中厚板双相不锈钢焊接工艺发明内容

中厚板双相不锈钢焊接工艺专利目的

《中厚板双相不锈钢焊接工艺》的目的是提供一种能有效抑制焊接接头氮元素析出，使焊接区保持与母材相同或较为接近的组织结构比例，接头中不产生有害相（如σ、χ、Cr₂N、M₂₃C₆等），接头获得了较高的强度和良好的使用性能的中厚板双相不锈钢焊接工艺。

中厚板双相不锈钢焊接工艺技术方案

《中厚板双相不锈钢焊接工艺》采用如下工艺步骤：

1.1、将待焊接部位加工成双U型坡口，并将坡口内外两侧清理打磨干净，双U型坡口的坡口角度为10~20度，钝边高度为2~4毫米，焊接板材厚度为10~30毫米；

1.2、对口装配并焊接，焊缝背面采用99.99％高纯氮气进行保护，正面采用高纯氩气进行保护；

1.3、多层多道焊接，焊丝直径为2~4毫米，焊接电流120~190安培，焊接电压12~24伏特，焊接速度90~130毫米/分钟，层间温度控制在60~100摄氏度，并在每层焊缝焊接完毕后，将焊缝表层进行打磨，焊接层数一般为1~13层；

1.4、焊接完毕后进行固溶处理，固溶温度为1000~1100摄氏度，保温时间为30~60分钟，冷却采用先慢速冷却后快速冷却的方式，从固溶温度到800摄氏度缓慢冷却，800摄氏度以后快速冷却，固溶处理升温速率为180~260摄氏度/小时。

双U型坡口为正、背面对称U型坡口。对口装配错边量小于1毫米。对坡口内外两侧10~20毫米范围以内进行清理打磨，露出金属光泽。氮气流量为16~22升/分钟，氩气流量为12~15升/分钟。每层焊缝表层打磨深度为0.1~0.5毫米。多层多道焊接时，焊条不作横向摆动，焊接方向一致。从固溶温度到800摄氏度采用在热处理炉中缓慢冷却，800摄氏度以后在水中快速冷却。

中厚板双相不锈钢焊接工艺有益效果

1、采用多层多道焊，利用后续焊道的加热作用，不仅能够使前层焊道金属中的铁素体进一步转变成奥氏体，而且能够降低焊接残余应力，有效的控制焊接热循环。

2、焊缝背面采用99.99％高纯氮气进行保护，正面采用高纯氩气进行保护，抑制接头中氮元素的析出，焊接区保持了与母材相同的组织结构和较为接近的相比例，使接头获得了使接头获得了较高的强度和良好的使用性能。

3、采用双U型坡口对称焊接，焊后逐层打磨以及多层多道焊的方式，降低焊接残余应力和焊接变形，提高了接头强度和抗腐蚀性能力。

4、通过固溶处理，不仅使得接头中不产生有害相（如σ、χ、Cr₂N、M₂₃C₆等），同时释放了部分残余应力。经检验，焊接接头无缺陷，所得接头抗拉强度达800兆帕，焊接区金相组织奥氏体含量45％，铁素体含量55％。

双相不锈钢中铁素体与奥氏体大约各占一半，通过正确控制化学成分和热处理工艺，将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性、焊接性与铁素体不锈钢所具有的较高强度、耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起，使双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点。此外，由于其组织是双相混合的微细化组织，所以，与单相组织的不锈钢相比较，具有强度高的特征。2010年1月前，双相不锈钢应用范围迅速扩大，已成为奥氏体不锈钢在许多应用领域最有力的竞争对手。与316L等奥氏体系不锈钢相比，耐应力腐蚀开裂性能得到提高，耐点腐蚀性能也较为优良，其生产成本与316L没有大的差别，而在设计上由于双相不锈钢强度高，可以达到轻量化，减少钢材使用量。因此，双相不锈钢主要应用在中性氯化物环境、炼油工业、石油化学和化学工业、石油和天然气工业、纸浆和造纸工业、化肥工业、海水环境、能源与环保工业、轻工和食品等工业。

