈钢制备坡口、坡口对接装配和选定焊接材料的焊前准备工序，打底焊接工序，以及填充焊接和盖面焊接工序；其特征在于：所述焊接工序所用的焊接材料均为由核级不锈钢制成的焊条或焊丝；焊接前焊条或焊丝需要预热；焊接时要控制层间温度；所述打底焊接、填充焊接、盖面焊接工序均采用手工钨极氩弧焊或者焊条电弧焊。
2.根据权利要求1所述的核级不锈钢的焊接方法，其特征在于：所述核级不锈钢的化学成分，按照质量百分数，各组分含量如下：C：0.020~0.025%、Si：0.530~0.62%、Mn：1.41~1.94%、P：0.006~0.017%、S：0.006~0.011%、Ni：9.78~10.29%、Cr：19.75~20.68%、Mo：0.017~0.030%、Co：0.013~0.041%，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的核级不锈钢的焊接方法，其特征在于：所述焊条为核级不锈钢焊条ER308L，焊丝为核级不锈钢焊丝ER308L。
4.根据权利要求3所述的核级不锈钢的焊接方法，其特征在于：所述手工钨极氩弧焊的焊接参数是：焊丝直径为Φ1.5-2mm，钨极直径为Φ2.4mm；保护气体为氩气，氩气流量为15-25mL/min，纯度≥99.99％；背保护气体为氩气，氩气流量为15-25mL/min，纯度≥99.99％；焊接电弧电压为10-15V，焊接电流为直流，极性为直流正接，电流强度为100-140A；焊接速度为65-80mm/min；焊接位置为全位置，直立向上。
5.根据权利要求1至4任一项所述的核级不锈钢的焊接方法，其特征在于：所述焊条电弧焊的焊接参数如下：焊条预热温度为300℃并保温2小时，采用多道多层焊以及摆动的焊接方法，最大摆动宽度为2.5倍的焊条直径范围；焊接电流为直流，极性为直流反接，电流强度为90-135A，焊接速度为100-150mm/min；焊接位置为全位置，直立向上。
6.根据权利要求5所述的核级不锈钢的焊接方法，其特征在于：所述层间温度控制的步骤中，层间温度≤150℃。
7.根据权利要求6所述的核级不锈钢的焊接方法，其特征在于：所述制备坡口的步骤中，制备的坡口为单面V字形坡口，坡口角度为60℃，间隙为2mm，钝边为1mm。
8.根据权利要求7所述的核级不锈钢的焊接方法，其特征在于：所述的核级不锈钢为00Cr18Ni9不锈钢。
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