一种奥氏体不锈钢焊丝及其焊接工艺的制作方法
【专利摘要】一种奥氏体不锈钢焊丝及其焊接工艺，化学成分重量百分比为：Cr：18～21，Ni：12.5～14.5，Mo：2.5～3.5，N：0.09～0.2，C：0.016～0.03，P：≤0.01，S：≤0.01，Si：0.1～0.4，Mn：1.5～2.5，Co：≤0.05，Cu：≤0.04，V：≤0.05，B：≤0.018，RE：0.03～0.06.余量为铁和通常炼钢存在的杂质。上述焊丝的焊接工艺：在热输入为6～21kJ的条件下，采用带脉冲的钨极氩弧焊进行试板焊接，保护气体分别为高纯Ar或95％Ar+5％H2混合气体，层间温度80～100℃。优点在于，具有优良的常温力学性能和350℃高温力学性能，而且抗晶间腐蚀性能优良。可用于核级材料316LN的焊接，以及强度级别在450MPa以上的奥氏体不锈钢的焊接。
【专利说明】一种奥氏体不锈钢焊丝及其焊接工艺
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料加工领域，尤其涉及一种不锈钢焊接材料以及使用该焊接材料的 焊接工艺。
【背景技术】
[0002] 奥氏体不锈钢是应用最广泛的一类不锈钢，其耐热耐腐蚀性能优良，且有较好的 力学性能和焊接性能。但其缺点主要在于耐晶间腐蚀能力不够优越和强度偏低。现代工业 的快速发展，通用的奥氏体不锈钢已不能满足要求，通常需要根据其工作环境的特点，通过 成分的改进来改善其性能，以达到使用要求。在316L成分基础上，添加少量氮，同时适当减 少镍含量，就形成了控氮316L不锈钢，相对于传统316奥氏体不锈钢来说，其主要特点在于 含氮和超低碳，主要优点在于：（1)降低了C含量，从而提高了耐晶间腐蚀能力；（2)N的加 入显著提高了强度。（3)N可部分取代Ni,降低了成本。这些因成分改进而带来的性能改善 使得316不锈钢在各个领域得到了更广泛的应用。目前控氮316L不锈钢主要用于制作各 种耐酸腐蚀设备，如减压塔、分离机产品、石油化工和核工业中的管道及压力容器等。N的添 加降低了 316L不锈钢的焊接性，因而对316L不锈钢的焊接提出了新的要求。只有采用合 理成分的焊接材料，并运用合理的焊接工艺，才能保证控氮316L不锈钢的焊接质量。国外 对于控氮316L不锈钢已做了大量研究，但焊接方面的研究相对较少，国内则基本处于一片 空白状态，控氮316L不锈钢的焊接材料主要依赖于进口。
[0003] 申请号为99117834. 3的专利是一种低铬高锰奥氏体钢焊丝，该焊丝采用低铬高 锰，并添加钥、钛等元素来减小和抑制焊接时接头熔合线两侧增碳层和贫碳层的产生，但 是强度较低，只能达到345MPa。专利申请号为2007101000390的专利是一种节镍型奥氏 体不锈钢焊丝，焊丝中镍含量较低，为7?8.9%，节约了焊丝成本。但该丝适用于高铬 含量的铁素体不锈钢，用于奥氏体不锈钢焊接时接头综合性能不能保证。专利申请号为 200710023342. 5的专利是奥氏体不锈钢用焊丝材料，该专利通过添加稀土元素研发出适用 于稀土不锈钢的焊丝。专利申请号为02126546. 1的专利是低电流高速焊接用奥氏体系不 锈钢焊丝，专利所研制的焊丝是指MIG焊接用奥氏体不锈钢丝，该丝在焊速30-70CPM的低 电流短路过渡焊接条件下表现出优异的电弧稳定性。但是该专利没有对焊丝熔敷金属的 力学性能进行说明。申请号为201010150441. 1的专利是一种高硅超低碳不锈钢焊丝，焊丝 具有较强耐强酸腐蚀性能，低温韧性好，适用于含微量元素和稀土元素的奥氏体不锈钢焊 接。该专利没有对焊丝熔敷金属高温力学性能进行说明。专利申请号为201210441665. 7是 一种超高强度全奥氏体不锈钢焊丝，抗拉强度为735?790MPa，-20°CKV2达110?140J， 适用于对高强高韧要求较高的大刚性结构焊接以及高强度高硬度难焊接钢种的焊接。专利 申请号201310178968. 9的专利是一种核级奥氏体不锈钢焊丝制造方法。