TP347H奥氏体不锈钢厚壁管的焊接方法

摘要

本发明的焊接方法包括以下步骤：步骤一、制备TP347H奥氏体不锈钢坡口，坡口为V字形坡口，坡口角度为60°～70°，间隙为2～2.5mm，钝边0.5～1mm；步骤二、用除油剂除去坡口两侧20～40mm范围内的油、污、氧化皮杂质，并用丙酮对坡口表面及焊丝进行清洗；步骤三、使用焊丝对坡口焊接处依次进行第一层焊接、第二层焊接和第三层焊接工序；其中，焊丝由不锈钢外皮和药芯组成，药芯由以下原料组成：氧化镁，氧化钇，氟硅酸钠，氟化钙，碳酸钙，三氧化二铝，氮化铬铁，铌铁，电解锰，金属镍，氧化铈，氧化镧，氟锆酸钙，金属钒，铁粉。本发明焊接方法，具有焊接过程中不需要通入氩气保护、工艺操作简单、得到的焊缝金属具有优良的机械性能和力学性能的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种不锈钢的焊接方法，更具体地说涉及一种TP347H奥氏体不锈钢的焊接方法。

背景技术

TP347H奥氏体不锈钢有着较高的力学性能及耐腐蚀性能储备，但因其在焊接及焊后稳定化热处理过程中表现的较高裂纹倾向，使得其在工程实际中的推广应用受到很大的阻碍，尤其对于厚壁管道的应用影响更为显著。

目前国内TP347奥氏体不锈钢，焊接时必须进行背面充氩保护，以防止焊缝根部合金组织氧化烧损。管内充氩保护质量直接影响焊接质量，对过烧缺陷消除起关键作用。这要求氩气气体纯度达到99.99％以上，并且要建造一个储气室，方法是在焊口两端管子内塞可溶纸，位置距离两端管子焊口约各100mm，在焊口间隙粘贴耐热胶布，保证焊口无缝隙，把耐热胶布撕开一小口将自制的铜管塞进焊口中间，保证气室内的空气被充分置换。充氩约3分钟左右，气室内有氩气气体溢出，然后进行焊接，焊缝处的耐热胶布逐渐扯开，到封口时拔出铜管快速焊接，以最大可能避免根部氧化缺陷的产生。

采用此种焊接方法施工工序较为复杂，焊前准备工作较多，施工较为不便，对于某些固定口，安置可溶纸较为不易，难以按此方法施工，质量不易保证。

为了改变目前的这种现状，降低施工成本，急需一种经济、高效、安全的TP347H奥氏体不锈钢焊接技术。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种TP347H奥氏体不锈钢的焊接方法，其具有焊接过程中不需要通入氩气保护工艺操作简单、电弧稳定燃烧、焊缝成型美观、焊缝成形好、易脱渣和熔敷效率高，得到的焊缝金属具有优良的机械性能和力学性能的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种TP347H奥氏体不锈钢的焊接方法，包括以下步骤：

步骤一、制备TP347H奥氏体不锈钢坡口，坡口为V字形坡口，坡口角度为60°～70°，间隙为2～2.5mm，钝边0.5～1mm；

步骤二、用除油剂除去坡口两侧20～40mm范围内的油、污、氧化皮杂质，并用丙酮对坡口表面及焊丝进行清洗；

步骤三、使用焊丝对坡口焊接处依次进行第一层焊接、第二层焊接和第三层焊接工序；

其中，所述焊丝由不锈钢外皮和药芯组成，所述药芯由以下重量百分比的原料组成：

氧化镁：1～5％，

氧化钇：1～2％，

氟硅酸钠：5～10％，

氟化钙：2～12％，

碳酸钙：20～25％，

三氧化二铝：6～10％，

氮化铬铁：4～10％，

铌铁：1～4％，

电解锰：2～6％，

金属镍：3～8％，

氧化铈：1～5％，

氧化镧：1～1.5％，

氟锆酸钙：1～1.5％，

金属钒：0.1～0.5％，

余量铁粉。

优选的是，所述碳酸钙、三氧化二铝为80～90目，氟硅酸钠、氟化钙为90～100目，氧化镁、氧化钇为70～80目。

优选的是，所述焊丝的制备方法包括以下步骤：

步骤a、按上述重量比称取药芯中各组分的质量，并将其分成第一组、第二组、第三组，其中第一组包括：碳酸钙、三氧化二铝、电解锰、金属镍、金属钒、铁粉；第二组包括：氟硅酸钠、氟化钙、氧化铈、氮化铬铁、铌铁；第三组包括氧化镁、氧化钇、氧化镧、氟锆酸钙；

