一种低活化马氏体钢和316L不锈钢异种钢接头的焊接工艺

摘要

本发明提供一种低活化马氏体钢和316L不锈钢异种钢接头的焊接工艺，包括：焊前准备工序，焊接工序及工艺参数，焊接热处理工序。本发明成本低，焊接效率高；工艺稳定性、可靠性好，能够降低线能量，控制焊缝的熔合比，可获得合格的焊接接头；焊缝性能满足高温强度及高温运行工况需要。

说明书

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特别是指一种低活化马氏体钢和316L不锈钢异种钢接头的焊接工艺。

背景技术

低活化马氏体钢是考虑到在聚变反应高能中子辐照之后某些核素会产生长半衰期的放射性核素，采用用W代替合金元素Mo，V和Ta代替合金元素Nb，并降低或限制其它元素如Ni、Cu、Co、Ag、Sn等，以实现低活化要求。国际范围内，包括中国在内的许多国家均开展了低活化马氏体钢的相关研究。目前，低活化马氏体钢已被选为国际热核聚变实验堆(ITER)实验包层模块以及未来商用聚变堆的结构材料。

依据目前ITER实验包层模块系统的设计，与包层模块本体直接连接的氦冷却系统和氚提取系统的管道均选用316L不锈钢作为结构材料。保证低活化马氏体和316L不锈钢异种钢接头在300～500℃的环境温度下能够可靠服役对于ITER实验包层模块系统的稳定运行至关重要。

对于低活化马氏体钢与316L不锈钢异种钢焊接的研究，日本的F82H钢和中国的CLAM(China Low Activation Martensitic)钢均进行了前期探索研究。但已公开的低活化钢与316L不锈钢异种钢接头焊接工艺线能量输入量偏高，容易导致焊接冷裂纹，并使焊接热影响区变宽，降低异种钢接头的服役性能。对异种钢焊接相关专利调研(CN201510121875)发现，采用镍基合金焊丝实现异种钢焊接，存在生产成本高，且会由于填充金属与母材成分差异太大，造成焊缝金属和母材结合部脱碳层的增宽从而导致接头性能下降。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种焊接效率高、焊缝性能满足要求的低活化马氏体钢和316L不锈钢异种钢接头的焊接工艺。

为解决上述技术问题，本发明提供一种低活化马氏体钢和316L不锈钢异种钢接头的焊接工艺，包括：

焊前待焊试板准备工序。焊接工序及工艺参数：打底焊层采用直径0.8～1.2mm的ER309焊丝，电流范围65～90A，电压范围12～14V，焊接速度范围55～70mm/min，焊道正面氩气流量范围4～8L/min；填充焊层采用直径0.8～1.2mm的ER309焊丝，电流范围85～95A，电压范围12～16V，焊接速度范围70～80mm/min，焊道正面氩气流量范围4～6L/min；盖面焊层采用直径0.8～1.2mm的ER309焊丝，电流范围95～105A，电压范围12～16V，焊接速度范围70～80mm/min，焊道正面氩气流量范围4～6L/min。整个焊接过程中，焊道背面氩气流量焊前10～15L/min，焊接时2～6L/min。焊接热处理工序。

其中，焊前待焊试板准备工序坡口形式，V型坡口角度α＝60～65℃，坡口底部间隙2～2.5mm。

其中，焊接热处理工序：

(1)预热及焊后热处理方式：远红外加热测温，数显测温仪和自动温控测量；

(2)氩弧焊打底前低活化马氏体钢预热：200～300℃；层间温度：150～200℃；

(3)焊后热处理：焊缝整体焊接完毕后，冷却至室温后升温至730～760℃，恒温60～90min，升温速度300～400℃/h，空冷降温。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：上述方案，由于采用成熟的ER309不锈钢焊丝代替了镍基合金焊丝因而可以降低成本；实现了焊接线能量输入和焊丝直径的合理匹配，提高了焊接工作效率，同时结合合理的坡口设计，控制了焊缝与母材的熔合比，使焊接接头不会因母材过量熔合而导致性能降低；焊接接头在550℃ 130MPa蠕变实验条件下寿命超过1000h，具有良好的高温服役性能。

次外，本发明成本低，焊接效率高；工艺稳定性、可靠性好，能够降低线能量，控制焊缝的熔合比，可获得合格的焊接接头；焊缝性能满足高温强度及高温运行工况需要。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。