该材料熔敷金属 具有高的低温韧性、低温强度、低温无磁性和良好的抗中子辐照性能。可用于制造锻件、板 材、管的核级材料的焊接。核级材料使用环境大多为高温高压环境，因此使用材料一般要求 具有良好的室温力学性能和350°C力学性能，但此专利没有对焊丝熔敷金属350°C力学性 能进行说明。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种超低碳奥氏体不锈钢焊丝及其焊接工艺，特别设计到 一种不锈钢焊接焊丝成分，即兼有良好的常温力学性能、耐蚀性能和350°C力学性能。
[0005] 针对上述目的，本发明的技术方案是一方面采用超低碳和加入适量稀土的方式保 证焊丝的耐晶间腐蚀性能和韧性，另一方面加入适量的氮来保证焊丝的强度，并通过在焊 丝冶炼过程中提高纯度和焊接工艺的调整保证焊丝的350°C力学性能。根据上述原理从而 提出了一种超低碳奥氏体不锈钢焊丝的化学成分（重量百分比），如下所示：
[0006] Cr:18 ?21，Ni:12· 5 ?14. 5,Mo:2· 5 ?3. 5,N:0· 09 ?0· 2,C:0· 016 ?0· 03， P:彡 0· 01，S:彡 0· 01，Si:0· 1 ?0· 4，Mn:1· 5 ?2. 5，Co:彡 0· 05，Cu:彡 0· 04，V:彡 0· 05， B:彡0. 018,RE:0. 03?0. 06.余量为铁和通常炼钢存在的杂质。
[0007] 本焊丝还涉及使用上述不锈钢焊丝的焊接工艺，具体步骤如下：在热输入为6? 21kJ的条件下，采用带脉冲的钨极氩弧焊进行试板焊接，保护气体为高纯Ar或95%Ar+5% 4混合气体，层间温度80?100°C。
[0008] 本发明焊丝熔敷金属的组织为奥氏体+少量铁素体组织。
[0009] C:为了保证焊丝的强度，必须加入一定量的碳，但碳含量较高将会对韧性和耐晶 间腐蚀性能产生不利影响，故本焊丝碳含量范围选择〇. 016?0. 03%。
[0010] Cr:铬是提高焊丝耐蚀性能的关键元素，并能提高奥氏体不锈钢中的氮溶解度， 获得高温常温强度，过高或者过低都不能达到很好的强韧匹配。由于铬为铁素体形成元素， 其含量过高将导致铁素体含量升高，从而影响焊丝的性能。铬含量选择18?21%
[0011] Ni:镍是奥氏体形成元素，可改善焊缝金属的低温韧性。此外，镍与铬配合可明显 提高耐蚀性能。为了保证焊缝金属具有一定的塑韧性，应加入适量镍，本发明镍含量选择 12. 5 ?14. 5%。
[0012] Mo:钥是固溶强化的主要元素，具有较强的强化效果。但钥含量过高将导致奥氏体 晶界上产生碳化物，降低焊缝强韧性。此外，钥能增强不锈钢抗点腐蚀和缝隙腐蚀的能力。 而且，钥可以降低热裂纹的敏感性。所以，综合考虑钥对焊缝金属性能的影响，其含量选择 2. 5 ?3. 5%。
[0013] N:氮是奥氏体不锈钢非常有效的固溶强化元素。氮在奥氏体不锈钢中有很高的 溶解度，可通过固溶强化的作用显著提高奥氏体不锈钢的强度，但不会明显恶化其韧性。但 是，氮含量过高会造成大量氮化物的析出和氮气孔的产生，降低焊缝金属的韧性和耐蚀性 能。因此，氮含量控制在0.09?0.2%。
[0014] Mn:锰可以提高氮在奥氏体不锈钢中的固溶度，而且锰可以使低熔点的铁硫化物 转变为高熔点的锰硫化物，减少焊缝中热裂纹的产生。但锰含量过高会导致奥氏体不锈钢 在低温下产生马氏体，而且会在奥氏体晶界上产生碳化物弱化晶界，降低焊缝的塑韧性。因 此，锰含量选择1. 5?2. 5%。
[0015] Si:硅具有脱氧效果，但在镍含量较高的钢中易于产生偏析，与镍、硫、磷等元素形 成低熔点共晶，在应力的作用下易于产生热裂纹。本发明硅含量选择〇. 1?〇. 4%。
[0016] Co:钴元素中子吸收界面大，易导致材料在中子辐照条件下失效，而对于用于核级 材料的奥氏体不锈钢一般要求具有良好的抗中子辐照性能，所以本发明钴含量选择不大于 0. 05.
