本发明属于高温高压不锈钢管道和设备的焊接制造领域。
背景技术：
：由于奥氏体不锈钢材料涉及到膨胀系数大、导热系数低，一些厚壁奥氏体不锈钢材料的焊接出现了较多的问题，如石化电力等高温高压环境所使用的tp321和tp347等厚壁容器和管线出现过很多焊接裂纹或使用不久即出现与腐蚀无关的非正常裂纹，究其原因，大多数都是焊接问题。tp321和tp347是专用的耐高温不锈钢材料，tp321和tp347高温高压厚壁不锈钢的焊接存在焊接应力过大造成的焊接裂纹，也存在稳定化热处理后的再热裂纹，在使用后更存在无法预知的焊缝开裂等等问题，对安全生产带来巨大威胁。究其原因：1、焊缝金属中残留的铁素体的负面影响：按现有常规理论，奥氏体不锈钢焊缝金属中必须要有4～10％的铁素体，在焊接时才不会发生焊接热裂纹，故焊材成分设计中重点考虑了铁素体比例对焊接过程的影响，某些行业标准也将其纳入规范要求。但焊接过程的热裂纹虽然避免了，但残留的铁素体对焊接接头的耐高温性能和超低温性能均产生极大的负面影响：1)铁素体的再结晶温度大约在600℃以上，比奥氏体不锈钢的再结晶温度要低很多，故铁素体的残留将直接影响焊接接头的高温蠕变性能。铁素体含量越多，在高温环境中使用后产生σ相变的概率越大，容易在焊缝金属中结网成害，随着使用时间的延长，焊缝金属在高温环境中出现裂纹的概率增加。2)铁素体对碳和氮的溶解度极低，如果焊接热输入量过大，在高温段停留时间较长，在铁素体边界会有严重的敏化物析出。3)奥氏体不锈钢焊缝中的铁素体残留对设备的实际使用寿命具有明显的负面影响，如环烷酸的刀状腐蚀，尿素钾氨液的优先腐蚀，超低温设备的脆性危害，高温状态下转变为σ脆性相危害，铁素体晶粒边界析出碳化物，抗高温蠕变性能变差等等。2、焊条药皮参与冶金活动的负面影响：焊条药皮都是由脱氧剂、稳弧剂、脱渣剂等低熔点矿物质成分组成，在焊接过程中难以避免地会有微观细小的夹杂物残留于焊缝中心，被动地参与了冶金活动。这些低熔点的氧化性夹杂物在高温状态下会发生溶解，导致焊缝强度大幅下降，在应力松弛作用下也会造成焊缝撕裂。tp347厚壁管道焊缝金属中发现氧化铋夹杂物，氧化铋具有很好的脱渣性能，由于焊道中的钢水冷却速度非常快，部分氧化铋来不及逸出焊缝便被凝固在焊道中间而形成夹杂。经过微区能谱分析结果如下(％)：okcrnibife总量重量％18.712.822.700.8067.247.73100％可见，该部位的夹杂物为以氧化铋为主的夹杂物，此类夹杂物在300℃左右就溶解成液态，使焊接接头的高温性能变差，在更高温度下氧化铋将分解成氧气和铋金属，气态是固态金属的800倍左右，随着气态的体积膨胀，客观上造成夹杂物部位的高压状态，这种局部高压环境极易形成热裂纹。金属铋还是微放射性元素，长时间焊接接触，可通过挥发性气体传播，将对人体形成累计放射性伤害。tp347厚壁管道焊缝金属中发现铝镁夹杂物，经过微区能谱分析结果如下(％)：omgalscacrmnfeni总计重量％41.5511.7031.321.401.042.941.158.190.71100％该部位的能谱分析显示，这种微小的夹杂物为以铝和镁为主的氧化物夹杂，它的熔点温度虽然高于氧化铋，其熔点温度也只有600℃左右，在更高温度下也会造成体积膨胀，成为热裂纹的起源。3、焊接应力过大的负面影响：厚壁不锈钢设备或管道的焊接截面积很大，焊接道数很多，由于奥氏体不锈钢的导热性较差，而热膨胀系数又较大，多道次焊接的焊接应力会逐步递增，这是造成焊接应力大的重要原因。专利：一种奥氏体不锈钢中厚板的组合焊接方法(201510292541.0)，提出了利用铜板水冷导热进行焊接的方法来解决不锈钢导热性能差的问题，但并不实用，对于厚度20mm以上厚壁设备的焊接，利用铜板导热已经难以解决不锈钢快速散热问题，实用价值不大。