专利名称：一种双相不锈钢的焊接工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种双相不锈钢的焊接工艺，尤其是用于含硫量高的炼油设备、腐蚀 性强的石油化工设备、管道以及高参数的动力装置以及海水等氯离子腐蚀的环境中的双相 不锈钢的焊接工艺。
背景技术：
双相不锈钢是近几年发展比较快的一种新型不锈钢材料。它有多种型号，单是列 入了 ASME 规范(American Society of Mechanical Engineers 的钢种就有 25 种，其分类 号为P10H。由于双相不锈钢的显微组织是奥氏体+铁素体结构，因此具有良好的抗腐蚀能 力。双相不锈钢具有比316L奥氏体不锈钢(如下简称316L)更好的抗应力腐蚀裂纹的能 力，特别在H2S介质中是如此，它是目前国内外含M元素最低的、抗应力腐蚀良好且具有优 良焊接特性的新型材料。不仅如此，它还具有良好的耐点腐蚀、缝隙腐蚀和晶间腐蚀性能。 由于显微组织中有大量的铁素体相，双相不锈钢的强度和硬度很高。强度高，特别是其屈服 强度约为奥氏体不锈钢的两倍(SAFUREX :SA790UNS S32906材料的屈服强度就远远高于两 倍)，使之在相同的工作条件下，用双相不锈钢代替奥氏体不锈钢，可大大减少设备的结构 尺寸和管道的壁厚，降低设备制造成本。硬度高，使之宜应用于含有磨损固体质点的工艺系 统和高流速的蒸汽系统。双相不锈钢有较低的热膨胀系数，加上良好的导热性，使之具有良 好的抗热疲劳性能，有利于设备衬里和复合板的生产。此外，双相不锈钢还具有良好的热加 工性能和冷加工硬化效应。以上所列双相不锈钢的特性，展示了它广阔的应用前景。在国内外已逐步地被应 用于含硫量高的炼油设备、腐蚀性强的化工设备、管道以及高参数的动力装置以及海水等 氯离子腐蚀的环境。从发展的观点来看它将在它将在石油化工、近海工程、船舶建造、输油 输气管线、造纸机械等领域逐步取代316L，使用越来越广泛。目前国内外双相不锈钢的焊接都是在原有的奥氏体不锈钢的基础上演变过来的， 对双相不锈钢的焊接，要求线能量不能大于15KJ/cm，层间温度不超过150°C，保护气体一 般采用99. 99%氩气，以及后来的98-99%氩气氮气，这些都是在焊接奥氏体不锈钢 所取得的经验的基础上提出来的并沿用到现在。但该沿用奥氏体不锈钢的焊接工艺具有多 种不足。1、目前采用的氩气或98-99%氩气+1-2%氮气作为背面保护气体，但由于在焊接 过程中，合金元素N会有一定的损失，这样就抑制了铁素体组织向奥氏体组织的转变。焊缝 金属中的铁素体组织含量容易出现超标现象。而本申请人经长时间的大量研究发现在采 用98% Ar+2% N2作为正面保护气体，100%氮气或90%氮气+10%氢气作为背面保护气体 时，可以使铁素体组织能更好的向奥氏体组织转变，保证获得合理的相比例，用纯氮做背面 保护气体，能有效地抑制了铬的氮化物的生成，提高抗点蚀能力；采用90%氮气+10%氢气 做为背面保护气体时，由于氮气中加入约10%的氢气，氢作为脱氧剂，可使底层焊道的内表 面完全避免氧化膜，进一步改善抗点蚀能力。同时，氢的加入可提高焊接熔池的流动性，有利于获得良好成形的底层焊道。2、现有的焊接工艺限定线能量的范围是5-20KJ/cm，由于严格限制了范围，因而造 成焊接程序复杂，焊接时间较长，焊接速度慢；而申请人发现在焊接过程中，采用10-40KJ/ cm的线能量，对提高焊接接头的冲击值、抗点蚀能力有利，而对而对σ S、σ b和抗Scc能力 无明显有害的影响。3、现有的焊接工艺中严格限制了层间温度，且不大于150°C，使焊接工作受到了很 大限制。其实在双相不锈钢中，由于铁素体与奥氏体的比例合适，因此形成σ相的倾向很 小。要使这种脆化能被检测出来也需要在475°C停留好几个小时。因此，过度的层间温度控 制没有意义。而本申请欲克服这些缺陷，提供效果更好的双相不锈钢焊接工艺。
发明内容