[0017]B:硼元素可提高晶界强度，从而提高材料的强韧性。但是，硼同样是中子吸收界面 大的元素，添加过多会影响其抗中子辐照性能。本发明硼含量选择不大于0. 018.
[0018] Cu:铜元素在高温下可以析出细微相，改善钢铁材料的蠕变断裂强度，但是会降低 断裂塑性。考虑到本文焊丝对350°C力学性能的要求，铜含量选择不大于0. 04%。
[0019]RE:加入微量稀土元素主要用于脱硫、脱氧，改变夹杂物形态，提高耐蚀性能。稀土 通过改变渗碳体的组成和结构以及细化碳化物等来提高钢的韧性和塑性，抑制晶界偏析。 稀土通过夹杂物改性，从而减小微区腐蚀，并促进稳定的保护性腐蚀产物a-FeOOH的形 成，使得锈层更致密，提高钢的耐腐蚀性能。此外，稀土具有捕氢性，可以改善钢的氢致延迟 断裂性能。本发明稀土含量为〇. 03?0. 06%。
[0020] P、S:磷、硫为杂质元素。磷含量过高会恶化材料低温韧性，硫会增加材料的热裂 性。同时考虑到冶炼成本，本发明磷、硫含量选择均为不大于0. 01。
[0021] 本发明由于采用了以上技术方案，具有以下优点和积极效果：
[0022] 1)本发明焊丝熔敷金属具有良好的常温力学性能、高温（350°C)力学性能和耐蚀 性能。不仅适用于不锈钢316LN的焊接，同样适用于强度级别在450MPa以上的奥氏体不锈 钢的焊接。
[0023] 2)本发明焊丝特别适用于核级奥氏体不锈钢的焊接，焊丝具有优良的焊接工艺性 能，焊接电弧稳定、飞溅小、无气孔，焊缝成型美观。
【具体实施方式】
[0024] 根据本发明焊丝的化学成分范围进行控制冶炼。对冶炼好的钢锭轧制成盘条，再 进行热处理、拉拔，最终获得Φ2. 4mm和Φ1.2mm两种尺寸的焊丝。
[0025] 采用5种焊丝对试板进行了手工焊接，焊丝直径为Φ2. 4mm，试板、垫板尺寸及坡 口设计参考GB2652-89焊缝及熔敷金属拉伸试验方法，焊接电压12V，焊接电流180A，焊接 速度IOOmm·min-1，保护气体为高纯Ar,层间温度80?KKTC。
[0026] 具体实施例见表1，常温力学性能结果见表2
[0027] 表1实施例余量为：Fe
[0028]
【权利要求】
1. 一种奥氏体不锈钢焊丝，其特征在于，其化学成分质量百分数为：Cr :18?21，Ni : 12. 5 ?14. 5, Mo :2. 5 ?3. 5, N :0? 09 ?0? 2, C :0? 016 ?0? 03, P :彡 0? 01，S :彡 0? 01，Si : 0? 1 ?0? 4, Mn :1. 5 ?2. 5, Co :彡 0? 05, Cu :彡 0? 04, V :彡 0? 05, B :彡 0? 018, RE :0? 03 ? 0.06。余量为铁和通常炼钢存在的杂质。
2. -种权利要求所述的奥氏体不锈钢焊丝的焊接工艺，其特征在于，在热输入为6? 21kJ的条件下，采用带脉冲的钨极氩弧焊进行试板焊接，保护气体为高纯Ar或95% Ar+5% 4混合气体，层间温度80?100°C。
【文档编号】B23K9/167GK104493374SQ201410665150
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月19日 优先权日:2014年11月19日
【发明者】马成勇, 肖晓明, 肖红军, 齐彦昌, 何长红, 魏金山 申请人:钢铁研究总院