一种304L不锈钢厚板的埋弧焊焊接工艺的制作方法

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种船舶建造过程中使用的304l不锈钢厚板的埋弧焊焊接工艺。

背景技术：

目前，为了适应恶劣的海洋工作环境，一些超大型集装箱船的内底板采用厚度为45mm的304l不锈钢钢板焊接而成以满足大型集装箱船如双燃料舱区域的强度、刚度、稳定性低温冲击性能和抗腐蚀性能的要求。而304l不锈钢属于奥氏体不锈钢，具有热导率小、熔点低、线胀系数大的特点，在焊接时，若焊缝金属高温停留时间长，容易形成粗大的铸态组织(即晶粒粗大)，从而产生较大的应力和变形，残余应力的存在进一步引起焊接热应力裂纹和应力腐蚀开裂，降低焊缝的韧性和强度，影响船舶建造周期。

另外，随着钢板厚度的增加，焊接难度加大，在焊接过程中极易产生焊缝裂纹、气孔、层间夹渣等焊接缺陷，而焊接坡口、焊材、焊接工艺参数的合理设计和选择直接影响焊接接头的质量。例如当坡口结构及尺寸设计不合理时，容易导致波浪变形、收缩变形，无法保证钢板表面的平整度，需要进行校正和/或返修，降低生产效率，增加生产成本；例如当焊接热输入太大，晶粒容易长大，对焊缝组织和力学性能都有极为不利的影响，而焊接热输入太小，虽然不会因熔池过热导致晶粒长大，但焊接生产效率低，增加生产成本；因此，合理的x型坡口尺寸设计、合理的匹配焊材、优化的焊接工艺参数，不仅能避免晶间腐蚀或热裂纹等缺陷，还会大大提高生产效率、提高焊接接头质量、节省材料和能源，并可改善劳动条件、降低劳动强度。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明设计的目的在于提供一种304l不锈钢厚板的埋弧焊焊接工艺，针对304l不锈钢厚板的特定成分范围和技术条件，优化x型坡口尺寸，合理匹配焊材、优化焊接工艺参数以解决焊接变形和焊接热输入较大引起的晶粒粗大、晶间腐蚀等问题，提高焊接接头质量，保证其具有良好的力学性能，确保探伤一次性合格。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种304l不锈钢厚板的埋弧焊焊接工艺,该埋弧焊焊接工艺步骤包括：

一、焊接坡口加工：将待焊接的304l不锈钢厚板加工出双面x型坡口，正面坡口角度为60°±5°，钝边长度为4mm～5mm，坡口间隙为0mm～1mm，反面坡口角度为70°±5°，反面坡口深度为1/3tmm～2/5tmm，其中，t为待焊接的304l不锈钢厚板的厚度；

二、焊前准备：选用与待焊接的304l不锈钢厚板性能相匹配的焊丝和碱性焊剂，并对碱性焊剂进行烘培处理，烘培温度为300℃～350℃，烘培时间为2h；

三、焊接：

a、采用焊接小车对正面坡口进行打底层焊接，完成后再进行正面埋弧焊焊接；所述打底层焊接的工艺参数为：焊接电流390a～420a，焊接电压32v～35v，焊接速度27cm/min～30cm/min，焊接热输入27.6kj/cm～32.3kj/cm；所述正面埋弧焊焊接的工艺参数为：焊接电流400a～430a，焊接电压34v～37v，焊接速度25cm/min～30cm/min，焊接热输入27kj/cm～36kj/cm。

b、将完成正面埋弧焊的两304l不锈钢厚板翻身，然后对反面坡口进行等离子碳弧气刨清根；

c、采用焊接小车对完成清根的反面坡口进行背面埋弧焊焊接；所述背面埋弧焊焊接的工艺参数为：焊接电流400a～430a，焊接电压34v～37v，焊接速度25cm/min～30cm/min，焊接热输入27kj/cm～36kj/cm；

本发明根据304l不锈钢的成分及性能，选用合适的坡口结构、焊材和焊接工艺，保证焊接接头具有良好的力学性能。

本发明选用双面x型坡口结构，以抑制波浪变形的产生，且坡口角度要适中，坡口角度过小，不利于脱渣，容易产生夹渣缺陷；坡口角度过大，影响焊接变形，本发明设定正面坡口角度为60°±5°，反面坡口角度为70°±5°。由于焊接时采用先正面埋弧焊再背面埋弧焊的方式，需要选用合适的反面坡口深度，以纠正正面埋弧焊引起的收缩变形，确保焊接完成的钢板表面平整，避免后期进行校正和返修工序，当反面坡口深度太大，需要填充的金属增多，引起的收缩变形加大，钢板容易向下弯曲，而反面坡口深度太小又无法纠正正面埋弧焊引起的收缩变形，故本发明设定反面坡口深度为1/3tmm～2/5tmm，其中，t为待焊接的304l不锈钢厚板的厚度；为了确保钝边熔透，并防止其烧穿，本发明将钝边长度设置为4mm～5mm；为了在确保钝边熔透的情况下，减少需要的填充金属以降低焊接成本，本发明将坡口间隙设置为0mm～1mm。

