一种异质奥氏体系钢材焊接方法
【专利摘要】本发明提供一种异质奥氏体系钢材焊接方法，其特征在于，包括：一、选择高铬镍奥氏体不锈钢焊丝或镍基焊丝作为焊接材料；二、在备用管材的母材侧用步骤一中的焊接材料堆焊过渡层，并且过度层至少包括两层；三、找好备用管材与备用管材的焊接中心，通过电焊在步骤一中的焊接材料，备用管材与备用管材焊接在一起。选择的焊接材料符合备用管材的母材需求，而且焊缝材料的线膨胀系数介于备用管材与备用管材材料线膨胀系数之间；所以能够满足焊缝金属的抗热裂性能和焊接接头的高温性能。
【专利说明】一种异质奥氏体系钢材焊接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种钢材焊接【技术领域】，尤其涉及一种异质奥氏体系钢材焊接方法。
【背景技术】
[0002]奥氏体不锈钢，是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18%、Ni8%?10%、C约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、S1、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性，但强度较低，不可能通过相变使之强化，仅能通过冷加工进行强化，如加入S，Ca，Se, Te等元素，则具有良好的易切削性。
[0003]发电厂用的锅炉中，通常会选择将备用管材的材质选为ICr 18Ni9Ti，其他管件材质一般选为:备用管材材质选为P22、主蒸气管材质选为A335P91、主给水管材质选为WB36等等。备用管材座焊接接头属于异种钢焊接接头。由于两种材料的化学成分和金相组织存在很大的差异，而且物理性能差别较大，很容易出现大面积焊接缺陷，在运行过程中经常出现开裂现象，形成很大的安全隐患。
[0004]例如:
[0005]在许多文献资料介绍中，P22+lCrl8Ni9Ti的焊接可采用TIG-R40，也可采用TGS-347焊丝。但这两种工艺在使用过程中比不理想，二者都出现开裂现象。我们在现场处理类似问题时采用Inconel 182焊丝，效果比较好，也有5、6年的成功使用经验，可适用于生产现场。
[0006]lCrl8Ni9Ti属奥氏体型不锈耐蚀钢，其具有较高的抗晶间腐蚀性能。在不同浓度，不同温度的一些有机酸和无机酸中、尤其是在氧化性介质中都有良好的耐腐蚀性能。这种钢经过热处理(1050?1100°C在水中或空气中淬火)后，呈单相奥氏体组织，在强磁场中不产生磁感应，该钢具有良好的耐腐蚀性和焊接性。热导率小，在600°C时热导率λ =24.7/w(m*k),且线膨胀系数很大，在600°C时其线膨胀系数为18.2X10_6/°C ―1，易于产生较大的焊接变形，易引起较大的焊接应力。由于导热系数小，在同样焊接电流下得到的焊缝熔深要比耐热钢的大。为了防止焊缝过热，焊接电流应合金耐热钢小10%?20%左右，并且采用小直径焊丝。
[0007]P22+lCrl8Ni9Ti焊接时存在的问题:
[0008]P22属于Cr-Mo低合金钢，lCrl8Ni9Ti属于奥氏体不锈钢，Cr-Mo低合金钢和奥氏体异种钢焊接，由于两种不同成分、不同晶体结构的金属互相混合，在其熔合线附近出现了化学成分、金相组织、机械性能和物理性能的不均匀性。由于这些不均匀性的存在，给接头的使用安全性造成很大的隐患。珠光体和奥氏体钢焊接时，存在以下主要问题:
[0009]I)物理性能的差异:Cr_Mo低合金钢和奥氏体钢的热膨胀系数(20°C?600°C:奥氏体钢的线膨胀系数为18.5X 10-6/°C,Cr-Mo低合金钢的线膨胀系数为12.5X 10-6/°C )，相差50%左右，在部件承受热循环影响时将会在熔合面处产生较高的热应力，这种高温应力也是造成界面形成焊接裂纹，造成破坏的主要原因。
