一种2507超级双相不锈钢薄板自熔焊接方法
阅读说明：本技术 一种2507超级双相不锈钢薄板自熔焊接方法 (Self-fluxing welding method for 2507 super duplex stainless steel sheet ) 是由 赵志毅 栗宏伟 薛润东 李国平 于 2021-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明实施例提供一种2507超级双相不锈钢薄板自熔焊接方法,针对2507超级双相不锈钢冷轧薄板,厚度为0.3～1.5mm。采用Ar+2～5％N-(2)混合气体作为焊枪保护气体,采用纯氮气作为焊接背面保护气体的不填丝TIG焊接方法,可有效抑制焊接过程中熔池的N逸出,并对焊接电流进行控制,保证了合适的焊接热输入范围,使焊缝的奥氏体、铁素体两相比例保持在合理的范围内,保证焊接接头的耐腐蚀性能最大程度接近母材。且采用该电流控制方法,使得焊缝光洁,焊缝不会产生内凹或外凸,焊接后的焊件变形量小,省去了后处理流程。(The embodiment of the invention provides a self-fluxing welding method for a 2507 super duplex stainless steel sheet, which aims at the 2507 super duplex stainless steel cold-rolled sheet and is 0.3-1.5 mm in thickness. Ar + 2-5% N is adopted 2 The mixed gas is used as the protective gas of the welding gun, and pure nitrogen is used as the protective gas of the welding back surface in the TIG welding method without wire filling, which can effectively inhibit the N escape of a molten pool in the welding process, control the welding current, ensure the proper welding heat input range, keep the two-phase proportion of austenite and ferrite of a welding line in a reasonable range, and ensure the corrosion resistance of a welding joint to be welded to the maximum extentAnd (4) approaching the parent material. And by adopting the current control method, the welding seam is smooth and clean, the welding seam does not indent or protrude outwards, the deformation of the welded part is small, and the post-treatment process is omitted.)
技术领域
本发明涉及不锈钢焊接领域，具体而言，涉及一种2507超级双相不锈钢薄板自熔焊接方法。
背景技术
2507(UNS S32750)超级双相不锈钢薄板焊件主要应用在酸性危险品运输及处理等特种行业中，这就需要2507超级双相不锈钢焊接接头具有优良的耐腐蚀性能。判断双相不锈钢焊接接头的焊接质量的标准有两点：1、焊缝成型是否良好；2、焊缝的耐点蚀性(耐点蚀指数-PREN值)是否接近于母材。焊接接头变形越小、焊缝氧化程度越低、焊缝的PREN值越接近母材，则焊接质量越好，反之则越差。目前，由于2507超级双相不锈钢冷轧薄板生产难度大，国内对其自熔焊接的研究专利极少。