焊接是制造双相不锈钢设备的关键技术。截至2010年1月，双相不锈钢面临的主要问题是：双相不锈钢焊缝和焊接热影响区难以保持合适的相比例，接头中容易析出有害相（如σ、χ、Cr₂N、M₂₃C₆等），脆化和敏化倾向性大，限制了双相不锈钢的使用。因此，焊缝中相比例的控制、焊接工艺参数对焊缝组织的影响一直是研究的主要内容。另外，中厚板焊接会带来较高的残余应力，对强度和抗腐蚀性产生影响。因此，对双相不锈钢的焊接工艺进行研究，对双相不锈钢的推广应用具有重要的工程意义。

中国发明专利（申请号03140209.7）公开了一种双相不锈钢工艺管线焊接工艺，采用99.99％的氩气保护进行打底焊接，采用80％氩气和20％二氧化碳气体进行半自动填充盖面焊接，该发明主要采用在氩气中加入一定量的二氧化碳作为保护气，但该方法并不能很好的抑制焊接接头氮元素的析出。

图1是《中厚板双相不锈钢焊接工艺》焊接坡口的形状示意图。

图2为焊层分布图。

其中：1、双U型坡口2、钝边高度3、母材4、焊层。

《中厚板双相不锈钢焊接工艺》属于金属焊接技术领域，具体涉及一种中厚板双相不锈钢焊接工艺方法。

1.中厚板双相不锈钢焊接工艺，其特征在于：采用如下工艺步骤：1.1、将待焊接部位加工成双U型坡口（1），并将坡口内外两侧清理打磨干净，双U型坡口（1）的坡口角度为10~20度，钝边（2）高度为2~4毫米，焊接板材厚度为10~30毫米；1.2、对口装配并焊接，焊缝背面采用99.99％高纯氮气进行保护，正面采用高纯氩气进行保护；1.3、多层多道焊接，焊丝直径为2~4毫米，焊接电流120~190安培，焊接电压12~24伏特，焊接速度90~130毫米/分钟，层间温度控制在60~100摄氏度，并在每层焊缝焊接完毕后，将焊缝表层进行打磨；1.4、焊接完毕后进行固溶处理，固溶温度为1000~1100摄氏度，保温时间为30~60分钟，冷却采用先慢速冷却后快速冷却的方式，从固溶温度到800摄氏度缓慢冷却，800摄氏度以后快速冷却，固溶处理升温速率为180~260摄氏度/小时。

2.根据权利要求1所述的中厚板双相不锈钢焊接工艺，其特征在于：步骤1.1所述的双U型坡口（1）为正、背面对称U型坡口。

3.根据权利要求1所述的中厚板双相不锈钢焊接工艺，其特征在于：步骤1.1所述的对坡口内外两侧10~20毫米范围以内进行清理打磨，露出金属光泽。

4.根据权利要求1所述的中厚板双相不锈钢焊接工艺，其特征在于：步骤1.2所述的氮气流量为16~22升/分钟，氩气流量为12~15升/分钟。

5.根据权利要求1所述的中厚板双相不锈钢焊接工艺，其特征在于：步骤1.3所述的每层焊缝表层打磨深度为0.1~0.5毫米。

6.根据权利要求1所述的中厚板双相不锈钢焊接工艺，其特征在于：步骤1.3所述的多层多道焊接时，焊条不作横向摆动，焊接方向一致。

7.根据权利要求1所述的中厚板双相不锈钢焊接工艺，其特征在于：步骤1.4所述的从固溶温度到800摄氏度采用在热处理炉中缓慢冷却，800摄氏度以后在水中快速冷却。

• 实施例1

参照附图1~2，母材3采用型号为S31803的双向不锈钢，焊接板材厚度为10毫米。焊丝型号为E2209。

1、使用前先将焊丝表面的油、垢等赃物除去，并烘干。

2、将待焊接部位加工成双U型坡口1，坡口加工时以机械方法加工，坡口角度为10度，并将坡口内外两侧10毫米范围以内的锈、油、垢等污物清理干净，露出金属光泽，坡口毛刺需打磨干净，无裂纹。

3、对口装配并焊接，钝边高度2为2毫米，错边量小于1毫米，焊缝背面采用99.99％高纯氮气进行保护，正面采用高纯氩气进行保护，氮气流量为16升/分钟，氩气流量为12升/分钟。

