专利名称：含高氮不锈钢的焊接方法及其焊接材料的制作方法
本申请的发明涉及含高氮不锈钢的焊接方法及其焊接材料。更详细讲，是涉及具有优良耐腐蚀性，而且能够防止在焊接部位产生气孔的、改进的新型含高氮不锈钢的焊接方法及其焊接材料。
多年来，作为以提高对海水环境的耐孔融性、缝隙腐蚀性为目的不锈钢，与以前的SUS316L钢等比较，含有大量的Cr、Mo(Cr20～30重量％(以下只记作％)、Mo2～7％)，进而含有0.2～0.5％的N，这种奥氏体系不锈钢已广为使用。一般认为海水环境下的耐孔蚀、缝隙腐蚀性，是根据合金成分把PRE＝％Cr+3×％Mo+10×％N作为指标被表示的(但是，对于Mo和N的系数，不同的研究人员有时也采用稍有差异的值)，若该PRE值在38以上，在海水环境下就具有足够的耐腐蚀性，因此把这种PRE高于38的不锈钢称作超级不锈钢。一般焊接超级不锈钢时，由于凝固偏析，局部会产生合金成分浓度降低等现象，与母材相比，耐腐蚀性就显得低劣，作为对策，采用的办法是采用含20～25％Cr、10～20％Mo的Ni基合金作为焊接材料。然而，以前公知的这些超级不锈钢中，由于含有大量的Cr、Mo，就资源耗费和价格方面仍存在着问题。
针对这种状况，作为在海水环境下，具有无电气防食即可使用的耐孔蚀性、缝隙腐蚀性的，并且，节约Cr、Ni、Mo主要合金元素的节省资源型不锈钢，提出的方案是增大氮(N)含量的高氮不锈钢。这种钢材，以提高耐腐蚀性为目的，而提高了N含量。然而，具有这种特征的钢材，由于提高了氮含量，例如，加热到1600℃形成熔融状态时，会含有与1个气压N2气平衡的饱和熔解度以上的过饱和氮。因此，在用电弧、激光等焊接这种钢材时，在焊接金属中，过饱和氮会形成气化，这样凝固后，形成气孔而残留下来，成为一种焊接缺陷，带来的问题是焊接接缝的机械特性低劣。再有，为提高耐腐蚀性，N是必要的合金元素，但是在焊接处，由于形成气孔或从溶蚀金属表面释放出，造成氮浓度降低，耐腐性恶化。
因此，本申请发明的课题是利用上述含高氮不锈钢的特征，而解决其焊接中的问题，提出一种新的焊接方法，使焊接金属组成在熔融状态下，不使N形成过饱和，而且使焊接金属的平均组成在海水环境下都具有足够的耐腐蚀性，并能保持与母材金属同等的机械特性和耐腐蚀性。
本申请的发明，作为解决如上述课题，第1个目的是提出的一种含高氮不锈钢的焊接方法，其特征在于在将熔融时含有与1个气压N2平衡的高于熔解度的氮的高氮不锈钢作为母材的焊接中，母材熔融部分断面积对每焊接1个焊道时焊接金属断面积的比，定义为稀释率D，将母材的Cr、Ni、Mo和N浓度(重量)取为％CrP、％NiP、％MoP和％NP，将焊接材料的Cr、Ni、Mo浓度(重量)取为％CrF、％NiF、％MoF，这些满足以下二个关系式(A)、(B)地设定焊接材料的成分和上述稀释率进行焊接，(A)％NP×D≤0.028×(％CrP×D+％CrF×(1-D))+0.014(％MoP×D+％MoF×(1-D))-0.0060×(％NiP×D+％NiF×(1-D))-0.26(B)(％CrP×D+％CrF(1-D)+3×(％MoP×D+％MoF×(1-D))+8×％NP×D≥38本申请发明第2个目的是提出的含高氮不锈钢的焊接方法，在上述焊接方法中，焊接材料的合金元素组成为20～32％Cr、5～25％Ni、2～8％Mo、C≤0.03％、Si≤0.6％、Mn≤2.5％、P≤0.03％、S≤0.03％，其余为Fe，也可含有不可避免的其他杂质。第3个目的是提供这些焊接方法中使用的焊接材料。
本申请的发明，虽然具有如上述的特征，但以下对其实施方案进行说明。
