一种不锈钢与耐候钢的异钢种焊接工艺及其应用

摘要

一种不锈钢与耐候钢的异钢种焊接工艺及其应用，其中，不锈钢为022Cr17Ni12Mo2，耐候钢为09CuPCrNi-A，采用药芯焊丝CO

说明书

技术领域

本发明涉及一种钢材焊接方法，具体涉及一种不锈钢与耐候钢的异钢种焊接工艺及其应用，属于焊接技术领域。

背景技术

柴油机作为船舶主要动力系统之一，具有经济性好、功率范围宽、机动性好、可靠性高等优点，但与此同时船舶柴油机排气对大气环境的污染也日益严重。目前普遍采用选择性催化还原(SCR：SCR:SelectiveCatalyticReduction)技术，进行尾气后处理，以减少NOx的排放值。为了减少船舶柴油机运行对大气的污染，国际海事组织IMO要求2016年1月1日起实施TierⅢ级的NOx排放标准。这意味着越来越多的船舶需要安装SCR反应器尾气后处理装置的柴油机，降低NOx的排放值，才能在国际规定的区域内行驶。

SCR反应器的材料及管路必须适应的环境是介质氨液、氨气以及遇废气中的硫、水蒸气在低温的情况下产生的硫酸氢氨/硫酸盐等强腐蚀介质，环境温度为300-400℃，压力4bar左右。目前绝大多数SCR反应器的壳体材料选用低合金结构钢Q345(16MnR)进行制造。然而由于反应器内温度较高，锰钢在高于425℃的温度下长期使用时，钢中碳化物相会产生石墨化倾向，并且在高温下钢材的强度折减较多。此外，由于烟气中含有SO₂介质，在露点温度冷凝后，会对反应器壳体产生腐蚀性，而16MnR的耐腐蚀性较差。另外，为了防止裂纹，一般在焊接Q345钢制作的SCR容器之前，需要将工件进行整体或局部预热，这导致了资源的浪费和工人劳动条件的恶化。毋庸置疑，不锈钢(如316L)具有较好的耐热性和耐酸性，但是倘若SCR反应器壳体整体采用不锈钢制作,其成本会上升7-8倍。因此，有必要合理的选择适合SCR反应器壳体的制造材料及其相应的焊接工艺方法。

经研究发现，耐候钢09CuPCrNi-A是在低碳钢的基础上通过加入能提高耐大气腐蚀性能的合金元素热轧而成，其组织为块状和条状的铁素体加少量的珠光体，含碳量较低，塑性和韧性较高，焊接性能好，具有较好的耐腐蚀性能；不锈钢022Cr17Ni12Mo2主要含有Cr、Ni、Mo等元素，具有良好的耐热耐腐蚀性。因此，在SCR反应器管路与储存有尿素的容器之间的材料连接，可以用耐候钢09CuPCrNi-A及不锈钢022Cr17Ni12Mo2的连接替代低合金结构钢Q345和不锈钢316L的连接作为SCR反应器的制造材料，从而取得既满足耐热耐腐蚀性好、强度高和焊接工艺性好的要求，又降低成本的效果。

查阅相关资料，目前尚未有耐候钢09CuPCrNi-A(Q355GNH)与不锈钢022Cr17Ni12Mo2异钢种焊接的成熟的工艺方法及其在制作SCR反应器方面的成功经验。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有船舶柴油机SCR反应器制造用材的不足，解决SCR反应器的制造焊接工艺问题，提供一种不锈钢与耐候钢的异钢种焊接工艺及其应用，采用药芯焊丝CO₂气体保护半自动焊接方式，达到接头力学性能优良、熔渣保护、耐候性良好同时焊接效率较高的效果，具有工艺简单、实用性强的优点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种不锈钢与耐候钢的异钢种焊接工艺，所述不锈钢为022Cr17Ni12Mo2，所述耐候钢为09CuPCrNi-A，其特征在于：所述的异钢种焊接工艺采用药芯焊丝CO₂气体保护半自动焊接方法，包括：

1)焊接材料选用GFS-316L药芯焊丝，直径为1.2mm，化学成分符合标准AWSA5.22E316LT1-1；

2)焊接接头形式采用对接，接缝形式为V形坡口，该坡口角度为60°，根部间隙为1-2mm；

3)焊缝采用多层焊接，层与层之间温度不超过150℃。

对接接头的焊接顺序为：

a.将机械加工后的坡口两侧各20mm进行打磨，使之露出金属光泽；

b.进行定位焊接，坡口间隙控制在1-2mm；

c.采用与定位焊相同的参数进行打底层焊接；

d.进行填充层焊接；

e.进行.反面请根，并进行盖面1焊接；

f.进行盖面2焊接；

g.采用石棉毡进行保温缓冷。

所述的异钢种焊接工艺在各工序焊接中的参数如下：

定位焊缝：保护气体流量15-20L/min，焊接电流120-130A，焊接电压21-22V，焊接速度25-35cm/min，反接，摆幅为1.0-3.0mm，热输入量8.0-10.0KJ/cm；