本发明的目的是针对双相不锈钢和双相不锈钢之间，以及双相不锈钢与碳钢或 316L之间的焊接特点，提供一套新的焊接工艺，所述双相不锈钢指国际上采用的双相不锈 钢，例如型号为Crl8型、Cr23型(不含Mo)、Cr22型、Cr25型的双相不锈钢。本发明的工 艺具有节约氩气、提高焊接质量、减少工时等多个优点。特别地，本发明的焊接工艺采用了有利于双相不锈钢焊接的特定保护气体，同时 对焊接工艺中所限定的线能量和层间温度进行了调整，从而使得能克服如前所述的现有焊 接工艺的不利缺陷，达到更优良的焊接效果本发明的双相不锈钢的焊接工艺的技术方案如下一种双相不锈钢的焊接工艺，其特征在于该焊接工艺包括如下步骤(1)对焊接材料进行V形对接焊缝，焊接位置为全位置；(2)打底焊与第二层焊道焊接采用钨极氩弧焊，电源极性为直流正接，采用 100%氮气或氮气与氢气的混合气体作为背面保护气体，所述混合气体为按体积计90%氮 气和10%氢气的混合气体，流量为6-lOL/min，正面采用98%氩气+2%氮气的混合气体作 为保护气体，流量为8-15L/min ；在该步骤中控制线能量为10-30KJ/cm，同时随时测量层间 温度，使层间温度控制为< 250°C，直至打底焊与第二层焊道焊完；(3)填充盖面焊接采用手工电弧焊，电源极性为直流反接，填充盖面焊接，线能 量控制在20-40KJ/cm，同时随时测量层间温度，使层间温度控制为< 250°C，直至填充盖面 完成，层间清理采用不锈钢砂轮片打磨；(4)后处理焊接完成后，进行酸洗钝化处理。上述焊接工艺可以应用于双相不锈钢与双相不锈钢的焊接、双相不锈钢与碳钢的 焊接以及双相不锈钢与316L的焊接。在步骤(1)的V形对接焊缝步骤中，当壁厚T彡19mm时为单V坡口 ；T > 19mm时 为复合V型坡口。坡口角度α :35士2. 5°、β 10° ；间隙b 为2-4謹；钝边ρ :0. 8-2. 5謹； 在双相不锈钢与双相不锈钢、碳钢、316L的焊接工艺中，进行组对；在步骤(2)中，采用钨极氩弧焊机，优选采用WS-400IGBT ；焊丝为瑞典 SAFUREX Φ 2. 4、AWS :ER2209、ER316L Φ 2. 4、瑞典 Φ 2. 4Sandvik25、22、2L Mn 焊丝，在实际 操作过程中根据焊接材料的不同进行选择；当壁厚< 3mm，线能量为10-20KJ/cm;壁厚为
43-12mm 时，线能量为 20_30KJ/cm ；在步骤(3)中，焊机为ZX7-400IGBT,焊条为瑞典 SAFUREX Φ 3. 2、AffS :Ε2209、 Ε309 Φ3. 2(堆焊焊条)、Ε316 Φ3. 2、瑞典 Φ 3. 2Sandvik25、22、2L Mn 焊条，在实际操作 过程中根据焊接材料的不同进行选择；当壁厚为3-12mm，线能量为20-30KJ/cm ；当壁厚> 12mm，线能量为 30-40KJ/cm。效果方面焊接完成后，进行X射线检查和液体渗透检查，并用铁素体测定仪测定 铁素含量，铁素体含量控制在30-70%。双相不锈钢是发展比较快的一种新型不锈钢材料，在国外，特别在西欧与日本应 用较广。在国内，双相不锈钢的焊接也不乏实例。但都是按照传统的工艺进行焊接，工艺复 杂，焊接严格，程序多，必须严格控制层间温度，线能量的大小，因而焊接速度慢。而我公司 总结出的新工艺，具有节约氩气、提高焊接质量、减少工时，提高速度等特点。由于加快了双 相不锈钢焊接的速度，提高了焊接质量，从而加快了化工建设的速度。采用该技术，可以得到奥氏体(Y)与铁素体(α)的比例大体相当的双相不锈钢 (铁素体含量控制在30-70% )，接头具有良好的抗应力腐蚀裂纹能力、耐点腐蚀、缝隙腐蚀 及腐蚀疲劳性能，强度和硬度很高，从发展的观点来看它将在它将在石油化工、近海工程、 船舶建造等领域逐步取代316L。如下详细描述在双相不锈钢与双相不锈钢的焊接、双相不锈钢与碳钢的焊接以及 双相不锈钢与316L的焊接工艺中的具体步骤一、双相不锈钢与双相不锈钢的焊接1、采用V形对接焊缝，当壁厚T彡19mm时为单V坡口。T > 19mm时为复合V型坡 口。坡口角度α :35 士 2.5°、β10° ；间隙b :为2_4mm ；钝边ρ :0. 