专利：tp347h奥氏体不锈钢厚壁管的焊接方法(2016109201293)，其专利发明的核心技术内容为焊丝由不锈钢外皮和药芯组成。该专利主要设计到一种药芯焊丝，没有考虑到焊缝金属中残留铁素体在高温环境中的负面性能，而药芯在焊接过程中主要起脱渣和气氛保护作用，仍然会有微量低熔点的氧化性夹杂物残留于焊道，从而降低焊缝金属的高温性能。而且，药芯焊丝容易吸湿上潮，焊接时在焊缝中容易产生气孔，该方法也不适合于高温高压容器、超低温设备或高技术要求的设备。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种用于高温高压不锈钢管道焊接的金属材料、工艺及制品。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：用于高温高压不锈钢管道焊接的金属材料，其特征在于，所述焊接材料各组分按重量百分比计算为：c≤0.05％，si≤0.6％，mn1.0～3.0％，cr:17.0～19.0％，ni:10～15％，nb：8c～0.8％，zr0.05～0.25％，s≤0.008％，p≤0.035％，n≤0.06％，sr:0.002～0.05％。高温高压不锈钢管道的焊接工艺，所述焊接工件为管道对接和角焊缝焊接，坡口型式设计为单面u型、单面v型，筒体焊接设计为双面x型坡口，钝边1～3mm，组对间隙0～4mm，坡口单边角度15～30°，其特征在于，包括如下内容：s1)焊材组分设计：按母材化学成分基本匹配的原则，在焊材冶炼时调整合金元素的成分比例，提高奥氏体的形成元素ni的含量，并降低影响铁素体比例的元素，将cr和si向材料规定的下限进行控制，使其将焊缝中的铁素体含量降低，使其残留的铁素体比例降低到≤3％，由于成分设计时复合添加了nb和zr，可以在晶内优先形成nbc和zrc的弥散化合物，从而阻止了碳铬化合物从晶粒边界析出，完全可以不用考虑补充晶粒边界的cr，cr按母材标准的下限进行设计，加sr的目的是进一步脱s和脱p；s2)选择焊接方法：采用氩弧焊打底、氩弧焊填充盖面或埋弧焊填充盖面的焊接方法；s3)焊材结构设计：通过电炉冶炼、浇注并轧制成盘圆坯料，再拔制成细丝，经捻股制成麻花焊丝；s4)焊接线能量控制：氩弧焊的线能量≤10kj/cm，埋弧焊焊接的线能量≤13kj/cm；s5)振动焊接：在焊接母材上固定超声振动器和/或机械振动装置进行高频振动，消除和降低焊接残余应力。按上述方案，所述麻花焊丝由7～150根经过拉拔的细丝捻股而成，麻花焊丝的每盘长度超过100米，用自动送丝机进行送丝。按上述方案，所述线能量控制的焊接工艺参数为：氩弧焊：麻花焊丝填充和盖面的焊丝直径为焊接电流为80～300a，电压为12～30v，焊接速度为15～30cm/min；埋弧焊：麻花焊丝的焊丝直径为焊接电流为200～500a，电压为20～40v，焊接速度为60～120cm/min。采用权利要求1所述的用于高温高压不锈钢管道焊接的金属材料的制品，其特征在于，所述制品包括无缝钢管、板材及锻件。本发明的有益效果是：提供一种用于高温高压不锈钢管道焊接的金属材料、工艺及制品，使焊缝中的铁素体含量降低，使其残留的铁素体比例降低到≤3％，增强了焊接接头的高温强度和抗蠕变性能，明显改善焊缝金属的塑性和韧性，提高焊接性能；焊接时采用不锈钢麻花焊丝，和焊条电弧焊相比，无需清理焊渣和打磨焊缝表面，使焊接效率大大提高，与手工氩弧焊的单根焊丝相比，麻花焊丝残留部分小于1％，其浪费率极低，焊接时的热输入量大大低于实芯焊丝，不仅节省能耗，而且还大大降低焊接残余应力，提高焊接效率。