[0010]2)合金元素的过渡:
[0011](I)在焊接过程中通过机械混合和液态的扩散是合金元素溶解。
[0012](2)珠光体钢与奥氏体钢焊接时，形成过渡层将导致:靠金熔合线的珠光体母材上形成脱C层而软化，在奥氏体钢焊缝的一侧则形成高硬度的黑色渗C层，造成该区抗蠕变能力、持久强度和塑性等的下降，造成接头的早期失效。
[0013]3)焊接接头的界面应力:焊接接头各区域，由于化学成分和金相组织不同，塑性和硬度韧性也不同，使残余应力分布不均匀，在热循环作用下易产生疲劳裂纹。
【发明内容】
[0014]为了解决上述技术问题，本发明提供一种能够焊接效果好，而且没有焊接裂纹的异质奥氏体系钢材焊接方法。
[0015]本发明提供的技术方案是:
[0016]一种异质奥氏体系钢材焊接方法，包括以下步骤:一、选择高铬镍奥氏体不锈钢焊丝或镍基焊丝作为焊接材料；二、在备用管材的母材侧用步骤一中的焊接材料堆焊过渡层，并且过度层至少包括两层；三、找好备用管材与备用管材的焊接中心，通过电焊在步骤一中的焊接材料，备用管材与备用管材焊接在一起。
[0017]优选地，在步骤二之前还包括对备用管材的清洁步骤，其中清洁步骤之后，备用管材会露出金属光泽。
[0018]优选地，在步骤二之前还包括对备用管材加工步骤；对备用管材的机械加工步骤包括将备用管材的开口加工成具有一敞开的开口，并且敞开的开口包括一个与备用管材轴线倾斜的斜面。
[0019]优选地，上述开口还包括一个与备用管材轴线平行的内壁，内壁与备用管材之间的间隙为Imm ;斜面与备用管材轴线的夹角为35°C。
[0020]优选地,上述焊接材料为Inconel 82焊丝,所述Inconel 82焊丝包括质量组分为67% 的 Ni, 0.1% 的 C，3.0%的胞，2.5% 的 Nb, 0.5% 的 Si, 0.25% 的 Cu，20% 的 Cr, 0.75%的 Ti,0.02%的 S 和 P0
[0021]优选地，步骤三种的焊接方式为手工钨极氩弧焊；并且焊接电压范围为20?25V，焊接电流为直流正接，电流大小为80?90A，焊接速度为60?80mm/min。
[0022]优选地，步骤三的焊接方式中，第一层焊接速度为60mm/min，第二层焊接速度为80mm/mino
[0023]优选地，上述至少两个过度层的厚度都为2?3_。
[0024]采用上述优选的技术方案，选择的焊接材料符合备用管材的母材需求，而且焊缝材料的线膨胀系数介于备用管材与备用管材材料线膨胀系数之间；所以能够满足焊缝金属的抗热裂性能和焊接接头的高温性能；而且采用将焊接材料在备用管材的母材上堆焊一过度层，可以防止焊接过程中碳的迁移；上述采用的焊接材料，各项性能都能满足相关焊接标准的要求，能够保证设备的安全运行。
[0025]采用上述优选的技术方案之后，可以有如下有益效果:1、形成的焊接接头抗裂性能好。2、工艺稳定性、可靠性好。3、焊缝性能满足高温强度及高温运行工况需要。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明实施例提供的一种异质奥氏体系钢材焊接方法的流程图；
[0027]图2为本发明实施例提供的一种备用管材与备用管材的局部结构示意图；
[0028]图3本发明实施例提供的一种备用管材与备用管材焊接后的局部示意图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细的说明，需要说明的是，这些具体的说明只是让本领域普通技术人员更加容易、清晰理解本发明，而非对本发明的限定性解释。
[0030]实施例1:
[0031]如图1所示，本实施例提供一种异质奥氏体系钢材焊接方法，具体为:温度管与蒸汽管的焊接方法，步骤包括:
[0032]SI，选择焊接材料:
[0033]选择高铬镍奥氏体不锈钢焊丝或镍基焊丝作为焊接材料。现选择Inconel 82焊丝，焊丝的化学成分见表I。
