本發(fā)明屬于材料加工領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于高氮奧氏體不銹鋼焊接的奧氏體不銹鋼焊絲及其焊接工藝。
背景技術(shù)：
高氮奧氏體不銹鋼是指氮含量超過0.4wt％的奧氏體不銹鋼，它是目前正在蓬勃發(fā)展的一類新型工程材料。高氮奧氏體不銹鋼主要是利用氮元素來部分甚至完全代替合金元素鎳以獲得奧氏體組織，利用氮進(jìn)行合金化具有很多優(yōu)點(diǎn)：(1)與碳相比，氮為更加有效的固溶強(qiáng)化元素，同時(shí)可以促進(jìn)晶粒細(xì)化；(2)氮是強(qiáng)烈的奧氏體形成化元素，可以減少合金中的鎳含量，降低鐵素體和形變馬氏體形成能力；(3)盡管氮對(duì)材料在酸中抗總體腐蝕性能沒有明顯改善，但可以極大地提高材料抗點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕能力。因此，高氮奧氏體不銹鋼具有良好的強(qiáng)韌性和耐蝕性。
高氮奧氏體不銹鋼具有高氮的性質(zhì)，其熔化焊接時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)的問題：(1)焊縫區(qū)氮的損失即氮?dú)饪椎男纬珊偷囊莩?，降低了焊縫中的固溶氮含量，造成接頭性能的下降；(2)焊縫區(qū)和焊接熱影響區(qū)氮化物、碳化物以及碳氮化物的析出，力學(xué)性能和抗腐蝕性能都會(huì)隨之下降；(3)焊縫凝固裂紋及熱影響區(qū)液化裂紋的形成。當(dāng)高氮奧氏體不銹鋼焊接接頭出現(xiàn)上述問題時(shí)，接頭力學(xué)性能、耐蝕性能都會(huì)隨之下降，如何選擇焊接工藝以及合適的焊接材料解決這些問題，將關(guān)系著高氮奧氏體不銹鋼的應(yīng)用前景。
目前，市場上沒有針對(duì)高氮奧氏體不銹鋼的焊接材料，焊接材料的開發(fā)與選用基本上存在兩種方向，一類是Ni基合金，即采用含鎳量高并含有大量的Cr、Mo等合金元素的超合金化焊接材料進(jìn)行焊接，焊后可以獲得相對(duì)滿意的耐腐蝕性能，但常規(guī)的力學(xué)性能稍差，焊縫中氮?dú)饪仔纬呻y以控制；另一類就是奧氏不銹鋼焊絲，例如采用Cr20Ni10Mn7Mo焊絲，強(qiáng)韌性與母材相當(dāng)，但焊縫存在大量的氮?dú)饪住?/p>
因此，隨著高氮奧氏體不銹鋼的廣泛應(yīng)用，焊接材料的研制及其焊接工藝的選擇成為亟待解決的問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種適用于高氮奧氏體不銹鋼焊接的奧氏體不銹鋼焊絲及其焊接工藝，解決現(xiàn)有高氮奧氏體不銹鋼焊接問題尤其是氮?dú)饪讍栴}。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：
本發(fā)明提供一種高氮奧氏體不銹鋼焊絲，該焊絲的化學(xué)成分按重量百分比表示為：C：0.01％～0.03％，Si：0.75％～0.90％，Mn：2.0％～6.0％，Cr：18％～22％，Ni：6.0％～9.0％，Mo：≤0.1％，N：0.20％～0.40％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，余量為鐵和雜質(zhì)。
優(yōu)選地，該焊絲的化學(xué)成分按重量百分比表示為：C：0.01％～0.02％，Si：0.80％～0.85％，Mn：3.5％～6.0％，Cr：19％～22％，Ni：6.0％～8.5％，Mo：≤0.1％，N：0.25％～0.35％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，余量為鐵和雜質(zhì)。
所述高氮奧氏體不銹鋼焊絲通過冶煉→軋制→熱處理→拉拔工藝制備。
所述高氮奧氏體不銹鋼焊絲適用于6～20mm厚、氮含量0.50％～0.70％的高氮奧氏體不銹鋼的焊接。
采用所述高氮奧氏體不銹鋼焊絲焊接的焊接接頭缺欠質(zhì)量不低于1級(jí)焊縫，焊縫金屬抗拉強(qiáng)度≥870MPa，-40℃沖擊吸收功≥60J。
本發(fā)明提供一種利用所述的高氮奧氏體不銹鋼焊絲的焊接工藝，在熱輸入為10～18kJ/cm的條件下，采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，層間溫度小于100℃。
所使用的保護(hù)氣體為Ar+2％～4％N2混合氣體。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：
本發(fā)明所述的焊絲，可用于氮含量0.50％～0.70％的高氮奧氏體不銹鋼的焊接，焊接接頭缺欠質(zhì)量不低于1級(jí)焊縫，焊縫金屬具有良好的強(qiáng)韌性，抗拉強(qiáng)度≥870MPa，-40℃沖擊吸收功≥60J。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。