8-2. 5mm，进行组对，焊接 位置为全位置。2、当管径< 57且壁厚< 3时，宜使用全氩弧焊(GTAW)代替氩弧焊打底手工电弧 焊填充盖面。双相不锈钢焊接不要求预热和焊后热处理。3、打底焊与第二层焊道焊接，采用钨极氩弧焊，选用氩弧焊机为WS-400IGBT，电 源极性为直流正接，用100%氮气或90%氮气+10%氢气(体积百分比)做为背面保护气 体，流量为6-lOL/min，正面采用98%氩气+2%氮气的混合气作为保护气体，流量为8-15L/ min。焊丝为瑞典SAFUREX Φ 2. 4或AWS :ER2209，当壁厚彡3mm,线能量为10_20KJ/cm ；壁厚 为3-12mm时，线能量为20-30KJ/cm ；由持证焊工进行焊接，并随时测量层间温度，使层间温 度控制为< 250°C，直至打底焊与第二层焊道焊完。4、第二层焊完后进行填充盖面焊接。采用手工电弧焊，焊机为ZX7-400IGBT，电源 极性为直流反接，焊条为瑞典SAFUREX Φ 3. 2或AWS :Ε2209，持证焊工进行填充、盖面焊接， 当壁厚为3-12mm，线能量为20-30KJ/cm ；当壁厚> 12mm，线能量为30-40KJ/cm，在焊接过程 中随时测量层间温度，保持层间温度< 250°C，直至焊接完成。层间清理采用专用的不锈钢 砂轮片打磨。5、焊接完成后，进行酸洗钝化处理。6、以上工作完成后，进行X射线检查和液体渗透检查，并用铁素体测定仪测定铁 素含量，铁素体含量控制在30-70%。二、双相不锈钢与碳钢的焊接
有两种方式一种是在正式焊接之前首先在碳钢一侧用过渡焊条E309L堆焊一过 渡层，然后打磨光滑并与另一侧的双相不锈钢采用上述坡口形式组对，进行焊接。采用瑞典 焊丝SAFUREX Φ 2. 4或AWS :ER2209施焊，具体如下1、采用V形对接焊缝，当壁厚T彡19mm时为单V坡口。T > 19mm时为复合V型坡 口。坡口角度α :35士2. 5°、β10° ；间隙b :为2-4謹；钝边ρ :0. 8-2. 5謹。焊接位置为全位置。2、当管径< 57且壁厚< 3时，宜使用全氩弧焊(GTAW)代替氩弧焊打底手工电弧 焊填充盖面。双相不锈钢焊接不要求预热和焊后热处理。3、打底焊与第二层焊道焊接，采用钨极氩弧焊，选用氩弧焊机为WS-400IGBT，电 源极性为直流正接，用100%氮气或90%氮气+10%氢气(体积百分比)做为背面保护气 体，流量为6-lOL/min，正面采用98%氩气+2%氮气的混合气作为保护气体，流量为8-15L/ min。焊丝为瑞典SAFUREX Φ 2. 4或AWS :ER2209，当壁厚彡3mm,线能量为10_20KJ/cm ；壁厚 为3-12mm时，线能量为20-30KJ/cm ；由持证焊工进行焊接，并随时测量层间温度，使层间温 度控制为< 250°C直至打底焊与第二层焊道焊完。4、第二层焊完后进行填充盖面焊接。采用手工电弧焊，焊机为ZX7-400IGBT，电源 极性为直流反接，焊条为瑞典SAFUREX Φ 3. 2或AWS :Ε2209，持证焊工进行填充、盖面焊接， 当壁厚为3-12mm，线能量为20-30KJ/cm ；当壁厚> 12mm，线能量为30-40KJ/cm，在焊接过程 中随时测量层间温度，保持层间温度< 250°C，直至焊接完成。层间清理采用专用的不锈钢 砂轮片打磨。5、焊接完成后，进行酸洗钝化处理。6、以上工作完成后，进行X射线检查和液体渗透检查，并用铁素体测定仪测定铁 素含量，铁素体含量控制在30-70%。第二种方式是直接用25-22-2型焊接材料施焊。具体如下1、采用V形对接焊缝，当壁厚T彡19mm时为单V坡口。T > 19mm时为复合V型坡 口。坡口角度α :35士2. 5°、β10° ；间隙b :为2-4謹；钝边ρ :0. 8-2. 5謹。焊接位置为全位置。2、当管径< 57且壁厚< 3时，宜使用全氩弧焊(GTAW)代替氩弧焊打底手工电弧 焊填充盖面。双相不锈钢焊接不要求预热和焊后热处理。