中国发明专利“CN107900494A一种S32750超级双相不锈钢冷轧薄板自熔焊接方法”首次给出了1.2mm的2507超级双相不锈钢薄板的TIG焊接参数：焊接电流150A，焊接速度500mm/min，焊接热输入控制在150-300J/mm之间。但此专利还存在以下两个不足之处。一、焊缝氧化。专利CN107900494A使用了500mm/min的高焊速进行焊接，在焊件变形前便完成了整个焊接过程，在不使用焊接夹具的情况下避免了焊接变形对焊接过程造成的影响。但较高的焊接速度可能会使焊接熔池并未完全冷却便脱离了焊枪氩气的保护，造成焊缝氧化。图1(c)为使用CN107900494A中的参数(热效率取值为1，控制焊接热输在156J/mm)焊接的1.2mm焊接接头宏观形貌，发现焊缝有一定程度氧化。二、CN107900494A没有说明使用哪种焊接热输入才能最大程度避免焊缝耐腐蚀性能降低、避免焊接变形。对于1.2mm厚的冷轧薄板，CN107900494A中给出的焊接热输入范围是150-300J/mm，此范围相对较大且数值偏高，如果使用了较高的焊接热输入，可能会导致焊接熔池温度过高、冷却过慢，造成N元素逸出熔池，使PREN值降低；同时，较高的焊接热输入也会导致焊接变形。
发明内容
本发明的目的是针对以上问题，提供一种2507超级双相不锈钢薄板自熔焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对焊件表面进行处理；(2)采用夹具固定所述焊件并组对，组对形成I型坡口，不留间隙；(3)采用TIG焊机进行焊接，焊枪喷嘴保护气体为纯氩气或氩气与2-5％氮气混合物，气体流量为9-12L/min；所述焊件背面气体为纯氮气，气体流量为8-15L/min；焊接电压U为9-11V，焊接速度v为4-6mm/s，焊接电流I为45～47*h，其中h为所述焊件厚度，h的单位为mm。
本发明提供的2507超级双相不锈钢薄板自熔焊接方法，与现有技术相比，焊接速度不大于6mm/s，防止由于焊接速度过快导致熔池未完全冷却便脱离了焊枪氩气的保护，造成焊缝氧化；此外，焊接速度降低，针对不同板厚的焊件，提出了电流选取公式，当其电流I为44～47*h时，可以有效控制热量输入，在上述电流范围内的热输入量刚好为焊透所述焊件的合适的热输入范围，避免了未焊透或焊接区域过大导致变形以及焊缝产生内凹或外凸等外观缺陷。上述焊接工艺参数使得焊缝光洁平整，无黑色氧化物形成，省掉后续酸洗过程，焊件变形量小。此外，焊件背面气体为纯氮气保护，一方面隔绝了空气，防止氧化，另一方面防止N的烧损，加上合适的热输入量进一步防止N的烧损，提高了焊缝耐腐蚀性能。因此本发明所提供的自熔焊接方法焊接而成的焊件无需进行后续操作即可满足使用需求。
在一种可能的实现方式中，所述步骤(1)中，所述焊件的厚度为0.3～1.5mm。
在一种可能的实现方式中，所述步骤(1)中，所述焊件表面进行处理至少包括以下至少一项作业：打磨、除油、除锈和清除尘垢。
在一种可能的实现方式中，所述步骤(1)中，所述夹具为琴键式夹具。
在一种可能的实现方式中，所述TIG焊机钨极直径为2-3mm。
在一种可能的实现方式中，所述焊接电压U为10-11V，焊接速度v为4.5-5mm/s。
在一种可能的实现方式中，所述步骤(3)中，使用铜焊接衬垫时，焊接电压U为10.5～11V，焊接速度v为4.5mm/s，焊接电流I为46～47*h；不使用焊接衬垫时，焊接电压U为10～10.5V，焊接速度v为5mm/s，焊接电流I为45～46*h。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为焊件宏观形貌图；其中，a为实施例1的宏观形貌图，b为实施例2的宏观形貌图，c为对比例1的宏观形貌图；
图2为焊缝显微组织图；其中，a为实施例1的显微组织图，b为实施例2的显微组织图，c为对比例1的显微组织图；
图3为焊件焊接后变形图；其中a为实施例1焊接后变形图，b为实施例2焊接后变形图，c为对比例1焊接后变形图；
图4为本发明实施例1焊缝的显微组织放大图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和出示的本发明实施例步骤中的各项可以以各种不同的顺序进行排列。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
本发明中涉及的2507超级双相不锈钢薄板的化学成分(质量百分比)为：C≤0.03％、Si≤0.80％、Mn≤1.2％、Cr:24-26％、Ni:6-8％、S≤0.02％、P≤0.035％、Mo:3-5％、N：0.24-0.32％，其余为铁和不可避免的杂质。
本发明提供的一种2507超级双相不锈钢薄板自熔焊接方法，括以下步骤：
步骤1：对焊件表面进行处理，所述处理方式包括以下一种或多种：打磨、除油、除锈和清除尘垢。可以基于不锈钢薄板的具体情况选择相应处理方式。
