CN103341682B - Saf2205双相不锈钢与weldox700低合金高强钢的焊接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SAF2205双相不锈钢与WELDOX700低合金高强钢的焊接工艺，所述焊接工艺用焊条电弧焊对SAF2205与WELDOX700进行焊接，焊接时不预热，焊接过程中采用多层多道焊，焊接时在背面及施焊面热影响区用铜板垫护，打底焊时正面采用熄弧焊。本发明工艺方案合理，采用E309MoL-17焊丝、实施多层多道焊，可获得焊缝区域为奥氏体和铁素体的双向组织，使SAF2205与WELDOX700的焊接获得满意的接头质量，其力学性能达到要求。

Description

SAF2205双相不锈钢与WELDOX700低合金高强钢的焊接工艺

技术领域

本发明属于化学材料的焊接工艺领域，具体涉及一种SAF2205双相不锈钢与WELDOX700低合金高强钢的焊接工艺。

背景技术

双相不锈钢指主要由奥氏体、铁素体或马氏体中任何两相所组成的不锈钢，但通常特指奥氏体-铁素体型双相不锈钢。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点。与铁素体不锈钢相比，其韧性高，韧脆转变温度低，耐晶间腐蚀性能和焊接性显著提高，同时还保留了铁素体不锈钢导热系数高、膨胀系数小、具有超塑性等特性；而与奥氏体不锈钢相比，屈服强度和抗疲劳强度显著提高，且耐晶间腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等性能有明显改善，因此被广泛应用于石油化工设备、海水与废水处理设备、输油输气管线、造纸机械等工业领域，也被研究用于桥梁承重结构领域，具有很好的发展前景。

实际应用中，由于双相不锈钢价格较高，为了节约费用经常使用其他异种钢与之进行焊接。但是，由于异种金属的化学成分和物理、化学性能等存在较大的差异，使得异种金属的焊接比价困难，如果焊接工艺控制不当，会使焊接接头的组织性能不均匀，甚至在接头过度区引发微裂纹，很难获得高质量的焊接接头。

近几年，制造企业在产品制造过程中会遇到SAF2205钢与WELDOX7OO钢的焊接问题。虽然SAF2205双相不锈钢是一种常用的不锈钢，但国内外针对该钢与WELDOX7OO钢焊接研究的还比较少。由于产品制造要求很高，且焊接质量的好坏直接关系到产品的安全性能和使用寿命，焊接过程中极易产生裂纹等焊接缺陷。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种SAF2205双相不锈钢与WELDOX700低合金高强钢的焊接工艺，可获得焊缝区域为奥氏体和铁素体的双向组织。

技术方案：一种SAF2205双相不锈钢与WELDOX700低合金高强钢的焊接工艺，所述焊接工艺用焊条电弧焊对SAF2205与WELDOX700进行焊接，焊接时不预热，焊接过程中采用多层多道焊，焊接时在背面及施焊面热影响区用铜板垫护，打底焊时正面采用熄弧焊。

作为优化：所述焊接过程中采用的多层多道焊，每焊完一层焊缝都应彻底清理打磨干净，再焊接下一层焊缝。

作为优化：所述焊接过程中采用的多层多道焊，施焊时层间温度控制在20-100℃。

作为优化：所述焊接工艺的焊接接头采用Y型坡口。

作为优化：焊接接头采用Y型坡口和间隙相对较大的对接接头，坡口角度为55°，钝边为2mm，间隙为2mm。

作为优化：所述焊接工艺的焊接材料为E309MoL-17焊丝。

作为优化：所述焊接工艺的焊接设备为交流弧焊机。

有益效果：本发明工艺方案合理，采用E309MoL-17焊丝、实施多层多道焊，可获得焊缝区域为奥氏体和铁素体的双向组织，使SAF2205与WELDOX700的焊接获得满意的接头质量，其力学性能达到要求。

附图说明

图1为本发明的接头坡口形式示意图；

图2为本发明的焊接次序示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1、2所示，一种SAF2205双相不锈钢21与WELDOX700低合金高强钢22的焊接工艺，所述焊接工艺用焊条电弧焊对SAF2205双相不锈钢21与WELDOX700低合金高强钢22进行焊接，焊接时不预热，焊接过程中采用多层多道焊，焊接时在背面及施焊面热影响区用铜板垫护，打底焊时正面采用熄弧焊。焊接过程中采用的多层多道焊，每焊完一层焊缝都应彻底清理打磨干净，再焊接下一层焊缝。焊接过程中采用的多层多道焊，施焊时层间温度控制在20-100℃。焊接工艺的焊接接头采用Y型坡口。焊接接头采用Y型坡口和间隙相对较大的对接接头，坡口角度31为55°，钝边32为2mm，间隙33为2mm。焊接工艺的焊接材料为E309MoL-17焊丝。焊接工艺的焊接设备为交流弧焊机。