麻花焊丝可以通过拉丝捻股成长度大于100米的盘，利用自动送丝机构进行半自动和自动化焊接；在焊接过程中进行同步振动，使焊接过程中的液态金属在凝固瞬间达到无应力或低应力的凝固状态，以消除和降低焊接残余应力。具体实施方式为更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的描述。一种高温高压不锈钢管道的焊接工艺，焊接工件为平板对接和角焊缝焊接，坡口型式设计为u型、v型或x型，钝边1～3mm，组对间隙0～4mm，坡口单边角度15～30°，焊接方法为氩弧焊打底，氩弧焊填充盖面或埋弧焊填充盖面。1、焊接所使用焊材的铁素体含量控制为≤3.0％不管是高温环境使用的不锈钢材料，还是极低温环境使用的不锈钢材料，对焊接接头铁素体含量的控制意义重大。在≥500℃的高温环境使用，可以降低使用过程中σ脆性相转变的几率，并提高高温蠕变性能。如果将焊缝金属中的铁素体含量控制在3％以下，其铁素体将不可能以枝状体在焊道中呈网状分布，即便在高温下使用时间超过1000小时，转化成σ相的比例很小。由于铁素体相比例的大幅降低，使重新再结晶的铁素体面积大大减少，直接提高了焊接接头的高温强度和抗蠕变性能。其碳化物在铁素体晶粒边界析出的总量也随之大幅降低，可以明显改善焊缝金属的塑性和韧性。根据目前奥氏体不锈钢焊接材料的设计原则，大约有3～16％的铁素体残留，目的是为了抑制焊缝的结晶裂纹，这主要是考虑焊接的工艺性能，但在使用方面的负面影响并没有深入研究。对铁素体下限进行控制并不是使用要求，而是保焊接工艺性能的指标，对铁素体含量的下限值进行具体规定既不科学也不合理。本发明提供一种用于高温高压不锈钢管道焊接的金属材料，其各组分按重量百分比计算为：c≤0.05％，si≤0.6％，mn1.0～3.0％，cr:17.0～19.0％，ni:10～15％，nb：8c～0.8％，zr0.05～0.25％，s≤0.008％，p≤0.035％，n≤0.06％，sr:0.002～0.05％。控制n的目的是防止n与nb和zr形成间隙化合物，zr和sr都在n控制完成后添加，以免影响合金效果。zr(锆)是一种高温合金，钢里只要加进千分之一的锆，硬度和强度就会惊人地提高。含锆的装甲钢、大炮钢和耐热钢等是制造装甲车、坦克、大炮和防弹板等武器的重要材料。本技术方案中zr与nb复合加入，目的就是进一步提高焊缝金属的耐高温性能。sr(锶)是一种活泼金属，在冶金业中有很好的脱氧、脱硫和脱磷效果，一般多用在铝合金中作为改性变质剂。在本技术方案中主要是起到脱硫和脱磷的作用，以改善和提高不锈钢坯料的冶金性能。锶元素冶金加入的时机为合金调整完成之后添加，以铝锶中间合金进行加入，为最后添加的合金元素。2、焊接方法的选择：用氩弧焊和埋弧焊的麻花焊丝进行焊接：焊条的药皮成分主要是一些氧化性能很好的矿物质，主要起脱渣、稳弧和脱氧的作用，在焊条焊接过程中焊条药皮夹渣来不及浮出熔池而残留在焊缝内部，焊缝表面焊渣可以通过锤击和打磨清理掉，但焊缝内部的微小夹杂物根部无法彻底清除，但却又属于无损检测的合格范围。这些微小夹杂物的残留降低了焊接接头的高温强度和抗高温蠕变性能，故本方案不使用焊条电弧焊的焊接方法，而采用氩弧焊或氩弧焊+埋弧焊的焊接方法进行焊接。由于现有的氩弧焊焊接速度较低，不能满足大规模工业化生产需求。而埋弧焊的焊接线能量又较大，在焊缝及热影响区容易产生敏化析出。焊材采用麻花焊丝，将单根实芯焊丝拉拔成细丝并捻股加工成7～150根的多股麻花焊丝，用于氩弧焊和埋弧焊进行焊接。