步骤b、将步骤a中第一组原料置于搅拌机中进行第一次搅拌，搅拌速率为300～500r/min，搅拌时间为4～6h；然后加入第二组原料进行第二次搅拌，搅拌速率为600～800r/min，搅拌时间为8～12h；最后加入第三组原料进行第三次搅拌，搅拌速率为1000～1200r/min，搅拌时间为10～20h，制备得到第四组混合物；

步骤c、将步骤b得到的第四组混合物置于加热炉中依次进行四阶段烧结，然后研磨，得到药芯粉末；第一阶段先由室温升温至80℃，升温速率为5℃/h，然后由80℃升温至160℃，升温速率为10℃/h，最后由160℃升温至200℃，升温速率为6℃/h，在200℃下保持2～4h；第二阶段以10℃/h的升温速率由200℃升温至400℃；第三阶段以15℃/h升温速率由400℃升温至600℃，然后以8℃/h降温速率由600℃降温至400℃，循环10～20次，最后在400℃下保持1～2h；第四阶段由400℃冷却至室温，冷却速率为8℃/h；

步骤d、将不锈钢外皮放置在药芯焊丝成型机上，不锈钢外皮经碱洗、温水清洗、烘干处理后进行轧U型槽，然后向U型槽中填充步骤c中得到的药芯粉末，再通过成型机将U型槽辗压闭合，并拉拔制得药芯焊丝。

优选的是，所述第一层焊接的工艺参数为：焊接电压为12～15V，焊接电流为80～85A，焊接速度为40～50mm/min；所述第二层焊接的工艺参数为：焊接电压为12～15V，焊接电流为90～95A，焊接速度为60～70mm/min；所述第三层焊接的工艺参数为：焊接电压为12～15V，焊接电流为80～85A，焊接速度为70～80mm/min。

优选的是，所述第一层焊接的焊缝厚度为2～2.5mm，所述第二层焊接的焊缝厚度为1.5～2mm，所述第三层焊接的焊缝厚度为1.5～2mm。

优选的是，所述第一层焊接、第二层焊接和第三层焊接，每一层焊接层间温度均小于150℃，进行下一步焊接之前均清理焊缝表面的熔渣。

优选的是，所述除油剂由以下重量份的原料组成：10～16份的磷酸钠、10～12份的碳酸钠、1～2份的OP-10、20～30份的硅酸钠。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明的焊接方法在焊接时保护药皮会渗透到熔池背面，形成一层致密的保护层，使背面不受氧化，冷却后这层渣壳会自动脱落，因此在焊接过程中不需要通入氩气保护，法避免了氩气保护效果不稳定的弊端，提升了焊接质量的稳定性。由于减少了内充氩的工作量，施工进度得到了有效提升，降低了施工难度，给现场安装和维修带来了方便。

2、本发明采用的药芯，每个组分的作用如下：

氧化钇：焊接时可以细化焊缝晶粒，烧结时细化晶粒有利于烧结，时同时钇作为稀土元素可以焊缝金属的高温组织稳定性，净化焊缝，强化晶界。

氟硅酸钠、氟化钙、氟锆酸钙：三种在焊接时可以出去可以除去焊缝接头表面的氧化物。同时在给定焊接电流下降低了电弧能量和焊丝燃烧速度，使操作者可以更好地控制熔池，有利于提高焊缝金属的质量和力学性能。