焊接母材为SAF2205双相不锈钢21与WELDOX700低合金高强钢22，下面表一为母材的化学成分（质量分数），表二为母材机械性能。

表1母材的化学成分（质量分数）

材料	C	Mn	P	S	Si	Cr	Ni	Mo	N
										SAF2205钢	0.021	1.12	0.002	0.013	0.9	22.48	5.6	3.2	0.16
WELDOX700钢	0.17	1.32	0.0017	0.0093	0.62	0.73	0.063	0.152	-

表2母材机械性能

机械性能	屈服强度 MPa	抗拉强度 MPa	延伸率 %
				SAF2205钢	450	650	35
WELDOX700钢	690	770-940	14

由于SAF2205双相不锈钢21与WELDOX700低合金高强钢22两种材料的化学成分及机械性能差异较大（见表1和表2），在选择焊接方法时,应尽量减少母材对焊缝金属的稀释作用，避免热输入过低或者过高。当采用较低的热输入时，由于冷却速度较快使接头焊缝组织中的铁素体相含量偏高，甚至形成单一铁素体组织，对接头的冲击韧性不利，因此，电子束焊和等离子焊应尽量避免采用；过高的热输入会引起合金元素如Cr、Ni、Mo的烧损，也会使焊缝金属和热影响区的晶粒粗大，导致接头材料的耐腐蚀性能下降、机械性能劣化、冲击韧性下降等。采用适当的线能量进行焊接，可以使焊缝金属及热影响区的奥氏体转变充分，两相比例控制在合适的范围内，从而使焊接接头具有良好的性能。因此选用焊条电弧焊对SAF2205双相不锈钢21与WELDOX700低合金高强钢22进行焊接。

焊接材料的合理选择是保证异种金属焊接接头质量的关键之一。在焊接过程中，如果选用填充金属的化学成分与母材相同，由于热循环作用，焊缝中的铁素体相含量会急剧增加，导致氮化物和二次奥氏体析出，从而使焊缝的韧性和耐腐蚀性降低。所以对于SAF2205双相不锈钢21与WELDOX700低合金高强钢22的焊接，选用焊接材料的化学成分与SAF2205双相不锈钢21母材的化学成分不能完全相同。根据双相不锈钢焊接的实践，采用奥氏体占较大比例的焊接材料，可以抑制焊缝中铁素体相的过量增加，避免成为择优腐蚀的区域。Ni是强烈形成奥氏体的元素，因而在焊接材料的选择上应选择含Ni量比母材高3%左右的焊接材料；但Ni的含量不宜过高，以免在单一的铁素体凝固模式转变为双相凝固时发生元素偏析，降低焊缝的耐点蚀性能。因此选用E309MoL-17焊丝进行焊接，其化学成分见表3。

表3填充材料的化学成分（质量分数）%

材料	C	Mn	P	S	Si	Cr	Ni	Mo	N
										E309MoL-17焊丝	0.028	1.06	0.023	0.006	0.71	22.8	13	2.08	-

焊缝组织决定于焊缝成分，而焊缝成分决定于母材的熔入量，即熔合比。因此，一定的熔合比决定了一定的焊缝成分和组织。对于异种金属焊接的接头，在保证接头力学性能的同时，也要保证主要合金元素的稀释率即填充金属被母材稀释的程度达到最低，显然坡口角度越小，稀释率越大，所以接头的设计要合理。

将母材试样加工成尺寸为450mm×150mm×14mm的板材，因为在焊接过程中要求全熔透，实验中采用Y型坡口。为优化控制焊缝金属中的α/γ比值，应保证焊缝金属中的填充材料比例尽可能高，减少焊缝熔合比，因此，采用坡口和间隙相对较大的对接接头形式，坡口角度31为55°，钝边32为2mm，间隙33为2mm。

由于SAF2205双相不锈钢21的焊接对混气和水分等污染很敏感，焊接前需对材料严格清理。因为预热会减低焊接热影响区的冷却速度，故焊接时，不预热。为保证获得高质量的焊接接头，充分考虑到二次热循环的影响，焊接过程中采用多层多道焊。当采用多层多道焊时，后续焊道对前层焊道有热处理的作用，焊缝金属中的铁素体进一步转变成奥氏体，形成以奥氏体占优势的两相组织，毗邻焊缝的焊接热影响区组织中的奥氏体相增多，从而使整个接头的组织和性能得到显著改善。每焊完一层焊缝都应彻底清理打磨干净，再焊接下一层焊缝。为了避免焊缝中产生σ相等有害相的析出，焊接时在背面及施焊面热影响区用铜板垫护，打底焊时正面采用熄弧焊，施焊时层间温度控制在20-100℃。为获得接头具有最佳双相比例(铁素体相的含量约50%)和减少碳元素迁移，从大量的焊接工艺参数试验结果中筛选出最佳焊接工艺参数，最终确定了满足接头焊缝双相比要求的焊接工艺，焊接工艺参数见表4。