針對(duì)上述目的，本發(fā)明提供一種適用于高氮奧氏體不銹鋼焊接的奧氏體不銹鋼焊絲，其化學(xué)成分重量百分比為：C：0.01％～0.03％，Si：0.75％～0.90％，Mn：2.0％～6.0％，Cr：18％～22％，Ni：6.0％～9.0％，Mo：≤0.1％，N：0.20％～0.40％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，余量為鐵和通常煉鋼存在的雜質(zhì)。
其中，
N：氮是強(qiáng)烈的奧氏體化元素，這是采用氮進(jìn)行合金化的一個(gè)主要原因。作為高氮奧氏體不銹鋼中主要的合金元素氮，使材料具有優(yōu)良的綜合性能性能。綜合考慮氮對(duì)材料性能的影響、氮的溶解度極限、熔焊時(shí)母材熔合比、焊絲焊接冶煉加工和焊接工藝性能的影響，本發(fā)明焊絲氮含量選擇為0.20～0.40wt％。
Cr：鉻是在焊絲的組分中最重要的合金元素之一，它使合金具備了最基本的抗腐蝕性能。鉻可以提高氮在基體中的溶解度；同時(shí)鉻也是鐵素體形成元素，會(huì)對(duì)焊縫的凝固行為產(chǎn)生影響。本發(fā)明焊絲鉻含量選擇為18～22wt％。
Ni：在焊絲設(shè)計(jì)中，通過加入一定量的合金元素鎳，一方面可以起到控制凝固態(tài)焊縫組織中的鐵素體含量；另一方面，鎳的加入可以用來提高焊縫的韌性。本發(fā)明焊絲鎳含量選擇為6.0～9.0wt％。
C元素：為了降低由于敏化反應(yīng)(碳化物的沿晶析出)所引發(fā)晶界鉻元素的降低所引起接頭抗腐蝕性能的降低，本發(fā)明在焊絲設(shè)計(jì)中嚴(yán)格控制碳含量，選擇為0.1～0.3wt％。
Mn：錳既是非氮化物形成元素，又能提高氮在合金中的溶解度，所以在高氮奧氏體不銹鋼焊絲設(shè)計(jì)中可以添加適量的錳以達(dá)到增氮的目的，本發(fā)明焊絲錳含量選擇為2.0～6.0wt％。
Mo：大幅提高不銹鋼的抗全面和局部腐蝕性能，但鉬是強(qiáng)烈的鐵素體化形成元素，會(huì)使焊縫保留較多的鐵素體，而氮在鐵素體中較低的溶解度可能會(huì)降低焊縫中的氮含量，對(duì)接頭的強(qiáng)度不利。本發(fā)明焊絲控制鉬含量不大于0.1wt％。
本發(fā)明所述高氮奧氏體不銹鋼焊絲通過冶煉→軋制→熱處理→拉拔工藝制備，具體為：
根據(jù)本發(fā)明焊絲的化學(xué)成分范圍進(jìn)行控制冶煉，對(duì)冶煉好的鋼錠軋制成盤條，再進(jìn)行熱處理、拉拔，最終獲得Ф1.2mm尺寸的焊絲。
本發(fā)明所述的焊絲，可用于6～20mm厚、氮含量0.50％～0.70％的高氮奧氏體不銹鋼的焊接，焊接接頭缺欠質(zhì)量不低于1級(jí)焊縫，焊縫金屬具有良好的強(qiáng)韌性，抗拉強(qiáng)度≥870MPa，-40℃沖擊吸收功≥60J。
利用本發(fā)明所述的焊絲的進(jìn)行焊接的焊接工藝為：在熱輸入為10～18kJ/cm的條件下，采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊進(jìn)行試板焊接，保護(hù)氣體為Ar+2％-4％N2混合氣體，層間溫度小于100℃。
實(shí)施例1
針對(duì)14mm厚高氮奧氏體不銹鋼，采用本發(fā)明焊絲進(jìn)行熔化極惰性氣體保護(hù)焊接，高氮奧氏體不銹鋼和焊絲化學(xué)成分如表1所示。焊接電壓20V，焊接電流180A，焊接速度20cm/min，熱輸入為10.8kJ/cm，保護(hù)氣體為Ar+2.5％N2，層間溫度小于100℃。焊接接頭無氣孔、裂紋，焊縫金屬抗拉強(qiáng)度895MPa，-40℃沖擊吸收功95J。
表1實(shí)施例1高氮奧氏體不銹鋼和焊絲化學(xué)成分(wt％)
實(shí)施例2
針對(duì)20mm厚高氮奧氏體不銹鋼，采用本發(fā)明焊絲進(jìn)行熔化極惰性氣體保護(hù)焊接，高氮奧氏體不銹鋼和焊絲化學(xué)成分如表2所示。焊接電壓30V，焊接電流300A，焊接速度30cm/min，熱輸入為18kJ/cm，保護(hù)氣體為Ar+4.0％N2，層間溫度小于100℃。焊接接頭缺欠質(zhì)量達(dá)到1級(jí)，焊縫金屬抗拉強(qiáng)度875MPa，-40℃沖擊吸收功102J。
表2實(shí)施例2高氮奧氏體不銹鋼和焊絲化學(xué)成分(wt％)
實(shí)施例3
針對(duì)8mm厚高氮奧氏體不銹鋼，采用本發(fā)明焊絲進(jìn)行熔化極惰性氣體保護(hù)焊接，高氮奧氏體不銹鋼和焊絲化學(xué)成分如表3所示。焊接電壓20V，焊接電流180A，焊接速度20cm/min，熱輸入為10.8kJ/cm，保護(hù)氣體為Ar+2.5％N2，層間溫度小于100℃。焊接接頭無氣孔、裂紋，焊縫金屬抗拉強(qiáng)度910MPa，-40℃沖擊吸收功61J。
表3實(shí)施例3高氮奧氏體不銹鋼和焊絲化學(xué)成分(wt％)