氮化铬铁、电解锰、金属镍、铌铁：用于在焊接时向焊芯中渗透合金元素，其中铬元素能增强堆焊层金属强度和耐腐蚀性能。锰有一定的脱氧作用作用，可净化焊缝，增加强度。镍元素可以阻止耐热钢侧的碳向焊缝迁移，同时可以抑制高温粗大铁素体形成，细化组织，从而提高熔敷金属的强度和冲击韧性。铌元素可作为熔池金属非均匀形核的核心，细化晶粒，提高强度和硬度。

氧化镧、氧化铈：镧、铈作为稀土元素，在焊缝金属中起到净化杂质，微合金化作用，加入后会富集在硅酸盐夹杂物中，使夹杂物球化，呈弥散分布，使焊缝组织得到细化。同时氧化镧在烧结时可以细化三氧化二铝的晶粒，有利于烧结成型，烧结更致密结晶度好。

氧化镁、三氧化二铝：作为造渣材料，氧化镁可以调整熔渣的碱度，提高熔敷金属的韧性、降低焊缝扩散氢含量。三氧化二铝能调整熔渣的黏度，使焊缝成形美观。同时氧化镁和氧化钇结合使用，在焊接时可以细化焊缝晶粒，烧结时细化晶粒有利于烧结。

金属钒：作为稀土元素可以改变焊接时焊缝金属的流动性，净化焊缝，同时具有吸氢和脱氧能力降低焊缝金属的扩散氧含量，提高了焊缝金属的力学性能。另一方面金属钒可以细化焊缝晶粒，强化晶界，有利于焊缝金属的高温稳定性。

碳酸钙：具有造气的作用，焊接时产生二氧化碳气体，对熔池保护。

3、在制备焊丝时，将药芯中碳酸钙、三氧化二铝，氟硅酸钠、氟化钙，氧化镁、氧化钇分别设置为不同目数的大小，在混合时粗颗粒物料的间隙恰好由中颗粒物料的间隙填充，中颗粒金红石的空隙恰好由细颗粒填充，使得在原料在混合时更均匀更致密。同时在烧结时采用分步烧结：前期缓慢升温用尽可能除去原料中的水分，中期采用快速升温再向下降温循环多次，使得药芯经过多次结晶，成型充分致密度好，使得最终制备得到的焊丝，在焊接时保护药皮会渗透到熔池背面，形成一层致密的保护层，使背面不受氧化，冷却后这层渣壳会自动脱落，而且这种药芯焊丝焊接时操作性能好与传统药芯焊丝相比，其抗裂性得到了明显的改善。

4、本发明采用对药芯物料分组混合再烧结工艺，制备得到的药芯焊丝在焊接时操作性能好、电弧稳定燃烧、焊缝成型美观、飞溅少、飞溅小、焊缝成形好、易脱渣和熔敷效率高，焊缝金属优良的机械性能和力学性能。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

实施例1

一种TP347H奥氏体不锈钢的焊接方法，包括以下步骤：

步骤一、制备TP347H奥氏体不锈钢坡口，坡口为V字形坡口，坡口角度为60°，间隙为2mm，钝边0.5mm；间隙太小容易造成未焊透，间隙太大填充金属量大，焊接速度相对减慢，温度升高，容易导致背面过热，影响焊接质量。

步骤二、采用除油剂在40℃温度下除去坡口两侧20mm范围内的油、污、氧化皮杂质，并用丙酮对坡口表面及焊丝进行清洗；除油剂由以下重量份的原料组成：磷酸钠10份、碳酸钠10份、OP-10 1份、硅酸钠20份。

步骤三、使用焊丝对坡口焊接处依次进行第一层焊接、第二层焊接和第三层焊接工序；第一层焊接的工艺参数为：焊接电压为12V，焊接电流为80A，焊接速度为40mm/min，第一层焊接的焊缝厚度为2mm；第二层焊接的工艺参数为：焊接电压为15V，焊接电流为95A，焊接速度为70mm/min，第二层焊接的焊缝厚度为1.5mm；第三层焊接的工艺参数为：焊接电压为13V，焊接电流为85A，焊接速度为75mm/min，第三层焊缝厚度为2mm。第一层焊接、第二层焊接和第三层焊接，每一层焊接层间温度均小于150℃，进行下一步焊接之前均清理焊缝表面的熔渣。焊接电流是影响焊接质量的关键因素之一，电流过小，缺少足够的焊接线能量，不能使坡口两侧母材充分熔化，形成未焊透；电流过大，焊接热量过大，熔池温度过高容易产生金属组织过烧。采用多层焊接，第一层焊层不宜太厚也不宜太薄，太薄则容易将焊缝烧穿，太厚则热输入量增加，熔池温度过高，也会造成根部金属组织过热，因此第一层焊层厚度宜控制在2～2.5mm之间，其他层应控制在1.5～2mm之间，以降低焊缝的热输入量，降低熔池温度。