打底层焊缝：保护气体流量15-20L/min，焊接电流120-130A，焊接电压21-22V，焊接速度25-35cm/min，反接，摆幅为1.0-3.0mm，热输入量8.0-10.0KJ/cm；

填充层焊缝：保护气体流量15-20L/min，焊接电流130-150A，焊接电压24-25V，焊接速度25-35cm/min，反接，摆幅为4.0-5.0mm，热输入量9.0-11.0KJ/cm；

盖面1焊缝：保护气体流量15-20L/min，焊接电流150-170A，焊接电压23-25V，焊接速度25-35cm/min，反接，摆幅为5.0-6.0mm，热输入量12-14KJ/cm；

盖面2焊缝：保护气体流量15-20L/min，焊接电流160-180A，焊接电压23-25V，焊接速度22-23cm/min，反接，摆幅为6.0-8.0mm，热输入量17-19KJ/cm。

所述的不锈钢与耐候钢的异钢种焊接工艺在船舶柴油机SCR反应器制造上的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下益处：

1)本发明合理地选择焊接材料，使形成的焊缝金属同时含有镍、铬、铜等起耐腐蚀性作用的元素，保证了焊缝金属的耐腐蚀性等同于母材金属，耐候钢09CuPCrNi-A与不锈钢022Cr17Ni12Mo2异钢种材料焊接接头的组织均匀细小，主要为奥氏体组织，提高了异种钢焊接接头的强韧性、耐腐蚀性等。

2)本发明采用药芯焊丝气体保护焊接，既具有熔渣保护特点又具有半自动焊接优点，熔敷效率高，大大的提高了生产效率。

3)本发明采用了多层焊接，充分利用前层焊缝对后层焊缝的预热，后层焊缝对前层焊缝的热处理作用，从而改变了焊接接头的组织及应力分布，简化了焊接工艺，减轻了工人的劳动强度。

4)所获得的异种材料焊接接头的综合力学性能及组织性能优良，达到了船舶柴油机SCR反应器的要求，对于推动SCR反应器的发展具有重要意义。

附图说明

图1是本发明中09CuPCrNi-A与022Cr17Ni12Mo2异种材料焊接工艺V型坡口的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述

本发明涉及的耐候钢09CuPCrNi-A及不锈钢022Cr17Ni12Mo2的化学成分列于表1、2，力学性能列于表3、4。09CuPCrNi-A耐候钢板生产要求符合标准《GB/T4171-2008耐候结构钢》。

表109CuPCrNi-A钢板的化学成分

表209CuPCrNi-A钢板的力学性能

表3022Cr17Ni12Mo2钢板的化学成分

表4022Cr17Ni12Mo2钢板的力学性能

采用FCAW焊接方法焊接板厚为12mm的09CuPCrNi-A与022Cr17Ni12Mo2异种钢，试板尺寸为300mmX150mmX12mm，焊接材料选择京雷焊材GFS-316L，符合标准AWSA5.22E316LT1-1，焊接设备选用KRII500焊机，焊接顺序：预组装(一端间隙1mm,另一端间隙为1.5mm)、定位焊接、打底层焊接、填充层焊接、背面清根、盖面1焊接、盖面2焊接，如图1所示。焊接参数如下表：

表509CuPCrNi-A与022Cr17Ni12Mo2焊接参数

表6焊接工艺评定表

采用本发明设计的异种钢焊接的工艺和焊接方法，进行09CuPCrNi-A与022Cr17Ni12Mo2焊接的实施效果如表6所示。经外观检查，确认外部质量均符合ENISO5817-2003《钢镍钛及其合金的熔化焊-缺欠评定》标准的检测与评定要求。对焊缝全长进行超声波探伤检验，确认内部质量均达到JB/T4730.3-2005的要求；接头拉伸的性能：抗拉强度为520/535MPa,且断裂于09CuPCrNi-A母材，并且远离于焊缝热影响区；宏观金相显示全熔透，微观金相显示无裂纹，符合验收标准GLII-3-2/GLII-3-3；接头的冷弯性能：侧弯α＝180°，拉伸面上焊缝和热影响区，任何方向上未见有开口缺陷；接头的冲击性能(20℃)：09CuPCrNi-A热影响区Ak≥20J；接头的最高硬度：HV10≤350，符合GLII-3-3标准。

采用上述所提出的异种钢焊接工艺方案，能够得到合格的异种钢焊接接头，并且其焊接接头力学性能满足SCR反应器技术要求。该技术方案可以实际应用于SCR反应器中的耐候钢与不锈钢钢部位的焊接。