3、打底焊与第二层焊道焊接，采用钨极氩弧焊，选用氩弧焊机为WS-400IGBT，电 源极性为直流正接，用100%氮气或90%氮气+10%氢气(体积百分比)做为背面保护气 体，流量为6-lOL/min，正面采用98%氩气+2%氮气的混合气作为保护气体，流量为8-15L/ min。焊丝为瑞典φ 2. 4Sandvik25、22、2L Mn焊丝，当壁厚；^ 3mm，线能量为10_20KJ/cm ；壁 厚为3-12mm时，线能量为20-30KJ/cm ；由持证焊工进行焊接，并随时测量层间温度，使层间 温度控制为< 250°C，直至打底焊与第二层焊道焊完。4、第二层焊完后进行填充盖面焊接。采用手工电弧焊，焊机为ZX7-400IGBT，电源 极性为直流反接，焊条为瑞典SAFUREX Φ 3. 2SandVik25、22、2L Mn焊条，持证焊工进行填充、 盖面焊接，当壁厚为3-12mm，线能量为20-30KJ/cm ；当壁厚> 12mm，线能量为30-40KJ/cm， 在焊接过程中随时测量层间温度，保持层间温度< 250°C，直至焊接完成。层间清理采用专 用的不锈钢砂轮片打磨。
5、焊接完成后，进行酸洗钝化处理。6、以上工作完成后，进行X射线检查和液体渗透检查，并用铁素体测定仪测定铁 素含量，铁素体含量控制在30-70%。三、双相不锈钢与316L的焊接1、采用V形对接焊缝，当壁厚T彡19mm时为单V坡口。T > 19mm时为复合V型坡 口。坡口角度α :35 士 2.5°、β10° ；间隙b :为2_4mm ；钝边ρ :0. 8-2. 5mm，进行组对，焊接 位置为全位置。2、双相不锈钢焊接不要求预热和焊后热处理。3、打底焊与第二层焊道焊接，采用钨极氩弧焊，选用氩弧焊机为WS-400IGBT，电 源极性为直流正接，用100%氮气或90%氮气+10%氢气(体积百分比)做为背面保护气 体，流量为6-lOL/min，正面采用98%氩气+2%氮气的混合气作为保护气体，流量为8-15L/ min。焊丝为瑞典Φ2. 4，ER316L或Sandvik25、22、2L Mn焊丝，当壁厚彡3mm，线能量为 10-20KJ/cm ；壁厚为3-12mm时，线能量为20-30KJ/cm ；由持证焊工进行焊接，并随时测量层 间温度，使层间温度控制为< 250°C，直至打底焊与第二层焊道焊完。4、第二层焊完后进行填充盖面焊接。采用手工电弧焊，焊机为ZX7-400IGBT，电源 极性为直流反接，焊条为瑞典Φ 3. 2，E316L或SandVik25、22、2L Mn焊条，持证焊工进行填 充、盖面焊接，当壁厚为3-12mm，线能量为20-30KJ/cm ；当壁厚> 12mm，线能量为30-40KJ/ cm,在焊接过程中随时测量层间温度，保持层间温度< 250°C，直至焊接完成。层间清理采用 专用的不锈钢砂轮片打磨。5、焊接完成后，进行酸洗钝化处理。6、以上工作完成后，进行X射线检查和液体渗透检查，并用铁素体测定仪测定铁 素含量，铁素体含量控制在30-70%。
附图1焊接坡口示意图T为试件厚度；α为坡口角度β为坡口角度b为间隙ρ为钝边
具体实施例方式以下列举双相不锈钢之间、双相不锈钢与碳钢之间以及双相不锈钢与316L之间 的焊接工艺，其中双相不锈钢采用瑞典Sandvik公司提供的Φ 219 X 12. 7mm的SAFUREX双 相不锈钢管道。 实例一、双相不锈钢SAFUREX与双相不锈钢SAFUREX的焊接1、采用单V形对接焊缝。坡口角度α :35 士 2.5° ；间隙b 为2_4mm ；钝边ρ 0. 8-2. 5mm，进行组对，焊接位置为6G(45°固定焊)。2、双相不锈钢焊接不预热和焊后热处理。