上述焊丝由不锈钢外皮和药芯组成，药芯由以下重量百分比的原料组成：

氧化镁：1％，

氧化钇：1％，

氟硅酸钠：1％，

氟化钙：2％，

碳酸钙：20％，

三氧化二铝：6％，

氮化铬铁：4％，

铌铁：1％，

电解锰：2％，

金属镍：3％，

氧化铈：1％，

氧化镧：1％，

氟锆酸钙：1％，

金属钒：0.1％，

余量铁粉。

其中，碳酸钙、三氧化二铝为80目，氟硅酸钠、氟化钙为90目，氧化镁、氧化钇为70目。

上述焊丝的制备方法包括以下步骤：

步骤a、按上述重量比称取药芯中各组分的质量，并将其分成第一组、第二组、第三组，其中第一组包括：碳酸钙、三氧化二铝、电解锰、金属镍、金属钒、铁粉；第二组包括：氟硅酸钠、氟化钙、氧化铈、氮化铬铁、铌铁；第三组包括氧化镁、氧化钇、氧化镧、氟锆酸钙；

步骤b、将步骤a中第一组原料置于搅拌机中进行第一次搅拌，搅拌速率为300r/min，搅拌时间为4h；然后加入第二组原料进行第二次搅拌，搅拌速率为600r/min，搅拌时间为8h；最后加入第三组原料进行第三次搅拌，搅拌速率为1000r/min，搅拌时间为10h，制备得到第四组混合物；

步骤c、将步骤b得到的第四组混合物置于加热炉中依次进行四阶段烧结，然后研磨，得到药芯粉末；第一阶段先由室温升温至80℃，升温速率为5℃/h，然后由80℃升温至160℃，升温速率为10℃/h，最后由160℃升温至200℃，升温速率为6℃/h，在200℃下保持2h；第二阶段以10℃/h的升温速率由200℃升温至400℃；第三阶段以15℃/h升温速率由400℃升温至600℃，然后以8℃/h降温速率由600℃降温至400℃，循环10次，最后在400℃下保持1h；第四阶段由400℃冷却至室温，冷却速率为8℃/h；

步骤d、将不锈钢外皮放置在药芯焊丝成型机上，不锈钢外皮经碱洗、温水清洗、烘干处理后进行轧U型槽，然后向U型槽中填充步骤c中得到的药芯粉末，再通过成型机将U型槽辗压闭合，并拉拔制得药芯焊丝。

在制备焊丝时，将药芯中碳酸钙、三氧化二铝，氟硅酸钠、氟化钙，氧化镁、氧化钇分别设置为不同目数的大小，在混合时粗颗粒物料的间隙恰好由中颗粒物料的间隙填充，中颗粒金红石的空隙恰好由细颗粒填充，使得在原料在混合时更均匀更致密。同时在烧结时采用分步烧结：前期缓慢升温用尽可能除去原料中的水分，中期采用快速升温再向下降温循环多次，使得药芯经过多次结晶，成型充分致密度好，使得最终制备得到的焊丝，在焊接时保护药皮会渗透到熔池背面，形成一层致密的保护层，使背面不受氧化，冷却后这层渣壳会自动脱落，而且这种药芯焊丝焊接时操作性能好、飞溅小、脱渣好，冲击韧性优良，与传统药芯焊丝相比，其抗裂性得到了明显的改善。

