一种高氮奥氏体不锈钢中厚板的焊接方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高氮奥氏体不锈钢中厚板的焊接方法及装置，属于钢铁材料焊接技术领域。
[0002]
【背景技术】
近年来，氮作为钢的合金化成分已日益受到重视，高氮奥氏体不锈钢优异的力学性能、组织稳定性和耐腐蚀性能使其成为一种应用前景非常广阔的新型钢铁材料。其广泛应用受到焊接的影响。高氮钢因利用较高的氮含量进行合金化而具有良好的强韧性和耐蚀性，而在其熔焊过程中，焊缝区氮的损失降低了焊缝中的固溶氮含量，从而造成接头性能下降。
[0003]在选择高氮钢焊接保护气时，氩气作为保护气焊接有利于引弧和电弧稳定，但在进行熔化极氩气保护焊时，氮气孔的形成、气液界面处的氮逸出及氮化物的析出都会造成焊缝氮损失，固溶氮含量减少，使接头性能下降。因此通常选用氩气作为基本组成，并通过对其他气体的选择和比例的改变来达到降低焊缝氮损失的目的。氮气是高氮钢焊接过程中最常用的气体之一，在一定范围内增大氮分压，焊缝氮含量也随之增加。
[0004]目前对高氮钢的焊接较多采用熔化极氩气保护焊，如(焊接[J]2008，(12)，25-29)所采用的氩气与2.5%的二氧化碳的混合气体为保护气，虽然文中并没有直接测量氮含量，但铁素体的析出已经说明在焊接过程中有氮的逸出。在实际的实验过程中，发现采用该方法，焊缝氮含量约为母材的20%，氮的大量损失使得焊缝组织中出现铁素体，使得焊缝塑韧性降低。
【发明内容】
[0005]本发明的目的有两个:
(I)提供一种高氮奥氏体不锈钢中厚板的焊接方法。
[0006](2)提供一种高氮奥氏体不锈钢中厚板的焊接装置。
[0007]实现本发明目的(I)的技术方案为:
一种用于高氮奥氏体不锈钢中厚板的焊接方法，所述方法是将熔化极氮气保护焊枪放置于焊缝一侧，非熔化极氮气保护焊枪放置于焊缝另一侧，焊接时熔化极氮气保护焊枪与非熔化极氮气保护焊枪同时移动，且在靠近熔化极氮气保护焊枪的一侧通入氮气，通入氮气位置与熔化极氮气保护焊枪移动方向相反。
[0008]在高氮钢焊接时，主要通过采用特定的保护气而达到与众不同的焊接效果。其中熔化极气体保护焊枪采用高氮钢焊丝，采用含氮气体积分数为5-20%，余量为氩气的混合气体作为保护气，通过调节保护气中氮的含量，达到对焊缝中氮含量的控制。焊缝底部采用了非熔化极氮气保护焊与焊缝表面同时进行焊接，不仅能保证焊透，而且能防止氮元素在焊透的情况下从焊缝底部逸出，该极采用锆-钨作为电级，氮气作为保护气。
[0009]实现本发明目的(2)的技术方案为:
上述在靠近熔化极氮气保护焊枪的一侧通入氮气，为此本发明还涉及一种用于高氮奥氏体不锈钢中厚板的焊接固氮装置，所述装置包括高压氮气保护拖罩、高压氮气发生装置、拖罩夹持装置，所述高压氮气保护罩为六面体形状，顶面窄下面宽，空心，无底，前后关于铅垂面对称，剩余两面一面垂直于水平面，另一面为斜面，顶面开有一个通气孔，通气孔通过管道连接高压氮气发生装置。
[0010]一种高氮奥氏体不锈钢中厚板的焊接装置，所述装置包括熔化极氮气保护焊枪、非熔化极氮气保护焊枪及固氮装置，所述熔化极氮气保护焊枪固定于焊缝一侧，非熔化极氮气保护焊枪固定于焊缝另一侧，与熔化极氮气保护焊枪关于高氮奥氏体不锈钢中厚板对称，所述高压氮气保护拖罩通过拖罩夹持装置与熔化极氮气保护焊枪相连，焊接时，熔化极氮气保护焊枪在前高压氮气保护拖罩在后，高压氮气保护拖罩内通过外部导气管与其顶面圆形通气孔的连接从高压氮气瓶向其内部喷入高压氮气，使得焊缝在氮气氛中冷却。