焊接接头的强韧性是由成分及焊接热循环等条件决定的，不同的焊接工艺会导致焊缝和热影响区产生不同的组织，从而得到不同的强韧性能。焊接热输入是影响焊接接头低温冲击韧性的关键。在较大焊接热输入条件下，焊缝金属产生粗大的先共析铁素体，而粗晶区产生粗大的粒状贝氏体甚至产生魏氏组织，使得焊接接头低温冲击韧性降低。较小的热输入虽然不会强烈恶化焊接接头的低温韧性，但是小的焊接热输入的焊接效率低。本发明设定打底层焊接热输入为27.6kj/cm～32.3kj/cm，正面埋弧焊和背面埋弧焊的焊接热输入为27kj/cm～36kj/cm，可保证得到可靠的焊接接头。

焊接电流要适中，焊接电流过大时，容易引起焊漏、烧穿、产生裂纹等缺陷，且焊件的变形大，焊缝区晶粒粗大，对焊缝组织和力学性能都有极为不利的影响；焊接电流过小时，容易引起未焊透、未熔合、夹渣以及焊缝成型不良等缺陷。焊接电压必须与焊接电流配合选择，通常焊接电流与焊接电压成正比，焊接电流和焊接电压的一定的条件下，随着焊接速度增加，将使焊缝宽度和熔深减小。本发明设定打底层焊接的工艺参数为：焊接电流390a～420a，焊接电压32v～35v，焊接速度27cm/min～30cm/min，正面埋弧焊和背面埋弧焊焊接的工艺参数为：焊接电流400a～430a，焊接电压34v～37v，焊接速度25cm/min～30cm/min，以保证得到可靠的焊接接头。

进一步地，所述焊前准备还包括：对焊接坡口处的空气进行除湿处理，直至焊接坡口处的空气湿度低于75％，防止在焊接过程中产生气孔。

进一步地，所述焊前准备还包括：将焊接坡口及两侧各20mm范围内的锈蚀、油污、水垢、氧化物等影响焊接质量的物质清理干净，并打磨露出金属光泽，以保证焊接质量。

进一步地，所述焊接小车包括导轨、行走小车以及设置在所述行走小车上的焊枪和红外装置，所述焊枪连接于焊机，以实现自动化焊接，提高焊接效率。

进一步地，所述焊丝是直径为2.4mm～4.0mm的gws-316l焊丝，其化学成分及质量百分比满足：c：0.015％～0.03％，si：0.57％～1.0％，mn:0.5％～2.5％，p:0.015％～0.025％，s:0.012％～0.020％，cr:18％～20％，mo:2.0％～3.0％，ni:11％～14％，cu:0％～0.02％，其余为fe，以保证焊接接头的质量。

进一步地，所述碱性焊剂为gxs-300碱性烧结焊剂，其化学成分及质量百分比满足：cao+mgo+mno:50％～60％，sio2:15％～25％，caf2:25％～35％，以降低焊接过程中的扩散氧含量，保证焊接接头质量。

进一步地，所述打底层焊接、正面埋弧焊焊接和背面埋弧焊焊接的工艺参数均还包括：螺丝伸出长度为20mm～40mm。

进一步地，所述正面埋弧焊焊接和背面埋弧焊焊接均为多层多道焊接，且层间温度不超过150℃，所述每层每道焊接完成后均需清理焊渣，以阻止中心线裂纹和夹渣缺陷的产生。

进一步地，所述打底层焊接、正面埋弧焊焊接和背面埋弧焊焊接均为直流反接，确保电弧稳定，成形美观，焊缝力学性能好。

进一步地，所述待焊接的304l不锈钢厚板的厚度为20mm～90mm。

进一步地，所述清根深度h为4mm～5mm，所述清根宽度e≥h，清根后的反面坡口横截面呈u型。

进一步地，所述焊前准备还包括：调整焊枪角度，使焊枪朝向坡口，并驱动焊接小车空走一次行程，防止正式焊接时出现偏移。

进一步地，所述埋弧焊焊接工艺步骤还包括：焊接完成48小时后，对焊缝进行无损检测和着色检测，所述无损检测包括外观检测和超声波检测。

如上所述，本发明的一种304l不锈钢厚板的埋弧焊焊接工艺，具有以下有益效果：

(1)对x型坡口尺寸进行优化，特别是对反面坡口深度尺寸的优化，克服了焊接过程中产生的收缩变形、波浪变形，确保焊接完成的钢板表面平整，焊后无需校正和返修，提高生产效率；