4、焊接工艺采用多层多道焊，焊丝直径为2~4毫米，焊接电流120~190安培，焊接电压12~24伏特，焊接速度90~130毫米/分钟，层间温度控制在60~100摄氏度，并在每层焊缝焊接完毕后，将焊缝表层进行打磨，每层焊缝表层打磨深度为0.1毫米。焊接层数一般为7层，焊层4焊接顺序按照1~7的顺序逐层焊接，焊接时焊条不作横向摆动，焊接方向一致，保证焊缝金属具有合理的铁素体-奥氏体双相比例。焊层4对称，有助于减小变形。层间温度测量用远红外测温仪焊接。具体工艺参数见表1。

5、焊后进行固溶处理，升温速率为180摄氏度/小时，固溶温度为1000摄氏度，保温时间为30分钟；冷却采用先慢速冷却后快速冷却的方式，从固溶温度到800摄氏度在热处理炉中缓慢冷却，800摄氏度以后在水中快速冷却。

对口点固焊的焊材和焊接工艺与正式焊接时相同。

采用该焊接工艺，所得接头抗拉强度达800兆帕，奥氏体含量51％，铁素体含量49％，接头中无有害相析出。经检验，接头中无气孔、无夹杂、无裂纹等缺陷。满足接头力学性能和耐蚀性要求。

• 实施例2

母材3采用型号为S31803的双向不锈钢，焊接板材厚度为20毫米。焊丝型号为E2209。

1、使用前先将焊丝表面的油、垢等赃物除去，并烘干。

2、将待焊接部位加工成双U型坡口1，坡口加工时以机械方法加工，坡口角度为15度，并将坡口内外两侧15毫米范围以内的锈、油、垢等污物清理干净，露出金属光泽，坡口毛刺需打磨干净，无裂纹。

3、对口装配并焊接，钝边高度2为3毫米，错边量小于1毫米，焊缝背面采用99.99％高纯氮气进行保护，正面采用高纯氩气进行保护，氮气流量为20升/分钟，氩气流量为14升/分钟。

4、焊接工艺采用多层多道焊，焊丝直径为2~4毫米，焊接电流120~190安培，焊接电压12~24伏特，焊接速度90~130毫米/分钟，层间温度控制在60~100摄氏度，并在每层焊缝焊接完毕后，将焊缝表层进行打磨，每层焊缝表层打磨深度为0.3毫米。焊接层数为11层，焊层4焊接顺序按照1~11的顺序逐层焊接，焊接时焊条不作横向摆动，焊接方向一致，保证焊缝金属具有合理的铁素体-奥氏体双相比例。焊层4对称，有助于减小变形。层间温度测量用远红外测温仪焊接工艺参数见表2。

5、焊后进行固溶处理，固溶处理升温速率为220摄氏度/小时，固溶温度为1050摄氏度，保温时间为45分钟；冷却采用先慢速冷却后快速冷却的方式，从固溶温度到800摄氏度在热处理炉中缓慢冷却，800摄氏度以后在水中快速冷却。

对口点固焊的焊材和焊接工艺与正式焊接时相同。

采用该焊接工艺，所得接头抗拉强度达800兆帕，奥氏体含量50％，铁素体含量50％，接头中无有害相析出。经检验，接头中无气孔、无夹杂、无裂纹等缺陷。满足接头力学性能和耐蚀性要求。

• 实施例3

母材3采用型号为S31803的双向不锈钢，焊接板材厚度为30毫米。焊丝型号为E2209。

1、使用前先将焊丝表面的油、垢等赃物除去，并烘干。

2、将待焊接部位加工成双U型坡口1，坡口加工时以机械方法加工，坡口角度为20度，并将坡口内外两侧20毫米范围以内的锈、油、垢等污物清理干净，露出金属光泽，坡口毛刺需打磨干净，无裂纹。

3、对口装配并焊接，钝边高度2为4毫米，错边量小于1毫米，焊缝背面采用99.99％高纯氮气进行保护，正面采用高纯氩气进行保护，氮气流量为22升/分钟，氩气流量为15升/分钟。