[0034]表I焊丝的化学成分:
[0035]
WM[Ni[C[Mn [Nb [Si [Cu [Cr PFi [sTp
Inconel 82 670.10 Γ0 Yl 0Γδ 0Γ25~20 0?75 0702
[0036]焊接材料为Inconel 82焊丝，所述Inconel 82焊丝包括质量组分为67%的Ni，
0.1 % 的 C，3.0 % 的 Mn，2.5 % 的 Nb，0.5 % 的 Si，0.25 % 的 Cu，20 % 的 Cr，0.75 % 的 Ti，
0.02%的 S 和 Po
[0037]在焊接前，对温度管与蒸汽管进行清洁:焊件在组对前应将坡口表面及附近母材两侧20毫米内外壁的油、漆、锈、垢等清理污干净，直至发出金属光泽。清洁步骤之后，温度管与蒸汽管会露出金属光泽。
[0038]如图2所示，焊接前，对蒸汽管I的机械加工步骤包括:将温度管与蒸汽管I的开口加工成具有一敞开的开口，并且敞开的开口包括一个与温度管2轴线倾斜的斜面4。开口还包括一个与备用管材2轴线平行的内壁5，内壁5与温度管2之间的间隙为Imm ;斜面4与备用管材轴线的夹角为35°C。其中，备用管材壁厚为H1，内壁5在温度管2轴线方向上的高度为HO，HO为10mm。如图2、图3所示，在蒸汽管I外侧形成焊脚3的高度为H2，并且H2〈H1。
[0039]S2，堆焊过度层:
[0040]在主蒸汽管的母材侧用步骤一中的焊接材料堆焊过渡层，并且过度层包括两层。
[0041]S3，正式焊接:
[0042]找好蒸汽管与温度管的焊接中心，通过电焊在步骤一中的焊接材料，将温度管与蒸汽管焊接在一起。
[0043]各种材料的物理性能的差异:马氏体钢和奥氏体钢的热膨胀系数不同，20°C?600°C:奥氏体钢的线膨胀系数为18.5X10-6m/°C，马氏体钢的线膨胀系数为12.6X10-6/°C ;而Inconel 82焊丝的的线膨胀系数20°C 16 X 10_6m/°C。所以，能够满足焊缝金属的抗热裂性能和焊接接头的高温性能。
[0044]步骤S3中焊接方式为手工钨极氩弧焊；并且焊接电压范围为20?25V，焊接电流为直流正接，电流大小为80A，焊接速度为60mm/min ;步骤三的焊接方式中，第一层焊接速度为60mm/min,第二层焊接速度为80mm/min ;上述两个过度层的厚度都为2mm。更加具体的如表2所示:
[0045]
焊丝(mm)电流范围焊接速七:长:
焊接层焊接----电压度風?^里
'电流(I/mi η )
数方法型号规格极性(V) ( mm/m
(A).、
in ；
^Inconel直流i 80 ~8 ~
第 I 层 WsΦ2.020 ~ 25 60
82正接 9010
_Inconel直流 80 ~
第 2 层 WsΦ2.024 ~ 26 80—
82正接 90
^Inconel直 yfu 80 ~
第 3 层 WsΦ2.024 ~ 26 80—
82正接 90
产Inconel直流 80 ~
第 4 层 WsΦ2 O24 ~ 26 80—
82正接 90
卜Inconel直流 80 ~
第 5 层 WsΦ2.024 ~ 26 80—
82正接 900
[0046]表2.水平固定焊接工艺参数
[0047]同时，步骤S3中，钨极氩弧焊的熔合比的变化范围很大，它可以在10-100%之间，当不使用填充材料时熔合比可达到100%，正式施焊时要采用较小的焊接规范，严格控制焊接热输入量，减少融合比，焊接是要特别注意与P22备用管材侧母材的熔合情况。控制每层之间的温度> 300°C。采用多层多道焊接工艺，要保证焊道之间的融合情况，避免形成层间未熔和缺陷；焊缝表面与母材要圆滑过渡。
[0048]在步骤S3之后，还包括检验步骤。其中，检验过程可以按照《火力发电厂焊接技术规程》DL/T 869-2012评定，焊接接头外观检查合格；按照《承压设备无损检测》JB/T4730-2005,角焊缝PT探伤未发现表面超标缺陷。