焊材使用铁素体含量≤3％的奥氏体不锈钢焊材，通过其调整成分配方经电炉冶炼、浇注并轧制成盘圆坯料，再拔制成细丝，经捻股而成麻花焊丝。氩弧焊焊接时，弧柱对焊丝产生多面积穿透传导效应使多股焊丝快速熔化，以达到高速焊接的目的。埋弧焊用麻花焊丝是用焊丝作熔化极，而电流损失的多少与导线的外表面积有极大的关系。电流通过实芯焊丝外表面传导到焊丝末端，再对焊丝进行熔化，通过焊丝外表面传导来熔化焊丝芯部所需要的能量较大且慢。当实芯焊丝由单根变成许多根细丝组合而成麻花焊丝以后，其电流通过麻花焊丝的表面积大大增加，此时电流传导时的电阻最小化，作用于焊丝电极熔化的能量也随之最大化，所以麻花焊丝的熔化速度远大于单根实芯焊丝。这就是集肤效应的原理，通过集肤效应的传导作用直接作用于每根细焊丝的端部，每根焊丝都不存在向芯部传导热能的问题，实现快速熔化，大大降低焊接能量，使焊接变形量和焊接应力也大大降低。氩弧焊是电流通过钨极传导的高频高压穿透氩气进行导电并促使焊丝熔化的一种焊接方式，电流并不从焊丝上进行传导。但，多股麻花焊丝在电弧燃烧时比表面积远大于单根实芯焊丝。麻花焊丝焊接热输入量很低，液态金属的铺展性能很好。正是因为焊接热输入小，所以焊接应力相应也小。并可以实现自动送丝的半自动化焊接，其焊接效率大大提高。埋弧焊的焊剂与焊条药皮的作用相似，但又有所不同，焊条药皮使用了粘附剂并通过热烘烤将其与焊条粘接在一起，焊接时与焊芯一起在电弧作用下产生燃烧搅拌作用，直接参与了焊缝金属的冶金活动，难免会有部分药皮成分残留于焊缝金属。而埋弧焊使用的是药剂，焊丝与药剂本质上是分离的，焊接时，焊剂熔解后完全飘浮于焊道上面，只是起到了隔离空气的作用，形成很好的气氛保护作用，麻花焊丝在熔敷焊接过程中不可能有药剂参与冶金活动，其在焊道中残留的夹杂物则比焊条电弧焊要少得多。故本发明的技术方案不采用焊条电弧焊焊接，仅采用氩弧焊和埋弧焊的焊接方法。以下是氩弧焊实芯焊丝与麻花焊丝焊接参数的比较：氩弧焊实芯焊丝和麻花焊丝的焊接参数比较从表中可以看出，和的麻花焊丝，其焊接热输入量均≤10kj/cm，远低于手工实芯焊丝氩弧焊的焊接热输入量。麻花焊丝自动送丝与手工送丝的实芯焊丝相比，焊接效率提高3倍以上，线能量大大降低，熔敷效率大大提高。以下是埋弧焊实芯焊丝与麻花焊丝焊接参数的比较：埋弧焊实芯焊丝和麻花焊丝的焊接参数比较埋弧焊麻花焊丝的焊接线能量只有10.8kj/cm。与实芯埋弧焊丝焊接相比，焊接效率高，热输入量很低。3、采用超声波振动进行辅助焊接：在焊接过程中进行同步振动，使焊接过程中的液态金属在凝固瞬间达到无应力或低应力的凝固状态。对于管道的焊接，可以直接使用超声波振动器进行高频振动。焊接过程中，焊道中的液态金属向固态转变过程中，由于超声波的高频微振动作用，使其达到焊后应力极低的水平。对于板材筒体焊接，同样在焊道两侧进行高频超声波振动，促使焊道中液态金属向固态金属转变过程中使收缩应力降到极低。实施例一tp347h高温高压管道对接焊，管道直径450mm，壁厚45mm。坡口角度：单边15～35°，坡口型式u型或v型，钝边：1～3mm，组对间隙3.0±1.0。用机械方法加工出满足工艺要求的坡口角度和钝边尺寸。自保护氩弧焊+麻花焊丝氩弧焊焊接：采用自保护实芯氩弧焊丝一遍打底，氩弧焊麻花焊丝填充及盖面。焊材成分设计铁素体含量基本为0的纯奥氏体不锈钢成分，其成分配方为：c:0.04％，cr:17.5％，si:0.5％，ni:13％，mn：1.3％，nb：0.6％,zr:0.15％，s:0.002％，p：0.030％，n：0.06％，sr:0.004％。组装后，进行根部打底，打底焊用的自保护氩弧焊焊丝进行焊接，以确保根部焊道背面不被过度氧化，打底焊的焊接电流160a，电压14v，焊接速度8cm/min。