CN114226924B - 一种提高不锈钢单层堆焊耐蚀层性能的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高不锈钢单层堆焊耐蚀层性能的焊接方法。本发明采用CO₂气体保护焊、用药芯焊丝进行耐蚀层单层堆焊，控制焊道搭接量为2‑3mm，无需进行过渡层堆焊，通过控制焊接电流、电弧电压、焊接速度、干伸长度、预热温度、层间温度、保护气体、气体流量、焊接线能量等焊接工艺参数，相较于一般单层堆焊，在保证了堆焊层的综合性能的前提下，有效加快了施工效率，具有操作方便、施工效率高、施工质量稳定的特点；用该方法所形成的耐蚀层综合力学性能好，尤其是耐腐蚀性能优良。

Description

一种提高不锈钢单层堆焊耐蚀层性能的焊接方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域。具体涉及一种提高不锈钢单层堆焊耐蚀层性能的焊接方法。

背景技术

大型压力容器设备多处于高温、高压、强腐蚀等复杂苛刻的工作环境下运行，腐蚀、疲劳等失效现象比较严重。奥氏体不锈钢作为一种韧塑性较高，工艺性等各方面性能均优异的高性能材料，被广泛应用于大型压力容器设备的制造过程中。但若只用奥氏体不锈钢制造零件，成本很高。因此，为降低生产成本，保证零件满足设计和使用要求，通常是在低合金钢上堆焊奥氏体不锈钢。

在基材大面积堆焊奥氏体不锈钢耐腐蚀层在设计和生产中已大量采用。原有工艺采用CO₂气体保护焊及焊丝需进行耐蚀层多层堆焊，才能达到性能要求。多层堆焊容易出现较多的夹渣、气孔、尺寸不良等焊接缺陷，严重降低接头的使用性能。而且焊接缺陷需反复焊补才能满足设计要求，严重影响生产周期，增加生产成本。

发明内容

为克服现有技术中的不足之处，本发明提供一种提高不锈钢单层堆焊耐蚀层性能的焊接方法，需要进行单层堆焊，操作方便、施工质量稳定，且施工效率大大提高。所形成堆焊耐蚀层的综合力学性能好，尤其是堆焊层腐蚀性能完全满足用户使用需求。

为了解决本发明的技术问题，所采取的技术方案为，一种提高不锈钢单层堆焊耐蚀层性能的焊接方法，包括如下步骤：

S1、在保护气体中利用309LMo焊丝在待堆焊面进行单层堆焊，焊接工艺参数如下：焊接电流为220-230A，电弧电压为28-30V，焊接速度为200-230mm/min，干伸长度为20-30mm，层间温度为100-150℃，电源种类及极性为直流反接，保护气体为纯CO₂，气体流量为15-20L/min，焊接线能量为16-20kJ/cm；焊枪沿水平方向移动形成一条焊道，焊道高度控制在4.0-4.5mm；

S2、采用不摆动连续堆焊，后一条焊道与前一条焊道的方向平行，相邻焊道的搭接量控制在2-3mm，如此反复，完成待焊接面的堆焊。

作为一种提高不锈钢单层堆焊耐蚀层性能的焊接方法进一步的改进：

优选的，所述309LMo焊丝化学成分的重量百分比如下：

C:＞0且≤0.03％，

Si:0.3％-1.0％，

Mn:1％-2.0％，

P:＞0且≤0.03％，

S:＞0且≤0.02％，

Cr:21％-25％，

Mo:2％-3％，

Ni:12％-15％，

Cu:0.2％-0.5％，

余量为铁及其它不可避免的杂质。

优选的，焊接工艺的预热温度为100-120℃。

优选的，在堆焊之前将工件待焊接面清理干净，并经过100％磁粉检测合格，待堆焊面水平朝上保持固定，焊接时焊枪与待堆焊面垂直。

优选的，每焊接完成一条焊道后停下来清理焊渣和焊嘴上的飞溅。

优选的，焊接过程中采用引弧板起弧，收弧时填满弧坑。

优选的，所述309LMo焊丝的直径为

本发明相比现有技术的有益效果在于：

1)堆焊是异种钢焊接，以往需要焊接过渡层，否则可能会产生裂纹，耐蚀性能也达不到要求。本发明采用CO₂气体保护焊、用药芯焊丝进行耐蚀层单层堆焊，控制焊道搭接量为2-3mm，无需进行过渡层堆焊，通过控制焊接方法参数，相较于一般单层堆焊，在保证了堆焊层的综合性能的前提下，有效加快了施工效率，具有操作方便、施工效率高、施工质量稳定的特点；用该方法所形成的耐蚀层综合力学性能好，尤其是耐腐蚀性能优良。