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3、打底焊与第二层焊道焊接，采用钨极氩弧焊，选用氩弧焊机为WS-400IGBT，电源 极性为直流正接，用100%氮气或90%氮气+10%氢气做为背面保护气体，流量为6-10L/ min，正面采用98 %氩气+2 %氮气的混合气作为保护气体，流量为8_15L/min。焊丝为瑞 典 SAFUREX Φ 2. 4 或 AWS :ER2209，当壁厚彡 3mm，线能量为 10_20KJ/cm ；壁厚为 3_12mm 时， 线能量为20-30KJ/cm;由持证焊工进行焊接，并随时测量层间温度，使层间温度控制为 ^ 250°C，直至打底焊与第二层焊道焊完。4、第二层焊完后进行填充盖面焊接。采用手工电弧焊，焊机为ZX7-400IGBT，电源 极性为直流反接，焊条为瑞典SAFUREX Φ 3. 2或AWS :Ε2209，持证焊工进行填充、盖面焊接， 壁厚为3-12mm时，线能量为20_30KJ/cm ；当壁厚> 12mm，线能量为30_40KJ/cm，在焊接过 程中随时测量层间温度，保持层间温度< 250°C，直至焊接完成。层间清理采用专用的不锈 钢砂轮片打磨。5、焊接完成后，进行酸洗钝化处理。6、以上工作完成后，100%着色检验，100%的射线透视，无缺陷。可以得到奥氏体 (Y)与铁素体(α)的比例大体相当的双相不锈钢(铁素体含量控制在30-70%)，接头具 有良好的抗应力腐蚀裂纹能力、耐点腐蚀、缝隙腐蚀及腐蚀疲劳性能，强度和硬度很高，相 关试验结果如下1)、铁素体测定对试件进行铁素体检查，其结果符合要求。详见下表1。表1铁素体测定值
权利要求
一种双相不锈钢的焊接工艺，其特征在于(1)对焊接材料进行V形对接焊缝，焊接位置为全位置；(2)打底焊与第二层焊道焊接采用钨极氩弧焊，电源极性为直流正接，采用100％氮气或氮气与氢气的混合气体作为背面保护气体，所述混合气体为按体积计90％氮气和10％氢气的混合气体，流量为6 10L/min，正面采用98％氩气+2％氮气的混合气体作为保护气体，流量为8 15L/min；在该步骤中控制线能量为10 30KJ/cm，同时随时测量层间温度，使层间温度控制为≤250℃，直至打底焊与第二层焊道焊完；(3)填充盖面焊接采用手工电弧焊，电源极性为直流反接，盖面焊接，线能量控制在20 40KJ/cm，同时随时测量层间温度，使层间温度控制为≤250℃，直至填充盖面完成，层间清理采用不锈钢砂轮片打磨；(4)后处理焊接完成后，进行酸洗钝化处理。
2.根据权利要求1的焊接工艺，在步骤⑴中，焊接材料的壁厚T< 19mm，其为单V坡□。
3.根据权利要求1的焊接工艺，在步骤⑴中，焊接材料的壁厚TT> 19mm时，其复合 V型坡口。
4.根据权利要求1-3任一所述的焊接工艺，在步骤⑵中，焊接材料的壁厚<3mm时， 线能量为10-20KJ/cm。
5.根据权利要求1-3任一所述的焊接工艺，在步骤⑵中，焊接材料的壁厚为3-12mm 时，线能量为20-30KJ/cm。
6.根据权利要求1-3任一所述的焊接工艺，在步骤(3)中，焊接材料的壁厚为3-12mm 时，线能量为20-30KJ/cm。
7.根据权利要求1-3任一所述的焊接工艺，在步骤(3)中，焊接材料的壁厚>12mm时， 线能量为30-40KJ/cm。
8.根据权利要求1-3任一所述的焊接工艺，该工艺应用于双相不锈钢与双相不锈钢的 焊接、双相不锈钢与碳钢的焊接以及双相不锈钢与316L的焊接。
全文摘要
本发明涉及双相不锈钢的焊接工艺，尤其是用于含硫量高的炼油设备、腐蚀性强的石油化工设备、管道以及高参数的动力装置以及海水等氯离子腐蚀的环境中的双相不锈钢的焊接工艺。该工艺有利于双相不锈钢焊接的特定保护气体，同时对焊接工艺中所限定的线能量和层间温度进行了调整，从而使得能克服如前所述的现有焊接工艺的不利缺陷，得到铁素体相与奥氏体相比例相当的金相组织(铁素体含量30-70％)，用该焊接工艺获得的焊接接头具有优良的力学性能，强度和硬度高，特别是其屈服强度约为奥氏体不锈钢的两倍；良好的抗热疲劳性能、耐点腐蚀、缝隙腐蚀和晶间腐蚀性能，以及良好的焊接性。
文档编号B23K9/16GK101972878SQ20101050655
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月12日 优先权日2010年10月12日
发明者孙逊 申请人:中国化学工程第七建设有限公司