步骤2：采用夹具固定所述焊件并组对，组对形成I型坡口，不留间隙；
步骤3：TIG焊机可以采用直流正接或直流反接，本实施例优选直流正接方式，将热量施加在焊件上并对钨极进行保护；钨极直径为2-3mm，本实施例钨极直径采用2.4mm；焊枪喷嘴保护气体为纯氩气或氩气与2-5％氮气混合物，氩气中氮气含量过高会对钨极产生烧损，熔池飞溅，将氮气含量控制在2-5％，气体流量为9-12L/min，焊件背面保护气体为纯氮气，一方面对焊缝进行冷却，另一方面增加焊缝熔融金属N的渗入量，气体流量为8-15L/min；焊接电压U为9-11V，焊接速度v为4-6mm/s，焊接电流I为45～47*h，其中h为所述焊件厚度，h的单位为mm。
步骤2中对焊件进行组对，可以不使用衬垫也可以采用铜焊接衬垫，使用铜焊接衬垫时，焊接电压U为10.5～11V，焊接速度v为4.5mm/s，焊接电流I为46～47*h；不使用焊接衬垫时，焊接电压U为10～10.5V，焊接速度v为5mm/s，焊接电流I为45～46*h。上述工艺参数基于铜焊接衬垫导热能力强，因此稍微采用较高的电压、电流和较低的速度保证焊件焊接后的宏观形貌和物理性能。
需要指出的是，在上述工艺参数下，即使在不使用铜焊接衬垫的情况下同样能实现优于现有技术的耐腐蚀性能和宏观形貌。
实施例1
选取的待焊钢板为1.2mm厚的2507超级双相不锈钢冷轧板两块，钢板尺寸为75mm×300mm×1.2mm。2507超级双相不锈钢薄板的化学成分：C：0.027％Si：0.65％Mn：0.92％P：0.025％S：0.001％Cr：24.83％Ni：6.95％Mo：3.99％N：0.261％，其余为铁和不可避免的杂质。
步骤1：对1.2mm厚的2507超级双相不锈钢冷轧薄板表面进行除油、除锈、清除尘垢处理。可以基于冷轧薄板的实际情况选择上述处理方式中的一种或多种。
步骤2：采用琴键式夹具固定所述待焊接2507超级双相不锈钢冷轧薄板，组对形成I型坡口，不留间隙。
步骤3：采用直流正接的TIG焊机进行焊接，钨极直径2.4mm；焊枪喷嘴保护气体为纯氩气，氩气流量9L/min；背面保护气体为纯氮气，氮气流量8L/min；使用铜焊接衬垫，焊接电压U为11V，焊接速度v为4.5mm/s，焊接电流I为46～47*h，即55.2～56.4A，本实施例I取值为56A，此时焊接热输入为137J/mm。焊接热输入为电流与电压的乘积除以焊接速度。
实施例2
本实施例的材料和焊接方法铜实施例1，其区别仅在于，步骤3中，采用直流正接的TIG焊机进行焊接，钨极直径2.4mm；焊枪喷嘴保护气体为纯氩气，氩气流量9L/min；背面保护气体为纯氮气，氮气流量8L/min；未采用铜焊接衬垫，焊接电压U为10V，焊接速度v为5mm/s，焊接电流I为45～46*h，即54～55.2A，本实施例I取值为55A，此时焊接热输入为110J/mm。焊接热输入为电流与电压的乘积除以焊接速度。
对比例1
本对比例的材料和焊接方法同实施例3，其区别仅在于，使用CN107900494A中实施例1的参数，即焊接速度v为500mm/min，焊接电压U为10V，焊接电流I为130A，控制焊接热输在156J/mm。
经过上述步骤完成焊接作业后，对焊接接头进行外观、显微组织、焊接变形、元素含量及点蚀性能检测，结果如下：
1、宏观形貌。图1a-c分别为实施例1、2及对比例1的焊缝宏观形貌图。从图1a和图1b可以看出，采用本发明提供的低焊速、低焊接热输入的焊接工艺制备的焊件，其焊缝平整，无明显内凹或外凸，焊缝表面无氧化物或几乎无氧化物生成，无需进行后续处理。图1c在不采用焊接衬垫的情况下，使用CN107900494A中的参数进行焊接，发现对比例1中的焊缝呈黑色，氧化物较多，需要进行后处理。焊缝氧化的原因如下，CN107900494A中的焊接速度偏高，较高的焊接速度会使焊接熔池并未完全冷却便脱离了焊枪氩气的保护，造成焊缝氧化。因此，采用本发明提供的一种2507超级双相不锈钢自熔焊接方法可以提高焊缝质量，省去后处理流程。
2、显微组织。图2a-c分别为实施例1、2及对比例1的焊缝宏观形貌图。从图2a和图1b可以看出，采用本发明提供的低焊速、低焊接热输入的焊接工艺制备的焊件，焊缝的显微组织均匀，奥氏体占比35～40％。图2c在不采用焊接衬垫的情况下，使用156J/mm的较高焊接热输入焊接的焊件，其焊缝的晶粒尺寸偏大，奥氏体占比低于30％，焊缝中铁素体与奥氏体的比偏离1：1的理想状态。因此，采用本发明提供的一种2507超级双相不锈钢自熔焊接方法可以避免焊缝中奥氏体含量过低，使焊缝中奥氏体含量保持在35％以上。