[0049]实施例2:
[0050]SI,选择焊接材料:
[0051]选择高铬镍奥氏体不锈钢焊丝或镍基焊丝作为焊接材料。现选择Inconel 82焊丝
[0052]S2，堆焊过度层:
[0053]在在主蒸汽管的母材侧用步骤一中的焊接材料堆焊过渡层，并且过度层包括五层。
[0054]S3，正式焊接:
[0055]找好蒸汽管与温度管的焊接中心，通过电焊在步骤一中的焊接材料，将蒸汽管与温度管焊接在一起。
[0056]步骤S3中焊接方式为手工钨极氩弧焊；并且焊接电压范围为25V，焊接电流为直流正接，电流大小为90A，焊接速度为80mm/min ;步骤三的焊接方式中，第一层焊接速度为60mm/min,第二层焊接速度为65mm/min,第三层焊接速度为70mm/min,第四层焊接速度为75mm/min,第五层焊接速度为80mm/min ;上述两个过度层的厚度都为3mm。
[0057]最后需要说明的是，上述说明仅是本发明的最佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，都可利用上述揭示的做法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和简单的替换等，这些都属于本发明技术方案保护的范围。
【权利要求】
1.一种异质奥氏体系钢材焊接方法，其特征在于，包括以下步骤: 一、选择高铬镍奥氏体不锈钢焊丝或镍基焊丝作为焊接材料； 二、在备用管材的母材侧用步骤一中所述的焊接材料堆焊过渡层，并且过度层至少包括两层； 三、找好备用管材与备用管材的焊接中心，通过电焊在步骤一中所述的焊接材料，所述备用管材与所述备用管材焊接在一起。
2.如权利要求1所述的异质奥氏体系钢材焊接方法，其特征在于，在步骤二之前还包括对所述备用管材的清洁步骤，其中清洁步骤之后，所述备用管材会露出金属光泽。
3.如权利要求1所述的异质奥氏体系钢材焊接方法，其特征在于，在步骤二之前还包括对所述备用管材的机械加工步骤；对所述备用管材的机械加工步骤包括将所述备用管材的开口加工成具有一敞开的开口，并且敞开的开口包括一个与所述备用管材轴线倾斜的斜面。
4.如权利要求3所述的异质奥氏体系钢材焊接方法，其特征在于，所述开口还包括一个与所述备用管材轴线平行的内壁，所述内壁与所述备用管材之间的间隙为Imm;所述斜面与所述备用管材轴线的夹角为35°C。
5.如权利要求1所述的异质奥氏体系钢材焊接方法，其特征在于，所述焊接材料为Inconel 82焊丝，所述Inconel 82焊丝包括质量组分为67%的Ni，0.1 %的C，3.0%的Mn，2.5% 的 Nb, 0.5% 的 Si, 0.25% 的 Cu，20% 的 Cr, 0.75% 的 Ti, 0.02% 的 S 和 P。
6.如权利要求1所述的异质奥氏体系钢材焊接方法，其特征在于，所述步骤三种的焊接方式为手工钨极氩弧焊；并且焊接电压范围为20?25V，焊接电流为直流正接，电流大小为80?90A，焊接速度为60?80mm/min。
7.如权利要求6所述的异质奥氏体系钢材焊接方法，其特征在于，所述焊接方式中，第一层焊接速度为60mm/min,第二层焊接速度为80mm/min。
8.如权利要求1所述的异质奥氏体系钢材焊接方法，其特征在于，所述至少两个过度层的厚度都为2?3mm。
【文档编号】B23K9/167GK104191074SQ201410460736
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月11日 优先权日:2014年9月11日
【发明者】王沛, 王飞虎, 刘杰, 陈世炯, 戚晓东, 郝哲然, 岳潇, 刘君然, 陈蕾 申请人:兰州西固热电有限责任公司