2)纯奥氏体不锈钢具有较高裂纹敏感性，奥氏体不锈钢的堆焊层如单相奥氏体会产生热裂纹，而含有一定数量铁素体的奥氏体不锈钢具有较高的抗结晶裂纹能力。这是因为，奥氏体不锈钢焊缝凝固时，根据不同的化学成分，可能有三种结晶模式：即先结晶析出奥氏体并形成全奥氏体组织的模式(简称A模式)；先结晶析出奥氏体后在晶界产生铁素体组织的模式(简称AF模式)和先析出铁素体后产生奥氏体+铁素体组织的模式(简称FA模式)。焊缝结晶模式不同，结晶裂纹敏感性也不同。在奥氏体焊缝中有一定量的铁素体(3％-10％)时产生FA模式。FA模式的抗结晶裂纹能力最强，A模式的抗结晶裂纹能力最差。当焊缝以FA模式结晶时，由于发生δ+L→γ反应，产生晶界迁移，原枝晶偏聚的低熔点杂质被包围在γ相晶粒内，因此具有非常好的抗裂性能。此外，铁素体对S、P、Si等元素具有较高的溶解度，能有效地降低凝固时残液中的杂质含量，提高抗裂能力。因此，在奥氏体焊缝中有3％-10％的铁素体是非常必要的。

影响不锈钢耐蚀层裂纹的焊接方法参数主要包括焊接热输入、层间温度以及焊道搭接量。焊接电流对结晶裂纹的影响很大，电流增加，焊接热输入增加，高温停留的时间增大，结晶裂纹敏感性增大。因此，奥氏体不锈钢焊接常限制焊接热输入。此外，焊接电流过大，会造成焊条药皮发红，甚至脱落，严重影响熔池保护效果，进而影响焊缝化学成分，也会影响结晶裂纹敏感性。同样道理，层间温度过高，高温停留时间加长，也会增加结晶裂纹敏感性。因此，奥氏体不锈钢焊接常控制层间温度。焊道搭接量的控制对于耐蚀层的连续性和应力集中都有较大的影响。焊道搭接量过大时，会造成耐蚀层不平整，出现应力集中，易产生裂纹；焊道搭接量过小时，会造成耐蚀层不连续，对基材的保护作用极大地降低。因此，在堆焊过程中，需要严格控制焊道搭接量。

堆焊层中各元素的含量因母材的稀释和焊接过程中电弧的氧化烧损而低于原焊材中的各元素含量，但Ni元素属于不锈钢焊缝金属中活性小的合金元素，在堆焊过程中基本不参与氧化反应，只有母材的稀释；因此，可通过Ni元素的含量的变化计算耐蚀层的稀释率。

3)对本发明形成的耐蚀层进行化学成分和铁素体数进行检测，结果证实，从堆焊层表面开始每隔0.5mm、直至距表面3mm处，最大稀释率约为18.2％，稀释率较低。从堆焊层表面至表下3mm处，理论公式计算铁素体数在6.9％-9.7％之间，磁性法实际检测的铁素体数在7.3％-8.6％之间，均满足技术要求，且两者的数据基本吻合，耐蚀层中的铁素体数量增加。

对本发明形成的耐蚀层进行弯曲、剪切强度以及硬度性能测试。垂直和平行于焊道取样的侧弯均未发生断裂，且无超标缺陷；堆焊层与母材结合面的剪切强度440-460MPa，堆焊层硬度值为190-200HV10，满足技术条件要求值≤237HV10。对本发明形成的耐蚀层进行金相组织观察与分析、晶间腐蚀试验。金相观察未发现裂纹、孔穴、夹杂、未熔合、未焊透等焊接缺陷，组织为奥氏体+少量铁素体，符合性能测试结果；晶间腐蚀试验证实，由于控制焊道搭接量，使堆焊层未产生增碳、Cr的稀释减少，堆焊层晶间腐蚀倾向得到大幅改善，无晶间腐蚀裂纹。

附图说明

图1为本发明的焊接过程、焊道搭接量的示意图；

图2为本发明实施例1堆焊后样品的显微金相组织，其中(a)为堆焊层及母材熔合线、(b)为母材、(c)为热影响区、(d)为堆焊层。

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，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，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。

本具体实施方式采用的钢板为Q370R(46mm)，焊丝为的气体保护焊单层堆焊焊丝，实施例中不再赘述。

实施例1

本实施例提供一种提高不锈钢耐蚀层性能的焊接方法，包括如下步骤：

S1、先将基材钢板Q370R待堆焊面的油污、铁锈、氧化皮等清理干净，经过100％磁粉检测合格后将堆焊工件固定，堆焊面朝上，保持水平；

S2、使用半自动CO₂气体保护焊接设备，在纯CO₂气体中利用309LMo焊丝在待堆焊面进行单层堆焊，焊机型号为山东奥太NBC-500逆变式CO₂气保焊机，焊接工艺参数如下：