4、焊接工艺采用多层多道焊，焊丝直径为2~4毫米，焊接电流120~190安培，焊接电压12~24伏特，焊接速度90~130毫米/分钟，层间温度控制在60~100摄氏度，并在每层焊缝焊接完毕后，将焊缝表层进行打磨，每层焊缝表层打磨深度为0.5毫米。焊接层数为13层，焊层4焊接顺序按照1~13的顺序逐层焊接，焊接时焊条不作横向摆动，焊接方向一致，保证焊缝金属具有合理的铁素体-奥氏体双相比例。焊层4对称，有助于减小变形。层间温度测量用远红外测温仪焊接。具体工艺参数见表3。

5、焊后进行固溶处理，固溶处理升温速率为260摄氏度/小时，固溶温度为1100摄氏度，保温时间为60分钟；冷却采用先慢速冷却后快速冷却的方式，从固溶温度到800摄氏度在热处理炉中缓慢冷却，800摄氏度以后在水中快速冷却。

对口点固焊的焊材和焊接工艺与正式焊接时相同。

采用该焊接工艺，所得接头抗拉强度达800兆帕，奥氏体含量49％，铁素体含量51％，接头中无有害相析出。经检验，接头中无气孔、无夹杂、无裂纹等缺陷。满足接头力学性能和耐蚀性要求。

2021年6月24日，《中厚板双相不锈钢焊接工艺》获得第二十二届中国专利优秀奖。 2100433B

中文名称

低温双相不锈钢

英文名称

low temperature duplex stainless steel

定　　义

基体组织为铁素体-奥氏体、铁素体-马氏体或奥氏体-马氏体双相，性能兼具双相不锈钢优点并具有良好低温韧性的不锈钢。

应用学科

材料科学技术（一级学科），金属材料（二级学科），钢铁材料（三级学科），钢铁材料品种（四级学科）

与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的优势如下：

（1）屈服强度比普通奥氏体不锈钢高一倍多，且具有成型需要的足够的塑韧性。采用双相不锈钢制造储罐或压力容器的壁厚要比常用的奥氏体减少30-50%，有利于降低成本。

（2）具有优异的耐应力腐蚀破裂的能力，即使是含合金量最低的双相不锈钢也有比奥氏体不锈钢更高的耐应力腐蚀破裂的能力，尤其在含氯离子的环境中。应力腐蚀是普通奥氏体不锈钢难以解决的突出问题。

（3）在许多介质中应用最普遍的2205双相不锈钢的耐腐蚀性优于普通的 316L奥氏体不锈钢，而超级双相不锈钢具有极高的耐腐蚀性，再一些介质中，如醋酸，甲酸等甚至可以取代高合金奥氏体不锈钢，乃至耐蚀合金。

（4）具有良好的耐局部腐蚀性能，与合金含量相当的奥氏体不锈钢相比，它的耐磨损腐蚀和疲劳腐蚀性能都优于奥氏体不锈钢。

（5）比奥氏体不锈钢的线膨胀系数低，和碳钢接近，适合与碳钢连接，具有重要的工程意义，如生产复合板或衬里等。

（6）不论在动载或静载条件下，比奥氏体不锈钢具有更高的能量吸收能力，这对结构件应付突发事故如冲撞，爆炸等，双相不锈钢优势明显，有实际应用价值。

与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的弱势如下：

（1）应用的普遍性与多面性不如奥氏体不锈钢，例如其使用温度必须控制在250摄氏度以下。

（2）其塑韧性较奥氏体不锈钢低，冷，热加工工艺和成型性能不如奥氏体不锈钢。

（3）存在中温脆性区，需要严格控制热处理和焊接的工艺制度，以避免有害相的出现，损害性能。

与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的优势如下：

（1）综合力学性能比铁素体不锈钢好，尤其是塑韧性，不象铁素体不锈钢那样对脆性敏感。

（2）除耐应力腐蚀性能外，其他耐局部腐蚀性能都优于铁素体不锈钢。

（3）冷加工工艺性能和冷成型性能远优于铁素体不锈钢。

（4）焊接性能也远优于铁素体不锈钢，一般焊前不需预热，焊后不需热处理。

（5）应用范围较铁素体不锈钢宽。

与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的弱势如下：

合金元素含量高，价格相对高，一般铁素体不含镍。

综上所述，可以概括地看出DSS的使用性能和工艺性能的概貌，它以其优越的力学与耐腐蚀综合性能赢得了使用者的，已成为既节省重量又节省投资的优良的耐蚀工程材料。 2100433B