3、焊接变形。图3a-c分别表示实施例1，2和对比例1的焊接后变形图。从图3a和图3b可以看出，采用本发明提供的低焊速、低焊接热输入的焊接工艺制备的焊件，其在平行于焊缝方向的中部的凸起的高度为9mm。图3c在不采用焊接衬垫的情况下，使用156J/mm的较高焊接热输入焊接的焊件的中部凸起的高度为16mm。对比例1中的焊件焊接后变形量几乎为实施例1和实施例2的焊件变形量的两倍。因此，采用本发明提供的焊接方法大大减小了焊接后的变形程度。
4、元素含量与耐点蚀性。通过使用ICP光谱仪和ONH分析仪对焊缝进行成分测定对母材及不同焊接热输入的焊缝元素含量进行检测，并计算出PREN值，如表1所示，
表1母材及不同焊接热输入焊缝元素含量与PREN值
注：表中热输入的计算公式为E＝U×I/v；PREN值的计算公式为PREN＝％Cr+3.3％Mo+16％N
通过上表可以看出，采用本发明实施例1和实施例2提供的焊接工艺参数，N元素的烧损明显比焊接热输入为150J/mm时的低，且通过本发明确定的焊接工艺，焊缝的PREN值与母材相近，耐点蚀性能好。
实施例3
选取的待焊钢板为0.9mm厚的2507超级双相不锈钢冷轧板两块，钢板尺寸为75mm×300mm×0.9mm。2507超级双相不锈钢薄板的化学成分：2507超级双相不锈钢薄板的化学成分：C：0.027％Si：0.65％Mn：0.92％P：0.025％S：0.001％Cr：24.83％Ni：6.95％Mo：3.99％N：0.261％，其余为铁和不可避免的杂质。
步骤1：对0.9mm厚的2507超级双相不锈钢冷轧薄板表面进行除油、除锈、清除尘垢处理。
步骤2：采用琴键式夹具固定所述待焊接2507超级双相不锈钢冷轧薄板，组队形成I型坡口，不留间隙。
步骤3：采用直流正接的TIG焊机进行焊接，钨极直径2.8mm；焊枪喷嘴保护气体为纯氩气，氩气流量10L/min；背面保护气体为纯氮气，氮气流量10L/min；使用铜焊接衬垫，焊接电压U为11V，焊接速度v为4.5mm/s，焊接电流I为46～47*h，即41.4～42.3A，本实施例I取值为42A，此时焊接热输入为103J/mm。
经上述步骤焊接完成后，焊接接头的焊缝外观，相比例及点蚀性能均可达到实施例1的效果。
实施例4
选取的待焊钢板为0.5mm厚的2507超级双相不锈钢冷轧板两块，钢板尺寸为75mm×300mm×0.5mm。C：0.023％Si：0.62％Mn：0.91％P：0.024％S：0.001％Cr：25.01％Ni：7.04％Mo：4.01％N：0.261％其余为铁和不可避免的杂质。
步骤1：对0.5mm厚的2507超级双相不锈钢冷轧薄板表面进行除油、除锈、清除尘垢处理。
步骤2：采用琴键式夹具固定所述待焊接2507超级双相不锈钢冷轧薄板，组对形成I型坡口，不留间隙；
步骤3：采用直流正接的TIG焊机进行焊接，钨极直径2mm；焊枪喷嘴保护气体为纯氩气，氩气流量11L/min；背面保护气体为纯氮气，氮气流量14L/min；不使用铜焊接衬垫，焊接电压U为10V，焊接速度v为5mm/s，焊接电流I为45～46*h，即22.5～23A，本实施例I取值为23A，此时焊接热输入为46J/mm。
经上述步骤焊接完成后，焊接接头的焊缝外观，相比例及点蚀性能均可达到实施例1的效果。
实施例5
选取的待焊钢板为0.5mm厚的2507超级双相不锈钢冷轧板两块，钢板尺寸为75mm×300mm×0.5mm。C：0.023％Si：0.62％Mn：0.91％P：0.024％S：0.001％Cr：25.01％Ni：7.04％Mo：4.01％N：0.261％其余为铁和不可避免的杂质。
步骤1：对0.5mm厚的2507超级双相不锈钢冷轧薄板表面进行除油、除锈、清除尘垢处理。
步骤2：采用琴键式夹具固定所述待焊接2507超级双相不锈钢冷轧薄板，组对形成I型坡口，不留间隙；
步骤3：采用直流正接的TIG焊机进行焊接，钨极直径2mm；焊枪喷嘴保护气体为纯氩气，氩气流量10L/min；背面保护气体为纯氮气，氮气流量13L/min；不使用铜焊接衬垫，焊接电压U为10V，焊接速度v为5mm/s，焊接电流I为45～46*h，即22.5～23A，本实施例I取值为23A，此时焊接热输入为46J/mm。
经上述步骤焊接完成后，焊接接头的焊缝外观，相比例及点蚀性能均可达到实施例1的效果。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。