本发明涉及异种钢焊接技术，具体说是一种用于珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢的异种钢焊接方法。
背景技术：
：珠光体耐热钢，尤其是15crmor耐热钢很适于压力容器用钢，其碳当量高达0.58%，具有很大的淬硬倾向，焊接时在焊缝和热影响区极易出现硬脆的马氏体组织，产生很大内应力，导致接头形成早期裂纹。若不采取特殊的控制措施，很难避免焊接裂纹的出现，同时，返修焊接时拘束度较大；如果焊接线能量过大，热影响区晶粒会明显粗化，在焊接残余应力的作用下，焊缝热影响区的粗晶区还易出现再热裂纹；焊后受热也可能产生再热裂纹；都明显降低了焊缝金属及热影响区的塑韧性。所以在焊接15crmor耐热钢时要采取适当的工艺措施和选择合适的焊接材料，才能避免焊接时上述问题的出现。珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢的异种钢焊接使得焊件兼具了两者材料各自的优点，且能大大降低制造成本，使这两种材料在压力容器和石油化工等领域得到广泛应用，但由于两种材料的组织和化学成分不同，而且物理性能差别较大，焊接会比较困难，即使得到室温下合格的焊件，也难以满足高温条件下的长期使用，比如：稀释问题、碳迁移、熔合区的塑性下降、晶间腐蚀、热应力和热疲劳破坏等。中国发明专利zl200810046615.2公开了一种中温厚壁wb36（珠光体耐热钢）/1cr18ni9ti（奥氏体不锈钢）异种钢焊接工艺，其步骤包括：①用a307焊条在wb36钢侧先预堆边焊三层作为隔离层，焊接时不预热，焊后进行消氢处理，为了减少对焊缝的稀释，堆焊第一层时必须采用φ3.2mm焊条，小电流焊接，电流范围70~90a；②打磨堆焊层表面至8mm，组成符合规范要求的wb36/1cr18ni9ti对接头形式；③用a307或a137焊条填充，焊条直径为φ3.2mm或φ4.0mm；④取消焊后热处理。该工艺中在wb36钢（即珠光体耐热钢）侧采用的堆焊材料为a307焊条，其耐腐蚀性能较差、强度较低，不能有效的阻隔碳迁移；堆焊后两种钢对接，并直接采用a307或a137焊条填充，易出现焊缝缺陷，对焊工操作要求较高；取消焊后热处理易导致焊缝应力残留，组织晶粒粗大，降低焊缝力学性能，特别是冲击韧性，严重影响产品的性能。技术实现要素：本发明解决的问题是提供一种用于珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢的异种钢焊接方法，通过该方法制得的珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢的焊件，耐腐蚀性能好、强度高，能有效的阻隔碳迁移；且不易出现焊缝缺陷，对焊工操作要求不高；能够增强焊件的冲击韧性，提高产品的性能。为解决上述问题，采取以下技术方案。本发明的用于珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢的异种钢焊接方法的特点是包括以下步骤：第一步，准备。选取板厚相等的珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢，在环境温度15~20℃下，采用机械加工方法将它们的焊接端均加工成坡面。选取enicrfe-3焊条和ernicr-3焊丝若干，并在焊接使用前，将enicrfe-3焊条置于150~200℃下保温1~1.5小时。第二步，堆焊。在珠光体耐热钢的坡面上，采取火焰加热形式对其预热至150~200℃。选用enicrfe-3焊条对珠光体耐热钢的坡面采取电弧焊接法的堆焊。然后，经过打磨或机加工的方式将堆焊的坡面处理平整，形成光滑的ni基阻隔层。第三步，打底焊接。将珠光体耐热钢堆焊打磨后的坡面与奥氏体不锈钢的坡面对接摆放，使得两种钢的坡面形成一个v形槽。用ernicr-3焊丝对该v形槽进行非熔化极的钨极氩弧焊打底。第四步，中间和盖面层焊接。采取火焰加热形式对v形槽的珠光体耐热钢侧预热至150~200℃。