[0011]焊接过程中，所述熔化极氮气保护焊枪和非熔化极氮气保护焊枪分别由一只机械手或行走机构装夹，将熔化极氮气保护焊枪放置于焊缝一侧，非熔化极氮气保护焊枪放置于焊缝另一侧，高压氮气保护拖罩与熔化极氮气保护焊枪夹持在一起，高压氮气保护拖罩底面对准焊缝，其位置与熔化极氮气保护焊枪移动方向相反，施焊时高压氮气保护拖罩位于熔化极氮气保护焊枪之后，并跟随其行走；工作时，三部分装置同时移动，高压氮气保护拖罩内通过外部导气管与其顶面圆形通气孔的连接从高压氮气瓶向其内部喷入高压氮气，使得焊缝在氮气氛中冷却，实现了对熔池的全方位和全过程的固氮和保护。
[0012]原理说明:焊接过程中氮气在电弧空间中分解为氮原子，氮原子同时也在复合成为氮气分子，由此而达到复合和分解的平衡，此时电弧空间维持一定的氮活度。电弧空间的氮原子会溶入熔池，同时熔池中的氮原子也会逸出，当溶入和析出达到平衡时，熔池能维持一定的氮含量。在一定范围内提高电弧空间氮含量时可以提高电弧空间氮活度，使得溶入和析出平衡向溶入的方向移动，从而减少氮逸出，提高熔池氮含量。当电弧前移时，熔池逐渐冷却，此时焊枪中的保护气已经随电弧前移，使得高热焊缝处氮分压急剧降低，此处将成为高热焊缝表面氮原子结合成分子逸出的地方。为此，本发明设计了用于高氮奥氏体不锈钢中厚板的焊接固氮装置，对高热焊缝通以高压氮气，使其在高的氮分压气氛中冷却，从而减少焊缝冷却过程中的氮逸出。
[0013]本发明与现有技术相比其显著优点是:利用本发明所提供的装置进行高氮奥氏体不锈钢中厚板焊接时，在适当的焊接工艺参数下，焊缝正面的熔化极氮气保护焊枪在施焊过程中能使氮的溶入析出平衡向溶入的方向移动，有效的防止电弧作用过程中焊缝的氮逸出；焊缝底部的非熔化极氮气保护焊枪能有效阻止在焊透的情况下焊缝底部氮逸出；高压氮气拖罩可以有效防止高温焊缝区域氮逸出。使得最终焊缝氮含量可以达到母材的90%以上，有效减少焊缝氮逸出。
【附图说明】
[0014]图1是本发明高氮奥氏体不锈钢中厚板焊接固氮控制装置结构示意图。
[0015]图2是实施例中高压氮气保护拖罩俯视图。
[0016]图3是图2中A-A面剖示图。
[0017]图4是图2中B-B面剖示图。
【具体实施方式】
[0018]实施例1
对30mm高氮奥氏体不锈钢板卷板成直径为2m的筒体进行对接纵缝焊接。采用55度坡口，正面采用脉冲熔化极氮气保护焊，焊丝采用高氮钢焊丝，保护气为9.5%的氮气和90.5%的氩气的混合气体，焊接时保护流量为20L/min。焊接电流为270-290A，焊四层。同时保护拖罩以15L/min的流量喷纯氮气。焊缝背面采用非熔化极氮气保护焊，采用锆-钨电极，其焊枪随熔化极氮气保护焊枪同步行走，采用氮气作为保护气，焊接电流为90A，焊枪套外以20L/min的流量喷氮气。
[0019]具体步骤:将熔化极氮气保护焊枪I放置于焊缝一侧，非熔化极氮气保护焊枪2放置于焊缝另一侧，焊接时熔化极氮气保护焊枪I与非熔化极氮气保护焊枪2同时移动，且在靠近熔化极氮气保护焊枪I的一侧连接固氮装置，固氮装置安装位置与熔化极氮气保护焊枪I移动方向相反，所述固氮装置包括高压氮气保护拖罩3、高压氮气发生装置4、拖罩夹持装置5，所述高压氮气保护罩3为六面体形状，上窄下宽，前后关于铅垂面对称，剩余两面一面垂直于水平面，另一面为斜面，空心，无底，顶面开有一个通气孔，通气孔通过管道连接高压氮气发生装置4，其形状如图2，3，4所示，所述高压氮气保护罩3与熔化极氮气保护焊枪I通过拖罩夹持装置5夹持在一起，焊接时焊枪在前高压氮气保护拖罩紧随其后，如图1中所示。焊接结束时，两把焊枪同时熄弧，并继续前行50mm，使熄弧处的高热焊缝位于高压氮气保护拖罩下方，保护拖罩内继续通入纯氮气约30s，停止对保护拖罩通气，移走焊枪，结束焊接。