表4焊接工艺参数

由下面表5拉伸试验参数及试验结果可知，采用此发明焊接工艺获得的焊接接头抗拉强度达到742MPa以上，高于SAF2205钢母材抗拉强度要求的不小于650MPa，且拉伸试样断裂在抗拉强度相对较低的SAF2205钢母材一侧，表明焊接接头的抗拉强度满足实际使用要求。这是由于焊缝的显微组织由奥氏体和铁素体构成，铁素体有利于防止焊缝区奥氏体晶粒粗化，提高焊缝的强度，防止焊接热裂纹的出现；并且铁素体比奥氏体对杂质有更大的溶解度，对提高焊缝的强度同样有利。

表5拉伸试验参数及试验结果

试件号	宽mm	厚mm	面积mm2	极限总负载N	极限单位应力MPa	破坏性质和位置
							31	25	12.8	320	238720	746	断母材
32	25	13.0	325	241150	742	断母材

由下面冲击试验结果表6冲击试验结果可知，焊缝和W700侧的平均冲击韧度较高，SAF2205钢侧略低。这是由于组织中的奥氏体能抑制铁素体中已有微裂纹的继续扩展，并且氮在奥氏体中的溶解度比在铁素体中的高，从而减少氮化铬的形成，可以抑制晶界脆化，提高接头的韧性。焊缝和W700侧的奥氏体相的含量较高，所以韧性较好。尽管焊缝组织的奥氏体含量最高，但韧性却低于W700钢，这是由于W700钢一侧的奥氏体和铁素体晶粒细小、分布均匀，相界平滑，更有利于阻止微裂纹的扩展。低温冲击试验结果表明，采用此发明焊接工艺获得的焊接接头的冲击吸收能量远高于ASME第Ⅲ卷NF篇要求的34J。

表6冲击试验结果

弯曲试验结果如下面表7所示，由表可知四块试样180°弯曲后均未见缺陷。表明根据此发明焊接工艺获得的焊接接头塑性良好。说明此发明采用的焊接工艺过程合理可靠，满足一般工程结构的需求。

表7弯曲试验结果

试件号	厚（mm）	侧 面	直 径（mm）	角 度	结 果
						33	10	√	4a	180°	未见缺陷
34	10	√	4a	180°	未见缺陷
						35	10	√	4a	180°	未见缺陷
36	10	√	4a	180°	未见缺陷

对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

本发明工艺方案合理，采用E309MoL-17焊丝、实施多层多道焊，可获得焊缝区域为奥氏体和铁素体的双向组织，使SAF2205与WELDOX700的焊接获得满意的接头质量，其力学性能达到要求。

Claims (5)

1.一种SAF2205双相不锈钢与WELDOX700低合金高强钢的焊接工艺，其特征在于：所述焊接工艺用焊条电弧焊对SAF2205与WELDOX700进行焊接，焊接时不预热，焊接过程中采用多层多道焊，其中控制电弧电压为20～22V，焊接电流为90～100A的交流电，第一层第一道焊接速度为12.3cm/min，最大热输入8.04KJ/cm、第二层第一道即总第二道焊接速度为21.84cm/min，最大热输入4.53KJ/cm、第三层第一道即总第三道焊接速度为28.56cm/min，最大热输入3.46KJ/cm、第四层第一道即总第四道焊接速度为20.88cm/min，最大热输入4.74KJ/cm、第五层第一道即总第五道焊接速度为21.42cm/min，最大热输入4.62KJ/cm、第五层第二道即总第六道焊接速度为19.20cm/min，最大热输入5.15KJ/cm、第六层第一道即总第七道焊接速度为22.02cm/min，最大热输入4.49KJ/cm、第六层第二道即总第八道焊接速度为20.88cm/min，最大热输入4.74KJ/cm、第七层第一道即总第九道焊接速度为23.28cm/min，最大热输入4.25KJ/cm、第七层第二道即总第十道焊接速度为18.48cm/min，最大热输入5.35KJ/cm、第七层第三道即总第十一道焊接速度为17.94cm/min，最大热输入5.51KJ/cm，焊接时在背面及施焊面热影响区用铜板垫护，打底焊时正面采用熄弧焊，所述焊接工艺的焊接接头采用Y型坡口，所述焊接接头采用Y型坡口和间隙相对较大的对接接头，坡口角度为55°，钝边为2mm，间隙为2mm。

2.根据权利要求1所述的SAF2205双相不锈钢与WELDOX700低合金高强钢的焊接工艺，其特征在于：所述焊接过程中采用的多层多道焊，每焊完一层焊缝都应彻底清理打磨干净，再焊接下一层焊缝。

3.根据权利要求1所述的SAF2205双相不锈钢与WELDOX700低合金高强钢的焊接工艺，其特征在于：所述焊接过程中采用的多层多道焊，施焊时层间温度控制在20-100℃。

4.根据权利要求1所述的SAF2205双相不锈钢与WELDOX700低合金高强钢的焊接工艺，其特征在于：所述焊接工艺的焊接材料为E309MoL-17焊丝。

5.根据权利要求1所述的SAF2205双相不锈钢与WELDOX700低合金高强钢的焊接工艺，其特征在于：所述焊接工艺的焊接设备为交流弧焊机。