实施例2

一种TP347H奥氏体不锈钢的焊接方法，包括以下步骤：

步骤一、制备TP347H奥氏体不锈钢坡口，坡口为V字形坡口，坡口角度为70°，间隙为2.5mm，钝边1mm；

步骤二、采用除油剂在40℃温度下除去坡口两侧20mm范围内的油、污、氧化皮杂质，并用丙酮对坡口表面及焊丝进行清洗；除油剂由以下重量份的原料组成：磷酸钠16份、碳酸钠12份、OP-10 2份、硅酸钠30份。

步骤三、使用焊丝对坡口焊接处依次进行第一层焊接、第二层焊接和第三层焊接工序；第一层焊接的工艺参数为：焊接电压为15V，焊接电流为83A，焊接速度为45mm/min，第一层焊接的焊缝厚度为2mm；第二层焊接的工艺参数为：焊接电压为13V，焊接电流为92A，焊接速度为65mm/min，第二层焊接的焊缝厚度为1.5mm；第三层焊接的工艺参数为：焊接电压为15V，焊接电流为82A，焊接速度为80mm/min，第三层焊缝厚度为1.5mm。第一层焊接、第二层焊接和第三层焊接，每一层焊接层间温度均小于150℃，进行下一步焊接之前均清理焊缝表面的熔渣。

上述焊丝由不锈钢外皮和药芯组成，药芯由以下重量百分比的原料组成：

氧化镁：5％，

氧化钇：1.5％，

氟硅酸钠：7％，

氟化钙：8％，

碳酸钙：20％，

三氧化二铝：10％，

氮化铬铁：4％，

铌铁：4％，

电解锰：6％，

金属镍：8％，

氧化铈：5％，

氟锆酸钙：1.5％，

氧化镧：1.5％

金属钒：0.5％，

余量铁粉。

其中，碳酸钙、三氧化二铝为90目，氟硅酸钠、氟化钙为100目，氧化镁、氧化钇为80目。

上述焊丝的制备方法包括以下步骤：

步骤a、按上述重量比称取药芯中各组分的质量，并将其分成第一组、第二组、第三组，其中第一组包括：碳酸钙、三氧化二铝、电解锰、金属镍、金属钒、铁粉；第二组包括：氟硅酸钠、氟化钙、氧化铈、氮化铬铁、铌铁；第三组包括氧化镁、氧化钇、氧化镧、氟锆酸钙；

步骤b、将步骤a中第一组原料置于搅拌机中进行第一次搅拌，搅拌速率为500r/min，搅拌时间为6h；然后加入第二组原料进行第二次搅拌，搅拌速率为800r/min，搅拌时间为12h；最后加入第三组原料进行第三次搅拌，搅拌速率为1200r/min，搅拌时间为15h，制备得到第四组混合物；

步骤c、将步骤b得到的第四组混合物置于加热炉中依次进行四阶段烧结，然后研磨，得到药芯粉末；第一阶段先由室温升温至80℃，升温速率为5℃/h，然后由80℃升温至160℃，升温速率为10℃/h，最后由160℃升温至200℃，升温速率为6℃/h，在200℃下保持2h；第二阶段以10℃/h的升温速率由200℃升温至400℃；第三阶段以15℃/h升温速率由400℃升温至600℃，然后以8℃/h降温速率由600℃降温至400℃，循环15次，最后在400℃下保持2h；第四阶段由400℃冷却至室温，冷却速率为8℃/h；

步骤d、将不锈钢外皮放置在药芯焊丝成型机上，不锈钢外皮经碱洗、温水清洗、烘干处理后进行轧U型槽，然后向U型槽中填充步骤c中得到的药芯粉末，再通过成型机将U型槽辗压闭合，并拉拔制得药芯焊丝。

实施例3

一种TP347H奥氏体不锈钢的焊接方法，包括以下步骤：

步骤一、制备TP347H奥氏体不锈钢坡口，坡口为V字形坡口，坡口角度为65°，间隙为2.25mm，钝边0.8mm；

步骤二、采用除油剂在40℃温度下除去坡口两侧30mm范围内的油、污、氧化皮杂质，并用丙酮对坡口表面及焊丝进行清洗；除油剂由以下重量份的原料组成：磷酸钠13份、碳酸钠11份、OP-10 1.5份、硅酸钠25份。