首先，本申请发明的焊接方法，着眼于作为对象材料的母材，即含高氮不锈钢，以N为合金元素，代替Cr、Mo来提高耐腐蚀性，并具有稳定奥氏体相的功能。Cr、Ni、Mo含量与以前的SUS316钢同等水平，通过将N含量提高1％，就能显示出与公知超级不锈钢同等优良的耐腐蚀性，同时也能节省Cr、Ni、Mo，降低成本，节约资源。然而，这种材料在熔融状态下，由于含有与1个气压N2气平衡的溶解度以上的N(以下只称过饱和的)，通常在焊接中，母材熔融时，如图7所示，过饱和的N气化形成气孔，而残留在焊接金属中，造成焊接接缝机械特性恶化的问题。虽然N是获得高耐腐蚀性不可缺少的合金元素，但是，焊接结束后的焊接金属中的氮浓度与母材中的浓度仍有大幅度降低，导致耐腐蚀性恶化。这是由于添加的焊接材料被稀释，形成气孔、熔融中从熔融金属表面向大气释出等原因。
本申请的发明是提出一种在焊接具有上述特性的高氮不锈钢中，能防止产生气孔和防止耐腐蚀性恶化的方法。本申请的发明是根据如下发现，即，虽然在焊接中，当仅母材熔融时，过饱和的N会产生气孔，但是通过一边供给焊接材料一边熔融部分母材，熔融的母材和焊接材料迅速混合，只要混合的熔融金属组成中的N不发生过饱和，就不会产生气孔。为了使熔融金属不形成N过饱和，本申请的发明的特征是，首先，减小母材熔融部分的体积，充分供给焊接材料，母材熔融部分体积对含有每焊接1个焊道的焊接材料的熔融金属总体体积的比(将该值定义为稀释率)限定在某个范围值内，进行焊接。但是，此处定义的稀释率，如通常的焊接，沿焊接方向首先开始的断面形状和焊接金属断面形状恒定时，例如，
图1(a)例示的从焊接前首先开始的断面形状状态，向图1(b)焊接后的焊接金属断面形状状态的变化中，母材熔融部分断面(SPM)对焊接焊道的任意断面中焊接部分的焊接金属断面积(SWM)的比，即，原则上以下式表示。
稀释率D＝SPM/SWM提高焊接材料的熔融状态下的N的溶解度对于扩大上述稀释率的限定范围是最要的，在实用的材料中，以Fe为基质，提高了Cr、Mo含量的材料可以溶解最多的氮，适宜作高N不锈钢的焊接材料，这一点是很明确的。因此，在本申请的发明中，如以上所述，为防止焊接高N不锈钢时产生气孔，用含高Cr、Mo的Fe基合盒材料作焊接材料，在稀释率为一定值以下的条件下进行焊接。
另一方面，对于海水的耐孔腐蚀性、缝隙腐蚀性与材料组成之间，可整理出以下关系。
耐孔蚀性、缝隙腐蚀性∝PRE(＝％Cr+3×％Mo+10％N)虽然N是付与很大耐腐蚀性的元素，但本发明在焊接作为对象的高N不锈钢时，焊接金属的氮浓度降低到与熔融时1个气压N2气平衡溶解度以下。因此，预先将焊接材料组成取为高Cr、Mo的材料，在和熔融母材混合的焊接金属组成中，即使N浓度降低也必须考虑上述PRE在38以上。另外，由于Mn、Si、Al、C、O、P、S等其他元素对耐腐蚀性产生不利恶烈影响，所以只保证SUS316L中规定水平的量，就可以了，没有必要再重新添加。
如上所述，作为高氮奥氏体系不锈钢的焊接方法，为防止产生气孔和防止焊接金属耐腐蚀性恶化，而使用含大量Cr、Mo的不锈钢作焊接材料，将稀释率取为某范围值，以使焊接金属组成的PRE为38以上。本申请的发明中，为达到这些条件，相对于母材组成，可将稀释率和焊接材料组成规定如下。
(A)％NP×D≤0.028×(％CrP×D+％CrF×(1-D))+0.014(％MoP×D+％M MoF×(1-D))-0.0060×(％NiP×D+％NiF×(1-D))-0.26(B)(％CrP×D+％CrF(1-D)+3×(％MoP×D+％MoF×(1-D))+8×％NP×D≥38此处将母材的Cr、Ni、Mo和N浓度表示为％CrP、NiP、MoP和NP，将焊接材料的Cr、Ni和Mo的浓度表示为％CrF、％NiF和％MoF。将稀释率表示为D，浓度的单位表示为重量％。
本申请的发明中，适当的焊接材料为含Cr、Ni、Mo、Mn、Si、C、P、S、O、Al和其他不可避免的杂质的不锈钢，其组成范围为Cr20～32重量％(以下表示为％)、Mo2～10％、Ni5～25％、Mn、Si、C、P、S、O、Al的含量在SUS316L的规定值以下。此处组成的规定，仅以母材中所含的Cr、Ni、Mo、N和焊接材料中所含的Cr、Ni、Mo为对象，因其他元素的量很少，影响也小，因此实际上是可忽略的。