(2)本发明在焊接前对焊接坡口处的空气进行除湿处理，使得焊接坡口处的空气湿度低于75％，防止在焊接过程中产生气孔；

(3)本发明选则合适的焊接热输入参数，并将层间温度控制在不超过150℃，有效克服晶粒粗大，组织不均匀的缺陷，保证焊接接头具有良好的低温冲击韧性；

(4)本发明针对20mm～90mm厚度的不锈钢板焊接。采用合适的焊接材料，并对焊接坡口和焊接工艺进行优化，使得焊接接头的抗拉强度为620mpa，-20℃反面焊缝中心冲击值88j以上，反面熔合线冲击值为120j以上，反面熔合线外2mm冲击值为130j以上。微观检测组织均匀，晶粒无局部粗大现象。宏观检查焊缝及热影响区均未发现裂纹、未融合等缺陷，有效保证了焊接接头的质量。

附图说明

图1为本发明中x型坡口的尺寸示意图。

图2为本发明中正面坡口焊接顺序图。

图3为本发明中反面坡口刨清根的尺寸示意图。

图4为本发明中反面坡口的焊接顺序图.

图5为对比例一获得的焊缝接头的效果图。

附图标记说明

304l不锈钢厚板1，正面坡口2，反面坡口3，正面坡口角度α，反面坡口角度β，钝边长度b，坡口间隙c，304l不锈钢厚板厚度t，反面坡口深度d，清根深度h，清根宽度e。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图5。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例一：

本发明的一种304l不锈钢厚板的埋弧焊焊接工艺步骤包括：

一、焊接坡口加工：采用机加工方式将长度为1000mm，宽度为200mm，厚度t为45mm的两块304l不锈钢厚板1加工出双面x型坡口，如图1所示，正面坡口角度α为60°±5°，钝边长度b为4mm～5mm，坡口间隙c为0mm～1mm，反面坡口角度β为70°±5°，反面坡口深度d为1/3tmm～2/5tmm；

二、焊前准备：

选用与待焊接的304l不锈钢厚板1相匹配的焊丝和碱性焊剂，并对碱性焊剂进行烘培处理，烘培温度为300～350℃，烘培时间为2h；在本实施例中，焊丝是直径为2.4mm～4.0mm的gws-316l焊丝，其化学成分及质量百分比满足：c：0.015％～0.03％，si：0.57％～1.0％，mn:0.5％～2.5％，p:0.015％～0.025％，s:0.012％～0.020％，cr:18％～20％，mo:2.0％～3.0％，ni:11％～14％，cu:0％～0.02％，其余为fe；碱性焊剂为gxs-300碱性烧结焊剂，其化学成分及质量百分比满足：cao+mgo+mno:50％～60％，sio2:15％～25％，caf2:25％～35％。

将焊接坡口及两侧各20mm范围内的锈蚀、油污、水垢、氧化物等影响焊接质量的物质清理干净，并打磨露出金属光泽；在本实施例中，为了防止焊接过程中产生气泡，焊前准备还包括：对焊接坡口处的空气进行除湿处理，直至焊接坡口处的空气湿度低于75％，且焊前不预热(由304l不锈钢性能确定)。

三、焊接：

a、采用焊接小车对正面坡口2进行打底层焊接(如图2中的第1层焊层1’所示)，完成后再进行正面埋弧焊焊接，所述正面埋弧焊焊接为多层多道焊接(如图2中的第2层焊层2’至第9层焊层9’所示)；所述焊接小车包括导轨、行走小车以及设置在所述行走小车上的焊枪和红外装置，所述焊枪连接于焊机，所述焊机为轻便型埋弧焊机，本实施例优选选用power-waveac/dc1000sd焊机；所述打底层焊接的工艺参数为：焊接电流390a～420a，焊接电压32v～35v，焊接速度27cm/min～30cm/min，焊接热输入27.6kj/cm～32.3kj/cm；所述正面埋弧焊焊接的工艺参数为：焊接电流400a～430a，焊接电压34v～37v，焊接速度25cm/min～30cm/min，焊接热输入27kj/cm～36kj/cm。