焊接电流为220A，电弧电压为28V，焊接速度为230mm/min，干伸长度为24mm，预热温度为120℃，层间温度为100℃，电源种类及极性为直流反接，气体流量为15L/min，焊接线能量为16kJ/cm；焊枪沿横向移动形成一条焊道，焊道高度4.5mm；

S3、采用不摆动连续压道堆焊，后一条焊道与前一条焊道的搭接量控制在2-3mm，如此反复，完成待焊接面的堆焊；焊接过程和焊道搭接量如图1所示。

将该实施例制得的样品进行测试，堆焊层不同位置化学成分及铁素体数测量结果如下表1所示，焊态下堆焊层不同位置磁性法铁素体测量结果如下表2所示。

表1焊态下堆焊层不同位置化学成分(％)及铁素体数

表2焊态下堆焊层不同位置磁性法铁素体测量结果

由上表1和表2的测试结果可知：从堆焊层表面至表下3mm处，理论公式计算铁素体数公式计算值在6.9-9.7之间，磁性法实际检测的铁素体数在7.3-8.6之间，均满足技术要求，且两者的数据基本吻合，耐蚀层中的铁素体数量增加。

对本发明形成的耐蚀层进行弯曲、剪切强度以及硬度性能测试：垂直和平行于焊道取样的侧弯均未发生断裂，且无超标缺陷；堆焊层与母材结合面的剪切强度433MPa，堆焊层硬度值为193HV10，满足技术条件要求值≤237HV10。

对本发明形成的耐蚀层进行金相组织观察与分析，不同区域显微金相组织如附图2所示，其中(a)为堆焊层及母材熔合线，(b)为母材，(c)为热影响区，(d)为堆焊层，未发现裂纹、孔穴、夹杂、未熔合、未焊透等焊接缺陷，组织为奥氏体+少量铁素体，符合性能测试结果；

通过耐蚀层Ni元素含量，根据公式C₀＝DC_b+(1-D)C_d计算从堆焊层表面开始每隔0.5mm直至距表面3mm处的耐蚀层最大稀释率D，式中：C₀—元素在堆焊层中的实际质量百分含量；D—稀释率；C_b—元素在母材中的质量百分含量；C_d—元素在非稀释堆焊层中的质量百分含量，此处的C_d即为原焊丝熔敷金属中Ni元素的质量百分含量。经过计算得知，从堆焊层表面至距表面3mm处，最大稀释率为18.2％，稀释率较低，证明通过控制焊道搭接量，堆焊层晶间腐蚀倾向得到大幅改善。

对本发明形成的耐蚀层进行晶间腐蚀试验。截取试样，经590℃±15℃×6h最大模拟焊后热处理，根据GB/T 4334-2020《金属及合金的腐蚀奥氏体及铁素体-奥氏体(双向)不锈钢晶间腐蚀试验方法》-E法腐蚀后，采用直径为5mm压头进行弯曲180°，试件表面无晶间腐蚀产生的裂纹，耐蚀性能较好。说明通过控制焊道搭接量，使堆焊层未产生增碳、Cr的稀释减少，堆焊层晶间腐蚀倾向得到大幅改善。

实施例2

本实施例提供一种提高不锈钢耐蚀层性能的焊接方法，包括如下步骤：

S1、先将基材钢板Q370R待堆焊面的油污、铁锈、氧化皮等清理干净，经过100％磁粉检测合格后将堆焊工件固定，堆焊面朝上，保持水平；

S2、使用半自动CO₂气体保护焊接设备，在纯CO₂气体中利用309LMo焊丝在待堆焊面进行单层堆焊，焊机型号为山东奥太NBC-500逆变式CO₂气保焊机，焊接工艺参数如下：

焊接电流为230A，电弧电压为30V，焊接速度为230mm/min，干伸长度为24mm，预热温度为120℃，层间温度为150℃，电源种类及极性为直流反接，气体流量为20L/min，焊接线能量为18kJ/cm；焊枪沿横向移动形成一条焊道，焊道高度4.0mm；