进一步地说与熔融状态Fe合金的1个气压N2平衡的N饱和溶解度，虽然有日本学术振兴会推荐值的计算式等，但作为现实对象的组成范围Fe基合金，可使用近似式。将熔融金属在溶融状态下没有形成N过饱和作为条件，可根据上述式(A)进行规定。
接着为使焊接金属的PRE在38以上，按上述式(B)进行规定。在这种情况下，是基于焊接金属的氮在熔融时约有20％释放到大气中这一实验结果获得的。
本申请的发明中，是利用以上(A)、(B)二式，根据母材组成来限定焊接时的稀释率和焊接材料组成的范围。这样才有可能在焊接含有大量氮的不锈钢时，不会产生气孔，而且也不会造成母材的耐腐蚀性恶化。
所说的用焊接材料吸收母材中所含的过剩氮的焊接概念，是到目前为止没有的一种新概念。
以下示出实施例，更详细地进行说明。当然，本申请的发明不受以下实例所限定。
图1(a)、(b)是本发明中稀释率的说明图。
图2是供给焊接材料TIG焊接法示意图。
图3(a)、(b)是作为实施例的开口端形状和焊接焊道断面的示意图。
图4是作为实施例的另一开口端形状的示意断面图。
图5是作为实施例的激光焊接示意斜视图。
图6(a)、(b)是作为实施例的MAG焊接法和开口端形状断面示意图。
图7是说明产生气孔的断面图。
实施例1作为母材，合金组成相当于SUS316L，将含有1.0％N的材料，通过加压式电渣熔融(以下称加压ESR)进行调制，利用热轧形成4mm厚的板状。首先使用市售的焊接材料，试验中，利用图2所示的TIG电弧焊接，以图3(a)中所示的首先开口端形状，以电弧电流130A、电弧电压12V、焊接速度10cm/分、焊接材料直径1.2mm、保护气Ar15L/分的焊接条件，实施结合焊接，结果，在该开口端形状和焊接条件下，获得40％的稀释率。以40％稀释率进行焊接时，作为满足本发明规定式(A)、(B)的焊接材料成分，可列举的有表1中*号所表示的。对表1中E-1表示组成的材料真空熔解，抽丝形成直径1.2mm的棒状焊接材料。切割二块50×100×4mm大小的母材板，加工成图3(a)所示的形状并对结，以向下的姿式，按上述焊接条件进行焊接。观察焊接焊道断面的结果示于图3(b)中，由焊接部的金属断面面积和母材熔融部断面面积计算出的稀释率为40％。将焊接焊道任意切割5处断面，观察结果是完全没有观察到气孔，再切割焊接部的金属部分，在45℃人工海水中测定孔蚀电位。结果在45℃下没有发现孔蚀产生。利用该发明的焊接方法完全能防止气孔产生，而且，焊接金属的耐腐蚀性也和母材一样同等优良。
表1
比较例1使用和实施例1相同组成的母材，在电弧电流150A、焊接速度10cm/分的条件下，以稀释率70％进行同样的TIG焊接，并进行同样的评价。没有满足上述规定式(A)、(B)，在焊接部分观察到气孔产生，45℃的人工海水中的孔蚀电位为0.7V，耐腐蚀性恶化。
比较例2使用和实施例1相同成分的母材，并使用直径1.2mm耐腐蚀性优良的市售Ni基合金材料(名称625)作焊接材料，在相同的焊接条件下进行试验。结果是虽然焊接金属部分耐腐蚀性优良，但产生气孔。认为这是没有满足上述规定式(A)，Ni基合金熔融时的N溶解度很小的原故。
以上实施例1、比较例1和2的结果全部示于表2。
表2
实施例2在母材氮含量和稀释率不同的条件下实施研究。母材同样以SUS316L作基准，取含有0.5％N的材料，和实施例1一样加工成4mm厚的板材。在该实施例中，以形成10％稀释率的条件进行TIG焊接。在该条件下，作为满足规定式(A)、(B)的焊接材料组成，虽然是表3中*号表示的，但其中，对E-2所示组成的材料进行真空熔解，抽丝形成直径1.2mm的线材。开口端形状如图4所示，在电弧电流140A、焊接速度10cm/分的条件下进行焊接。观察焊接焊道的断面，结果是稀释率为10％。评价焊接部的金属中有无气孔，45℃人工海水中的孔蚀电位，结果示于表4。没有气孔，耐腐蚀性良好。
比较例3