选用enicrfe-3焊条并采用电弧焊接法，在v形槽内自下而上分层进行各中间层和盖面焊道的焊接，严格控制层间温度，使其低于100℃，防止焊缝和热影响区出现晶粒严重长大现象。第五步，热处理。将焊接完成的制品，置于温度为690±20℃的环境下保温1.6～3.0h。其中，所述第一步准备工作将珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢的焊接端加工的坡面角度均为35±2.5°。所述第一步准备工作中选取的enicrfe-3焊条的直径为2.5~4.0mm。所述第一步准备工作中选取的ernicr-3焊丝的直径为2.0~3.0mm。所述第二步堆焊、第四步中间和盖面层焊接工作中的电弧焊接法的条件均为电流120~140a，电压23~26v，焊接速度15~17cm/min，线能量9.7~14.5kj/cm。所述第三步打底焊接工作中的非熔化极的钨极氩弧焊采用的钨极直径为2.0~2.5mm，喷嘴直径为10~12mm，保护气体ar≥99.99%，流量为8-12l/min。所述第三步打底焊接工作中的非熔化极的钨极氩弧焊的条件为电流100~130a，电压12~14v，焊接速度10~12cm/min，线能量10~10.9kj/cm。采取上述方案，具有以下优点：由于本发明的用于珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢的异种钢焊接方法采用enicrfe-3焊条对珠光体耐热钢的坡面进行堆焊，从而形成耐腐蚀性能好、强度较高的ni基阻隔层，能有效的阻隔碳迁移。又由于该方法采用ernicr-3焊丝对两种钢对接的v形槽进行非熔化极的钨极氩弧焊打底，能够有效地减少焊缝的缺陷，降低焊工的操作难度。同时，由于该方法在焊接完成后对焊件进行了热处理，可以消除焊缝应力残留，缩小组织晶粒，提高焊缝力学性能，增强焊件的冲击韧性，有效地提高了产品的性能。附图说明图1是本发明的用于珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢的异种钢焊接方法的工艺流程示意图；图2是采用本发明的异种钢焊接方法制得的焊件试样进行拉伸、弯曲实验的示意图；图3是采用本发明的异种钢焊接方法制得的焊件试样进行冲击实验的示意图；图4是用于对比的直接电弧焊的焊接接头宏观形貌图；图5是采用本发明的异种钢焊接方法焊接的具有ni基堆焊层的焊接接头宏观形貌图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。实施例一本实施例的用于珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢的异种钢焊接方法包括以下步骤：第一步，准备选取板厚相等的珠光体耐热钢15crmor与奥氏体不锈钢06cr19ni10，在环境温度15℃下，采用机械加工方法将它们的焊接端均加工成坡面，如图1（a）所示；选取enicrfe-3焊条和ernicr-3焊丝若干，并在焊接使用前，将enicrfe-3焊条置于150℃下保温1小时。第二步，堆焊在珠光体耐热钢的坡面上，采取火焰加热形式对其预热至150℃；选用enicrfe-3焊条对珠光体耐热钢的坡面采取电弧焊接法的堆焊，如图1（b）所示；然后，经过打磨或机加工的方式将堆焊的坡面处理平整，形成光滑的ni基阻隔层，如图1（c）所示。第三步，打底焊接将珠光体耐热钢堆焊打磨后的坡面与奥氏体不锈钢的坡面对接摆放，使得两种钢的坡面形成一个v形槽，如图1（d）所示；用ernicr-3焊丝对该v形槽进行非熔化极的钨极氩弧焊打底。第四步，中间和盖面层焊接采取火焰加热形式对v形槽的珠光体耐热钢侧预热至150℃；选用enicrfe-3焊条并采用电弧焊接法，在v形槽内自下而上分层进行各中间层和盖面焊道的焊接，如图1（e）所示，严格控制层间温度，使其低于100℃，防止焊缝和热影响区出现晶粒严重长大现象。第五步，热处理将焊接完成的制品，置于温度为690±20℃的环境下保温1.6h。