实施例1：

一种CLAM钢和316L不锈钢异种钢接头的焊接工艺，焊前待焊试板准备工序，坡口形式V型坡口角度α＝60℃，坡口底部间隙2mm。焊接工序及工艺参数：打底焊层采用直径0.8mm的ER309焊丝，电流范围65A，电压范围12V，焊接速度范围55mm/min，焊道正面氩气流量范围7L/min；填充焊层采用直径0.8mm的ER309焊丝，电流范围85A，电压范围12V，焊接速度范围70mm/min，焊道正面氩气流量范围6L/min；盖面焊层采用直径0.8mm的ER309焊丝，电流范围95A，电压范围12V，焊接速度范围70mm/min，焊道正面氩气流量范围6L/min。整个焊接过程中，焊道背面氩气流量焊前10L/min，焊接时4L/min。焊接热处理工序，打底焊前CLAM钢预热：250℃；整体焊接完毕后，冷却至室温后升温至740℃，恒温90min，升温速度300℃/h，空冷降温。

具体操作规范要点如下：

(1)由于CLAM钢合金含量高，熔融金属流动性差，根部焊缝容易氧化，所以当背面氩气稳定后才能施焊；

(2)由于CLAM钢合金含量高，熔融金属流动性差易造成根部未熔，打底时均匀送丝，避免产生根部焊缝未熔焊丝头；填满弧坑后，移向坡口边沿收弧，避免产生弧坑裂纹；

(3)盖面第一道要减小焊接电流，防止根层焊缝由于焊接电流过大被击穿，同时防止产生层间未熔合；

(4)采用薄焊道、多层焊减小焊缝的热输入量，抑制焊缝晶粒过热，提供焊缝的机械性能；

(5)层道间要仔细清理，合理的用机械方法清理，有效防止产生缺陷。

焊接热处理工序

(1)预热及焊后热处理方式：远红外加热测温，数显测温仪和自动温控测量；

(2)氩弧焊打底前CLAM钢预热：250℃；层间温度：200℃；

(3)焊后热处理：焊缝整体焊接完毕后，冷却至室温后升温至740℃，恒温90min，升温速度400℃/h，空冷降温。

具体操作规范要点如下：

(1)避免冷裂纹产生

CLAM钢和316L不锈钢的异种钢焊接对冷裂纹敏感性大。其主要原因是CLAM钢的合金含量高，淬硬倾向大，在氢和拘束应力的作用下易产生冷裂纹。对于CLAM钢和316L不锈钢异种钢进行焊接时，避免冷裂纹产生的主要措施是：a焊前严格清理焊丝及焊件表面的油、锈，减少焊缝中氢的来源；b采用合理的焊接线能量、加热规范，降低焊接接头的残余应力；c增加焊缝组织的稳定性；d促使焊缝中氢的氢的逸出，改善焊接接头的塑性和韧性。

(2)选择合理的焊接线能量

增加焊接线能量可以使焊缝在冷却过程中从800℃降至500℃的冷却时间延长，有利于减缓组织应力和焊缝中氢的逸出，减少焊缝的裂纹倾向，但线能量过大会使热影响区增宽，使1100℃以上停留时间过长，且容易造成CLAM钢侧焊缝熔合线附近产生脱碳层、焊缝晶粒粗大，对焊接接头的塑性和韧性不利。采用小线能量焊接，由于冷却快，过热区易产生粗大的马氏体组织，导致该区的塑性、韧性下降，在扩散氢和焊接应力的作用下易产生冷裂纹，但通过焊前预热、控制合理的层间温度可避免这些缺陷的产生。所以在施焊中采用小线能量输入。

(3)选择合理的焊接热规范

由于CLAM钢具有淬硬倾向，同时热影响区随着热输入量的增大而明显劣化。焊前采取合适的预热温度、焊接时保持一定的层间温度，适当降低焊缝和热影响区的冷却速度，减少焊接接头的淬硬倾向，并促使扩散氢逸出焊接区，有效地预防冷裂纹的产生。预热温度、层间温度过低起不到应有的效果，过高则不仅不利于焊接，而且易造成焊缝、热影响区的晶粒粗大，使焊接接头性能恶化。因此，氩弧焊打底前CLAM钢预热：200～300℃；层间温度：150～200℃。