打底完成后用的麻花焊丝氩弧焊进行填充和盖面焊接，焊接电流为200a，电压14v，焊接速度25cm/min。焊接时采用多层多道，每层单道焊缝的摆动宽度不超过13mm。焊接时，层间温度控制为≤120℃，控制合理的焊接工艺参数，焊接线能量按≤8kj/cm进行控制，保持所有焊道的焊缝颜色为金黄色。实施例二s32108不锈钢设备钢板卷制对接焊，设备直径1800mm，环缝和纵缝焊接，材料壁厚16mm。采用氩弧焊麻花焊丝打底+埋弧焊填充及盖面。坡口型式为u型、v型或x型坡口，钝边厚度1.0～2.0，组对间隙2.5±1.0。用直径的麻花焊丝氩弧焊打底，再用的埋弧焊麻花焊丝填充，直至盖面焊接完成。背面焊道用不锈钢专用砂轮机或钢刷清理焊道后，用氩弧焊麻花焊丝填充焊接完成或埋弧焊麻花焊丝焊接完成。焊材选用设计铁素体含量基本为0的纯奥氏体不锈钢成分，其成分配方为：c:0.035％，cr:17.5％，si:0.5％，ni:13％，mn：2.6％，nb：0.4％,zr:0.16％，s:0.004％，p：0.030％，n：0.04％，sr:0.002％。焊接时，层间温度控制为≤120℃，控制合理的焊接工艺参数，保持所有焊道的焊缝颜色为金黄色。麻花焊丝打底的焊接电流为160a，电压12v，焊接速度15cm/min，焊接线能量控制在≤12kj/cm。采用埋弧焊填充和盖面时，焊丝焊接电流为400a，电压30v，焊接速度90cm/min，焊接线能量控制在≤10kj/cm。实施例三tp347熔盐储热罐筒体的焊接，筒体直径20000mm，厚度16mm，坡口单边角度15～35°，坡口型式x型，钝边：1～3mm。由于罐体直径较大，该设备在使用焊条电弧焊过程中出现了很多问题，如焊接裂纹、夹渣等超标缺陷，在使用过程中也出现过泄漏事故。现改为按全氩弧焊麻花焊丝焊接，焊材铁素体含量为0。打底焊和焊道内外的填充焊均用的麻花焊丝进行半自动氩弧焊焊接，其焊丝成分配方为：c:0.05％，cr:17.8％，si:0.5％，ni:13.4％，mn：1.3％，nb：0.6％,zr:0.14％，s:0.003％，p：0.030％，n：0.045％，sr:0.005％。焊接时，层间温度控制为≤120℃，控制合理的焊接工艺参数，保持所有焊道的焊缝颜色为金黄色。氩弧焊麻花焊丝的焊接参数为：对于x坡口的打底焊，焊接电流为160a，电压12v，焊接速度12～15cm/min，焊接线能量控制为≤12kj/cm；填充焊和盖面焊接的麻花焊丝焊接电流210a，电压14v，焊接速度25cm/min，焊接线能量控制为≤10kj/cm。本发明中的成分配方中的主要成分如cr和ni与321和347基本一致，只是调整了涉及到相比例cr和ni，再复合添加了ti和nb，然后增加了脱除杂质性能非常好的zr，其焊接接头的综合性能良好。用该化学成分麻花焊丝的氩弧焊焊缝常温冲击值≥120j，埋弧焊常温冲击值也≥80j，其它各方面性能指标都满足工艺要求。本技术发明中铁素体含量≤3％的奥氏体不锈钢焊接接头在高温环境中的使用性能将远远优于含有少量铁素体残留的347和321配套的焊缝金属，将是工程应用中非常好的替代焊材。虽然在本技术方案中焊材铁素体残余量设计≤3％，但由于对现有的实芯焊丝进行了多股多丝的结构调整，使其焊接线能量大大降低，确保了焊接速度的提高，并不会因为焊接效率的提高而产生凝固裂纹，其安全可靠性大大提高。本发明还提供了采用上述焊接的金属材料的金属制品，包括成分配方相同的无缝钢管、板材及锻件。以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12