步骤三、使用焊丝对坡口焊接处依次进行第一层焊接、第二层焊接和第三层焊接工序；第一层焊接的工艺参数为：焊接电压为13V，焊接电流为80A，焊接速度为50mm/min，第一层焊接的焊缝厚度为2.25mm；第二层焊接的工艺参数为：焊接电压为15V，焊接电流为95A，焊接速度为60mm/min，第二层焊接的焊缝厚度为1.7mm；第三层焊接的工艺参数为：焊接电压为15V，焊接电流为85A，焊接速度为75mm/min，第三层焊缝厚度为2mm。第一层焊接、第二层焊接和第三层焊接，每一层焊接层间温度均小于150℃，进行下一步焊接之前均清理焊缝表面的熔渣。

上述焊丝由不锈钢外皮和药芯组成，药芯由以下重量百分比的原料组成：

氧化镁：3％，

氧化钇：1％，

氟硅酸钠：10％，

氟化钙：12％，

碳酸钙：24％，

三氧化二铝：8％，

氮化铬铁：10％，

铌铁：2％，

电解锰：3％，

金属镍：4％，

氧化铈：2％，

氧化镧：1.2％，

氟锆酸钙：1.2％，

金属钒：0.2％，

余量铁粉。

其中，碳酸钙、三氧化二铝为85目，氟硅酸钠、氟化钙为95目，氧化镁、氧化钇为75目。

上述焊丝的制备方法包括以下步骤：

步骤a、按上述重量比称取药芯中各组分的质量，并将其分成第一组、第二组、第三组，其中第一组包括：碳酸钙、三氧化二铝、电解锰、金属镍、金属钒、铁粉；第二组包括：氟硅酸钠、氟化钙、氧化铈、氮化铬铁、铌铁；第三组包括氧化镁、氧化钇、氧化镧、氟锆酸钙；

步骤b、将步骤a中第一组原料置于搅拌机中进行第一次搅拌，搅拌速率为400r/min，搅拌时间为5h；然后加入第二组原料进行第二次搅拌，搅拌速率为700r/min，搅拌时间为10h；最后加入第三组原料进行第三次搅拌，搅拌速率为1100r/min，搅拌时间为20h，制备得到第四组混合物；

步骤c、将步骤b得到的第四组混合物置于加热炉中依次进行四阶段烧结，然后研磨，得到药芯粉末；第一阶段先由室温升温至80℃，升温速率为5℃/h，然后由80℃升温至160℃，升温速率为10℃/h，最后由160℃升温至200℃，升温速率为6℃/h，在200℃下保持4h；第二阶段以10℃/h的升温速率由200℃升温至400℃；第三阶段以15℃/h升温速率由400℃升温至600℃，然后以8℃/h降温速率由600℃降温至400℃，循环20次，最后在400℃下保持1.5h；第四阶段由400℃冷却至室温，冷却速率为8℃/h；

步骤d、将不锈钢外皮放置在药芯焊丝成型机上，不锈钢外皮经碱洗、温水清洗、烘干处理后进行轧U型槽，然后向U型槽中填充步骤c中得到的药芯粉末，再通过成型机将U型槽辗压闭合，并拉拔制得药芯焊丝。

对比例1

焊接方法同实施例1，焊丝采用市场上常用的ER347材料焊接。

焊后对焊缝试样进行性能测试结果如表1所示：

表1-焊缝试样力学性能

由上述对比例和实施例焊缝金属的性能测试结果可知，采用本发明的焊丝和焊接工艺实验可见，焊缝金属具有较好的机械性能。尤其是其抗拉伸强度、屈服强度、延伸率均优于使用ER347材料进行焊接得到的焊缝金属。而且采用本发明的方法得到的焊接金属冲击吸收功可获得55J以上的冲击值，具有优异的冲击韧性，具有优良的抗裂纹性能。而且本焊接技术省去了充氩气保护这一过程，可缩短管线焊接的工期，焊接工艺操作简单，推广比较容易。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。