实施例二（其工艺步骤与图1的对应关系和实施例一相同）本实施例的用于珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢的异种钢焊接方法包括以下步骤：第一步，准备选取板厚相等的珠光体耐热钢15crmor与奥氏体不锈钢06cr19ni10，在环境温度18℃下，采用机械加工方法将它们的焊接端均加工成坡面；选取enicrfe-3焊条和ernicr-3焊丝若干，并在焊接使用前，将enicrfe-3焊条置于180℃下保温1.2小时。第二步，堆焊在珠光体耐热钢的坡面上，采取火焰加热形式对其预热至180℃；选用enicrfe-3焊条对珠光体耐热钢的坡面采取电弧焊接法的堆焊；然后，经过打磨或机加工的方式将堆焊的坡面处理平整，形成光滑的ni基阻隔层。第三步，打底焊接将珠光体耐热钢堆焊打磨后的坡面与奥氏体不锈钢的坡面对接摆放，使得两种钢的坡面形成一个v形槽；用ernicr-3焊丝对该v形槽进行非熔化极的钨极氩弧焊打底。第四步，中间和盖面层焊接采取火焰加热形式对v形槽的珠光体耐热钢侧预热至180℃；选用enicrfe-3焊条并采用电弧焊接法，在v形槽内自下而上分层进行各中间层和盖面焊道的焊接，严格控制层间温度，使其低于100℃，防止焊缝和热影响区出现晶粒严重长大现象。第五步，热处理将焊接完成的制品，置于温度为690±20℃的环境下保温2.2h。实施例三（其工艺步骤与图1的对应关系和实施例一相同）本实施例的用于珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢的异种钢焊接方法包括以下步骤：第一步，准备选取板厚相等的珠光体耐热钢15crmor与奥氏体不锈钢06cr19ni10，在环境温度20℃下，采用机械加工方法将它们的焊接端均加工成坡面；选取enicrfe-3焊条和ernicr-3焊丝若干，并在焊接使用前，将enicrfe-3焊条置于200℃下保温1.5小时。第二步，堆焊在珠光体耐热钢的坡面上，采取火焰加热形式对其预热至200℃；选用enicrfe-3焊条对珠光体耐热钢的坡面采取电弧焊接法的堆焊；然后，经过打磨或机加工的方式将堆焊的坡面处理平整，形成光滑的ni基阻隔层。第三步，打底焊接将珠光体耐热钢堆焊打磨后的坡面与奥氏体不锈钢的坡面对接摆放，使得两种钢的坡面形成一个v形槽；用ernicr-3焊丝对该v形槽进行非熔化极的钨极氩弧焊打底。第四步，中间和盖面层焊接采取火焰加热形式对v形槽的珠光体耐热钢侧预热至200℃；选用enicrfe-3焊条并采用电弧焊接法，在v形槽内自下而上分层进行各中间层和盖面焊道的焊接，严格控制层间温度，使其低于100℃，防止焊缝和热影响区出现晶粒严重长大现象。第五步，热处理将焊接完成的制品，置于温度为690±20℃的环境下保温3.0h。上述三个实施例中，第一步准备工作将珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢的焊接端加工的坡面角度均为35±2.5°，选取的enicrfe-3焊条的直径均为2.5~4.0mm，ernicr-3焊丝的直径均为2.0~3.0mm；第二步堆焊、第四步中间和盖面层焊接工作中的电弧焊接法的条件均为电流120~140a，电压23~26v，焊接速度15~17cm/min，线能量9.7~14.5kj/cm；第三步打底焊接工作中的非熔化极的钨极氩弧焊采用的钨极直径为2.0~2.5mm，喷嘴直径为10~12mm，保护气体ar≥99.99%，流量为8-12l/min；非熔化极的钨极氩弧焊的条件为电流100~130a，电压12~14v，焊接速度10~12cm/min，线能量10~10.9kj/cm。第二步、第三步和第四步的焊接工艺参数如下表所示。为了评价珠光体耐热钢和奥氏体不锈钢采用本发明的异种钢焊接方法所得焊件接头的综合性能，以下对上述三个实施例的焊件接头分别进行拉伸实验、弯曲实验和冲击实验，来综合评定它们的力学性能。(1)拉伸、弯曲实验工艺评定规定的试验方法，如图2所示的机加工拉伸、弯曲试样，测定焊接接头的抗拉强度。拉伸试样沿着垂直于焊缝方向截取，截取的试样端部经机械加工后，使纵轴与焊缝的轴线吻合，焊缝位于试样中心。