[0020]焊后对母材和焊缝进行了氮含量测试，母材氮含量为0.65%，焊缝氮含量为
0.61%，为母材氮含量的93.8%，此方法对焊缝固氮的效果明显。
[0021]对比例I
对30mm高氮奥氏体不锈钢板卷板成直径为2m的筒体进行对接纵缝焊接。采用55度坡口，采用高氮钢焊丝，进行脉冲熔化极氩气保护焊，保护气流量为20L/min，焊接电流为270-290A。
[0022]具体步骤:将熔化极氮气保护焊枪I中的氮气和氩气混合气体换成纯氩气，形成熔化极氩气保护焊枪，将该焊枪放置于焊缝一侧。弓I弧并进行焊接，引弧的同时，焊枪会自动通入氩气对焊缝进行保护。焊接结束时，熄弧，移走焊枪，结束焊接。
[0023]经检测，母材氮含量为0.65%，焊缝氮含量为0.1-0.2%，为母材氮含量的15.4%-30.8%ο
【主权项】
1.一种高氮奥氏体不锈钢中厚板的焊接方法，其特征在于:所述方法是将熔化极氮气保护焊枪(I)放置于焊缝一侧，非熔化极氮气保护焊枪(2)放置于焊缝另一侧，焊接时熔化极氮气保护焊枪(I)与非熔化极氮气保护焊枪(2)同时移动，且在靠近熔化极氮气保护焊枪(I)的一侧通入氮气，通入氮气位置与熔化极氮气保护焊枪(I)移动方向相反。2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于:所述熔化极氮气保护焊枪(I)焊丝采用高氮钢焊丝，保护气为含氮气、氩气的混合气体。3.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于:保护气为含氮气体积分数为5-20%，余量为氩气的混合气体。4.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于:所述非熔化极氮气保护焊枪(2)电极采用锆-钨电极，保护气为氮气。5.一种高氮奥氏体不锈钢中厚板的焊接装置，包括熔化极氮气保护焊枪(I)其特征在于:所述装置包括非熔化极氮气保护焊枪(2)及固氮装置，所述固氮装置包括高压氮气保护拖罩(3)、高压氮气发生装置(4)、拖罩夹持装置(5)，所述高压氮气保护罩(3)为六面体形状，顶面窄下面宽，空心，无底，前后关于铅垂面对称，剩余两面一面垂直于水平面，另一面为斜面，顶面开有一个通气孔，通气孔通过管道连接高压氮气发生装置(4)，所述熔化极氮气保护焊枪(I)固定于焊缝一侧，非熔化极氮气保护焊枪(2)固定于焊缝另一侧，与熔化极氮气保护焊枪(I)关于高氮奥氏体不锈钢中厚板对称，所述高压氮气保护拖罩(3)通过拖罩夹持装置(5)与熔化极氮气保护焊枪(I)相连。
【专利摘要】本发明涉及一种高氮奥氏体不锈钢中厚板的焊接方法及装置。所述方法是将熔化极氮气保护焊枪放置于焊缝一侧，非熔化极氮气保护焊枪放置于焊缝另一侧，焊接时熔化极氮气保护焊枪与非熔化极氮气保护焊枪同时移动，且在靠近熔化极氮气保护焊枪的一侧通入氮气，通入氮气位置与熔化极氮气保护焊枪移动方向相反。所述装置包括非熔化极氮气保护焊枪、熔化极氮气保护焊枪和固氮装置。采用本方法和装置对高氮奥氏体不锈钢中厚板进行焊接，所得焊缝的氮含量可以达到母材氮含量的93.8%，塑韧性与母材相近。
【IPC分类】B23K9/167, B23K9/02, B23K9/173
【公开号】CN104907674
【申请号】CN201410092256
【发明人】王克鸿, 张颂, 李娟 , 牛延, 赵东升, 周琦, 孔见, 彭勇, 强伟, 江俊龙
【申请人】南京理工大学
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2014年3月13日