使用和实施例2相同的母材、焊接材料，焊接条件取为电弧电流140A、焊接速度7cm/分，实施同样的焊接试验。结果示于表4，稀释率变大，耐腐蚀性恶化。
表3
*满足2式的组成表4
实施例3使用23Cr-2Mo-1.5N-Fe其余的组成母材，进行CO2激光焊接。将母材调制成和实施例1一样，加工成4mm厚板。试料如图5所示，在4mm厚的母材之间夹持断面为1mm×4mm矩形的插入金属，选定形成30％稀释率的条件。作为插入金属材料组成，有表5中*号所示组成的材料，其中，E-3所示组成进行真空熔解、压延、切割成上述断面形状，作为插入金属夹在母材之间。焊接条件为CO2激光功率5KW、焊接速度2m/分。结果示于表6，得到没有气孔、耐腐蚀性优良的焊接金属。
表5
*满足2式的组成表6
实施例4使用和实施例1相同组成的母材，表示实施例进行图6所示的MAG焊接。将母材利用加压ESR造块后，再通过冷轧形成8mm厚的板材。将母材加工成图6(b)所示开口的开状，进行结合，使用市售的直径1.6mm焊接丝，研究焊接条件结果是在电弧电流300A、电弧电压30V、焊接速度40cm/分、保护气20L/分的条件下，得到40％的稀释率。此处对表1中E-4所示组成的焊接材料进行真空熔解、抽丝，加工成直径1.6mm的丝，在同样的条件下进行MAG焊接。根据焊接焊道的断面形状，稀释率为40％。观察任意5处的焊接焊道断面，结果是没有观察到气孔。
再切割焊接金属部分，测定45℃人工海水中的孔蚀电位，没有发生孔蚀现象。
比较例4和实施例4一样，进行MAG焊接。母材组成、板厚、开始形状、焊接条件都相同，使用表1中R-1所示组成的焊接材料，将其真空熔解、抽丝加工成直径1.6mm的丝。结果发现有气孔产生、焊接金属的耐腐蚀性恶化。实施例4和比较例4的结果全部示于表7。
表7
正如以上详细说明，根据本申请的发明，可以焊接高氮不锈钢，并能保证耐腐蚀优良，防止焊接部金属中产生气孔。并可普及应用于海洋建筑物、海水环境设备等不需要牺牲防腐蚀、电防腐蚀，是节省主要的合金元素Cr、Mo、Ni的钢材，不仅能获得低成本，而且也能节省资源、节省能源。
权利要求
1.一种含高氮不锈钢的焊接方法，特征是在将熔融时含有与1个气压N2平衡的溶解度以上氮的高氮不锈钢作为母材的焊接中，在焊接中母材熔融部断面积对每焊接1个焊道中焊接金属断面积的比，定义为稀释率D，将母材的Cr、Ni、Mo和N浓度(重量)取为％CrP、％NiP、％MoP和％NP，焊接材料的Cr、Ni、Mo浓度(重量)取为％CrF、％NiF、％MoF，以满足以下二个关系式(A)、(B)来设定焊接材料的成分和上述稀释率进行焊接，(A)％NP×D≤0.028×(％CrP×D+％CrF×(1-D))+0.014(％MoP×D+％MoF×(1-D))-0.0060×(％NiP×D+％NiF×(1-D))-0.26(B)(％CrP×D+％CrF(1-D)+3×(％MoP×D+％MoF×(1-D))+8×％NP×D≥38
2.根据权利要求1的含高氮不锈钢的焊接方法，特征在于所述的焊接材料的合金元素组成为Cr20～32％、Ni5～25％、Mo2～8％、C≤0.03％、Si≤0.6％、Mn≤2.5％、P≤0.03％、S≤0.03％，其余为Fe，也可含有不可避免的其他杂质。
3.权利要求1或2焊接方法中的焊接材料。
全文摘要
本发明提供一种新型焊接法,可使焊接金属组成在熔融状态下不形成N过饱和,而且,焊接金属的平均组成在海水环境下具有足够的耐腐蚀性,并能保持和母材金属同等的机械特性和耐腐蚀性。本发明还提供一种含高N不锈钢的焊接方法,特征是将熔融时含有与1个气压N
文档编号B23K9/095GK1306896SQ0111131
公开日2001年8月8日 申请日期2001年1月8日 优先权日2000年1月11日
发明者小川真, 平冈和雄, 片田康行, 宇野秀树, 志贺千晃 申请人:科学技术厅金属材料技术研究所长代表的日本国, 三菱重工业株式会社