(2)冲击实验为了进一步验证珠光体耐热钢15crmor与奥氏体不锈钢06cr19ni10组成的异种钢焊接接头的强韧性，及其抗缺口敏感性，如图3所示在常温下对焊缝金属进行冲击实验，测定其冲击吸收功，评价焊接接头的冲击韧性。按照gb/t229-2007规定进行，试样缺口底部应光滑，不得有与缺口轴线平行的折线。力学性能对比：（1）直接电弧焊的焊接接头力学性能测试结果如下。拉伸实验结果：冲击韧性实验结果：上述实验试样的焊接接头宏观形貌图如图4所示。依据数据分析：用enicrfe-3焊条填充材料直接电弧焊接15crmor/06cr19ni10异种钢所得接头能够满足强度、塑性等方面的使用要求，抗拉强度的断裂值高达616mpa，缺口开在06cr19ni10不锈钢侧的冲击韧性值因碳迁移形成的增碳层而大为降低。（2）ni基堆焊层焊接接头力学性能测试结果如下。拉伸实验结果：冲击韧性实验结果：试样尺寸缺口位置缺口类型试验温度/℃冲击吸收功/j10×10×5515crmor侧热影响区v2010×10×5506cr19ni10侧热影响区v20上述经ni基堆焊的实验试样的焊接接头宏观形貌图如图5所示。依据数据分析：采用在15crmor耐热钢侧预堆敷一层ni基过渡层工艺所得接头在满足抗拉、弯曲强度的使用要求时，06cr19ni10不锈钢侧的冲击韧性强度明显提高，对断口的进一步观察分析发现其是韧性断裂的呈大小不一的韧窝状形态，而15crmor/06cr19ni10直接电弧焊断口平齐，有明显的金属光泽，两侧剪切唇很明显，是典型的脆断方式。（3）两种方法焊后热处理后力学性能比较如下。焊后热处理试样的拉伸实验结果：焊后热处理下冲击韧性实验结果：依据数据分析：直接电弧焊接头在焊后热处理的高温作用下，接头中元素发生大量迁移尤其是碳元素，使接头的抗拉强度大为降低，而15crmor/ni基层/06cr19ni10接头在pwht后使15crmor侧热影响区的组织晶粒得到细化，冲击断裂强度高达178j，大大改善了接头的力学性能。针对珠光体耐热钢15crmor与奥氏体不锈钢06cr19ni10的异种钢的可靠连接，通过对采用三种不同焊接工艺所得焊接接头的力学性能综合分析，得出如下结论：(1)采用电弧焊工艺对15crmor与06cr19ni10异种钢直接焊接，接头内部发现明显的脱碳层、增碳层及熔合区淬硬马氏体过渡层，06cr19ni10不锈钢侧过热区的冲击韧性显著降低，严重影响此异种钢在压力容器等工业中的安全使用；(2)在15crmor钢侧坡口表面预堆敷ni基过渡层材料后，再与06cr19ni10不锈钢进行电弧焊接，接头的力学性能都达到了规范使用要求，焊缝金属及热影响区的抗拉强度均高于母材，冲击韧性也比直接电弧焊高很多，综合机械性能明显得到改善；(3)三种不同焊接工艺条件下接头的宏观金相试验结果均表明接头内部无明显缺陷，ni基过渡层确实起到了对碳元素的阻隔效应，15crmor钢侧熔合区附近没有明显的碳迁移现象，组织过渡也较为自然；(4)焊后热处理对改善接头的组织结构类型和细化晶粒尺寸起到了一定作用，使得15crmor侧热影响区的抗拉强度得到提高，但其加剧了直接电弧焊接头内部的碳迁移扩散，脱碳层宽度明显变宽，冲击韧性显著下降，说明焊后热处理对接头的性能影响较大；(5)对于15crmor与06cr19ni10钢电弧焊，最佳焊接工艺方法为采用焊条电弧焊预先在15crmor钢侧坡口表面堆敷一层ni基过渡层材料，再用enicrfe-3填充材料对06cr19ni10钢进行对接焊接，并焊后在670℃下保温2小时。上述三个实施例及实验测试均采用珠光体耐热钢15crmor与奥氏体不锈钢06cr19ni10为代表进行说明，理论上本发明的用于珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢的异种钢焊接方法可适用于所有珠光体耐热钢（如14cr1mor、zg20crmo、12cr1mov等）与所有奥氏体不锈钢（如s31603，s30408，s32168等）的任意两两组合的异种钢焊接，且焊接后焊件的力学性能均与上述三个实施例得到的焊件式样相近。当前第1页12