S3、采用不摆动连续压道堆焊，后一条焊道与前一条焊道的搭接量控制在2-3mm，如此反复，完成待焊接面的堆焊；焊接过程和焊道搭接量如图1所示。

将该实施例制得的样品进行测试，堆焊层不同位置化学成分及铁素体数测量结果如下表3所示，焊态下堆焊层不同位置磁性法铁素体测量结果如下表4所示。

表3焊态下堆焊层不同位置化学成分(％)及铁素体数

表4焊态下堆焊层不同位置磁性法铁素体测量结果

由上表3和表4的测试结果可知：从堆焊层表面至表下3mm处，铁素体数理论公式计算值在7.2-10.0之间，磁性法检测的铁素体数在7.8-10.2之间，均满足技术要求，且两者的数据基本吻合，耐蚀层中的铁素体数量增加。

对本发明形成的耐蚀层进行弯曲、剪切强度以及硬度性能测试：垂直和平行于焊道取样的侧弯均未发生断裂，且无超标缺陷；堆焊层与母材结合面的剪切强度439MPa，堆焊层硬度值为197HV10，满足技术条件要求值≤237HV10。

对本发明形成的耐蚀层进行金相组织观察与分析，金相观察未发现裂纹、孔穴、夹杂、未熔合、未焊透等焊接缺陷，组织为奥氏体+少量铁素体，符合性能测试结果；

通过耐蚀层Ni元素含量，根据公式C₀＝DC_b+(1-D)C_d计算从堆焊层表面开始每隔0.5mm直至距表面3mm处的耐蚀层最大稀释率D，式中：C₀—元素在堆焊层中的实际质量百分含量；D—稀释率；C_b—元素在母材中的质量百分含量；C_d—元素在非稀释堆焊层中的质量百分含量，此处的C_d即为原焊丝熔敷金属中Ni元素的质量百分含量。经过计算得知，从堆焊层表面至距表面3mm处，最大稀释率为18.6％，稀释率较低，证明通过控制焊道搭接量，堆焊层晶间腐蚀倾向得到大幅改善。

对本发明形成的耐蚀层进行晶间腐蚀试验。截取试样，经590℃±15℃×6h最大模拟焊后热处理，根据GB/T 4334-2020《金属及合金的腐蚀奥氏体及铁素体-奥氏体(双向)不锈钢晶间腐蚀试验方法》-E法腐蚀后，采用直径为5mm压头进行弯曲180°，试件表面无晶间腐蚀产生的裂纹，耐蚀性能较好。说明通过控制焊道搭接量，使堆焊层未产生增碳、Cr的稀释减少，堆焊层晶间腐蚀倾向得到大幅改善。

因此，本发明具有操作方便、施工效率高、施工质量稳定的特点；用该方法所形成的耐蚀层综合力学性能好，尤其是耐腐蚀性能优良。

本领域的技术人员应理解，以上所述仅为本发明的若干个具体实施方式，而不是全部实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，还可以做出许多变形和改进，所有未超出权利要求所述的变形或改进均应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种提高不锈钢单层堆焊耐蚀层性能的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在保护气体中利用309LMo焊丝在待堆焊面进行单层堆焊，焊接工艺的预热温度为100-120℃，焊接工艺参数如下：焊接电流为220-230A，电弧电压为28-30V，焊接速度为200-230mm/min，干伸长度为20-30mm，层间温度为100-150℃，电源种类及极性为直流反接，保护气体为纯CO₂，气体流量为15-20L/min，焊接线能量为16-20kJ/cm；焊枪沿水平方向移动形成一条焊道，焊道高度控制在4.0-4.5mm；

S2、采用不摆动连续堆焊，后一条焊道与前一条焊道的方向平行，相邻焊道的搭接量控制在2-3mm，如此反复，完成待焊接面的堆焊；

所述309LMo焊丝化学成分的重量百分比如下：

C:＞0且≤0.03％，

Si:0.3％-1.0％，

Mn:1％-2.0％，

P:＞0且≤0.03％，

S:＞0且≤0.02％，

Cr:21％-25％，

Mo:2％-3％，

Ni:12％-15％，

Cu:0.2％-0.5％，

余量为铁及其它不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种提高不锈钢单层堆焊耐蚀层性能的焊接方法，其特征在于，在堆焊之前将工件待焊接面清理干净，并经过100％磁粉检测合格，待堆焊面水平朝上保持固定，焊接时焊枪与待堆焊面垂直。

3.根据权利要求1所述的一种提高不锈钢单层堆焊耐蚀层性能的焊接方法，其特征在于，每焊接完成一条焊道后停下来清理焊渣和焊嘴上的飞溅。

4.根据权利要求1所述的一种提高不锈钢单层堆焊耐蚀层性能的焊接方法，其特征在于，焊接过程中采用引弧板起弧，收弧时填满弧坑。

5.根据权利要求1所述的一种提高不锈钢单层堆焊耐蚀层性能的焊接方法，其特征在于，所述309LMo焊丝的直径为