b、将完成正面埋弧焊的两304l不锈钢厚板翻身，然后对反面坡口3进行等离子碳弧气刨清根；如图3所示，清根深度h为4mm～5mm，所述清根宽度e≥h，清根后的反面坡口横截面呈u型；

c、采用焊接小车对完成清根的反面坡口进行背面埋弧焊焊接，如图4所示，所述背面埋弧焊焊接为多层多道焊接；所述背面埋弧焊焊接的工艺参数为：焊接电流400a～430a，焊接电压34v～37v，焊接速度25cm/min～30cm/min，焊接热输入27kj/cm～36kj/cm；

在本实施例中，所述打底层焊接、正面埋弧焊焊接和背面埋弧焊焊接的工艺参数均还包括：焊丝伸出长度为20mm～40mm，且所述打底层焊接、正面埋弧焊焊接和背面埋弧焊焊接均采用直流反接；所述多层多道焊接的层间温度不超过150℃，所述每层每道焊接完成后均需清理焊渣。

进一步地，所述焊前准备还包括：调整焊枪角度，使焊枪朝向坡口，并驱动焊接小车空走一次行程，防止正式焊接时出现焊接偏移。

焊接完成48小时后，对焊缝进行无损检测和着色检测，所述无损检测包括外观检测和超声波检测。

外观检测结果显示：焊接完成的不锈钢焊缝成形良好，无变形，整体外观平整光洁，焊缝表面经着色检测符合iso-23277要求；内部缺陷通过超声波检测符合iso-5817要求。获得的焊接接头的抗拉强度为620mpa，对该焊接接头试样进行180°弯曲，试验结果表明无裂纹缺陷，-20℃反面焊缝中心冲击值为88j以上，-20℃反面熔合线冲击值为120j以上，-20℃反面熔合线外2mm冲击值为130j以上。微观检测组织均匀，晶粒无局部粗大现象。宏观检查焊缝及热影响区均未发现裂纹、未融合等缺陷。

对比例一：

对比例一与实施例一大致相同，不同之处在于x型坡口的反面坡口深度不同，对比例一的x型坡口的反面坡口深度d＝1/2tmm，如图5所示(图5中间部分为焊接接头，边缘部分为背景色)，经外观检测发现，对比例一获得的焊缝存在反面焊缝变形严重，无法自由恢复平整的问题，获得的焊接接头的测试结果见表1所示。

对比例二：

对比例二与实施例一大致相同，不同之处在于选用的焊接工艺参数不同，对比例二的打底层焊接的工艺参数为：焊接电流450a～500a，焊接电压34v～36v，焊接速度30cm/min～35cm/min，正面埋弧焊和背面埋弧焊焊接的工艺参数为：焊接电流480a～550a，焊接电压34v～37v，焊接速度30cm/min～35cm/min。对比例二得到的焊接接头的测试结果如表1所示。

对比例三：

对比例三与实施例一大致相同，不同之处在于选用的焊丝化学成分及质量百分比不同，对比例三选用焊丝化学成分及质量百分比为：c：0.016％～0.03％，si：0.8％～1.0％，mn:1.6％～2.5％，p:0.025％～0.03％，s:0.002％～0.03％，cr:17％～18％，mo：0％，ni：9％～11％，，cu：0％～0.01％，对比例三获得的焊接接头的测试结果如表1所示。

对比例四：

对比例四与实施例一大致相同，不同之处在于选用的焊剂不同，对比例四选用的焊剂为gxs-300q。对比例四获得的焊接接头的测试结果如表1所示。

表1实施例与对比例获得的焊接接头测试结果

由表1可以看出，对比例一和对比例二中，焊缝强度和本发明相当，但反面熔合线冲击值明显偏低，无法满足设计使用要求；对比例三和对比例四，焊缝强度相比本发明下降很多，无法形成足够强度的焊缝，且对比例三和对比例四的低温冲击韧性皆有所下降，不能满足设计使用要求。

综上所述，本发明的304l不锈钢厚板的埋弧焊焊接工艺，针对304l不锈钢厚板的特定成分范围和技术条件，优化x型坡口尺寸，选用合理的焊材、优化焊接工艺参数以解决焊接变形和焊接热输入较大引起的晶粒粗大、晶间腐蚀等问题，提高焊接接头质量，保证其在零下20摄氏度下具有良好的力学性能，确保探伤一次性合格。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点并具有高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。