(4)选择合理的焊后热处理规范

CLAM钢和316L不锈钢的焊接，既要能对CLAM钢侧热影响区进行足够的回火，又不会造成316L不锈钢侧的热时效脆化，同时又能够对焊缝进行有效的热处理。另外，由于CLAM钢和填充材料ER 309的化学成分相差极大，焊后热处理在消除焊接接头焊接应力，改善焊接接头的塑性和韧性的同时可能会使CLAM钢侧的熔合线附近的碳元素向焊缝金属过渡，使靠近CLAM钢侧的焊缝发生脱碳软化。因此，焊后热处理工序：焊缝整体焊接完毕后，冷却至室温后升温至730～760℃，恒温60～90min，升温速度300～400℃/h，空冷降温。

经以上工艺处理的焊接接头外观检查、射线、超声波探伤结果均合格；

本实施例中CLAM钢和316L不锈钢对接接头的服役性能

注：拉伸试样均断裂于316L不锈钢母材侧。

实施例2：

一种CLAM钢和316L不锈钢异种钢接头的焊接工艺，焊前待焊试板准备工序，坡口形式V型坡口角度α＝65℃，坡口底部间隙2mm。焊接工序及工艺参数：打底焊层采用直径1.0mm的ER309焊丝，电流范围75A，电压范围13V，焊接速度范围65mm/min，焊道正面氩气流量范围7L/min；填充焊层采用直径1.0mm的ER309焊丝，电流范围90A，电压范围14V，焊接速度范围70mm/min，焊道正面氩气流量范围6L/min；盖面焊层采用直径1.0mm的ER309焊丝，电流范围100A，电压范围15V，焊接速度范围80mm/min，焊道正面氩气流量范围6L/min。整个焊接过程中，焊道背面氩气流量焊前10L/min，焊接时4L/min。焊接热处理工序，打底焊前CLAM钢预热：250℃；整体焊接完毕后，冷却至室温后升温至740℃，恒温90min，升温速度300℃/h，空冷降温。

经以上工艺处理的焊接接头外观检查、射线、超声波探伤结果均合格；

本实施例中CLAM钢和316L不锈钢对接接头的服役性能

注：拉伸试样均断裂于316L不锈钢母材侧。

实施例3：

一种CLAM钢和316L不锈钢异种钢接头的焊接工艺，焊前待焊试板准备工序，坡口形式V型坡口角度α＝65℃，坡口底部间隙2mm。焊接工序及工艺参数：打底焊层采用直径1.2mm的ER309焊丝，电流范围85A，电压范围13V，焊接速度范围70mm/min，焊道正面氩气流量范围7L/min；填充焊层采用直径1.2mm的ER309焊丝，电流范围90A，电压范围14V，焊接速度范围70mm/min，焊道正面氩气流量范围6L/min；盖面焊层采用直径1.2mm的ER309焊丝，电流范围105A，电压范围15V，焊接速度范围80mm/min，焊道正面氩气流量范围6L/min。整个焊接过程中，焊道背面氩气流量焊前10L/min，焊接时4L/min。焊接热处理工序，打底焊前CLAM钢预热：250℃；整体焊接完毕后，冷却至室温后升温至740℃，恒温90min，升温速度300℃/h，空冷降温。

经以上工艺处理的焊接接头外观检查、射线、超声波探伤结果均合格；

本实施例中CLAM钢和316L不锈钢对接接头的服役性能

注：拉伸试样均断裂于316L不锈钢母材侧。

实施例4：

一种CLAM钢和316L不锈钢异种钢接头的焊接工艺，焊前待焊试板准备工序，坡口形式V型坡口角度α＝65℃，坡口底部间隙2mm。焊接工序及工艺参数：打底焊层采用直径1.2mm的ER309焊丝，电流范围90A，电压范围14V，焊接速度范围70mm/min，焊道正面氩气流量范围7L/min；填充焊层采用直径1.2mm的ER309焊丝，电流范围95A，电压范围16V，焊接速度范围70mm/min，焊道正面氩气流量范围6L/min；盖面焊层采用直径1.2mm的ER309焊丝，电流范围105A，电压范围16V，焊接速度范围80mm/min，焊道正面氩气流量范围6L/min。整个焊接过程中，焊道背面氩气流量焊前10L/min，焊接时4L/min。焊接热处理工序，打底焊前CLAM钢预热：250℃；整体焊接完毕后，冷却至室温后升温至740℃，恒温90min，升温速度300℃/h，空冷降温。

经以上工艺处理的焊接接头外观检查、射线、超声波探伤结果均合格；

本实施例中CLAM钢和316L不锈钢对接接头的服役性能

注：拉伸试样均断裂于316L不锈钢母材侧。