專利名稱：：用雙相不銹鋼制造焊接鋼管的方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種用雙相不銹鋼制造焊接管的方法，特別是用激光焊接的方法。由鐵素體相和奧氏體相組成的雙相不銹鋼作為一種優(yōu)良的抗腐蝕鋼材應用于化工企業(yè)、管線、油井管等等。通過控制此類鋼中Cr、Ni、Mo以及N的含量可以增強在包含氯離子和二氧化碳的環(huán)境中的抗腐蝕性。此類鋼材的屈服應力和拉伸強度高于奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼。在一種現(xiàn)行的連續(xù)管材成型工藝中，焊接鋼管的制造是通過用一組成型輥將鋼帶輥壓成型為管狀再將其對邊焊接起來。該工藝比較適合于用雙相不銹鋼制造焊接管。上述工藝中的焊接方法，可以是熔焊如TIG焊，等離子焊或埋弧焊，或者是加壓焊接如電阻焊(ERW)。一般地說，熔焊很少產(chǎn)生焊接缺陷且有優(yōu)良的可焊性。但是熔焊由于焊接速度低因而生產(chǎn)率低。埋弧焊的焊接速度較高，因該方法允許進行大熱輸入量焊接。但是埋弧焊由于在空氣中使用粉末焊劑不可避免地引起諸如O、N等氣體侵入鋼中，其結果是焊接部位有氧化物和氮化物析出，使其韌性下降。另外，埋弧焊由于熱輸入量大，高溫裂紋產(chǎn)生頻率提高。韌性下降可通過采用強堿性焊劑以降低焊接部位氧含量來改善。采用強堿性焊劑，由于焊劑改善可作為點蝕起始點的元素濃度無規(guī)分布，還可提高腐蝕抗力。但是，強堿性焊劑由于其熔點較高，不利于提高焊接速度。另外，強堿性焊劑易于引入諸如夾渣或咬邊(熔化部位凹陷)等焊接缺陷。另一方面，采用電阻加熱或感應加熱的加壓焊接方法(或縫焊)生產(chǎn)率比熔焊高。但是縫焊因焊接過程中加熱，易于在接合面上形成氧化物，產(chǎn)生焊接缺陷。尤其是雙相不銹鋼，會析出諸如Cr、Si或Mn等的氧化物。這些氧化物可能遺留在焊接部位成為缺陷，因其熔點比基體高，這些缺陷被稱之為過燒，這樣焊接部位的韌性和耐腐蝕性就下降。在縫焊中，結合面在焊接時要加壓，因而焊接部位因塑性變形(金屬流變升高)而出現(xiàn)一個較厚的局部。雖然該局部通常都進行機加工，但機加工使非金屬夾雜物暴露在管的表面，使其韌性和耐腐蝕性下降。一般地說，力學特性尤其是韌性，在垂直于鋼板表面的方向比平行于鋼板表面的方向要差。因此，結合部金屬流變升高使得垂直于鋼板表面的方向相對于管材園周面成直角，造成韌性的降低。本發(fā)明的目的是提供一種以高生產(chǎn)率用雙相不銹鋼制造具有優(yōu)良韌性和耐腐蝕性的焊接鋼管的方法。為達到上述目的，采用了一種用雙相不銹鋼制造焊接鋼管的方法，該方法包括如下步驟(a)生產(chǎn)一種熱軋雙相不銹鋼板，含有以重量計，0.03％或更少的C，1％或更少的Si，0.8至2.0％的Mn，0.03％或更少的P，0.01％或更少的S，20至30％的Cr，2.5至4％的Mo，4至7％的Ni，0.08至0.2％的N，其余基本為Fe；(b)用多步成型輥將熱軋鋼板連續(xù)成型為開口管；(c)用激光焊接法在頂鍛的同時將開口管相對的兩邊焊接起來；(d)對焊接部位板厚增加的部分進行磨削；以及(e)對焊接部位進行溫度范圍950至1100℃、保溫時間30至300秒的固溶處理。優(yōu)選在步驟(b)和步驟(c)之間插入下面的步驟(f)用電阻加熱法對開口管相對的兩邊進行加熱。發(fā)明目的也可通過采用另一種用雙相不銹鋼制造焊接鋼管的方法實現(xiàn)，該方法包括如下步驟(a)生產(chǎn)一種熱軋雙相不銹鋼板，包含以重量計，0.03％或更少的C，1％或更少的Si，0.8至2.0％的Mn，0.03％或更少的P，0.01％或更少的S，20至30％的Cr，2.5至4％的Mo，4至7％的Ni，0.08至0.2％的N，其余基本為Fe；(b)用多步成型輥將熱軋鋼板連續(xù)成型為開口管；(g)用電阻法加熱開口管相對的兩邊，將兩邊加壓連接同時在該處產(chǎn)生頂鍛；(h)對連接部位板厚增加的部分進行磨削；(i)用激光束使連接部位重熔形成熔化部位；以及(e)對焊接部位進行溫度范圍950至1100℃，保溫時間30至300秒的固溶處理。圖1所示為模擬在本發(fā)明的一個實施方案中制造焊接鋼管的試驗裝置的示意圖。為制造作為本發(fā)明的焊接鋼管的母材的雙相不銹鋼熱軋鋼板，這種鋼的化學成分為C碳形成碳化物并產(chǎn)生貧Cr層，因C含量高于0.03％會增加貧Cr層量并降低耐腐蝕性，C含量定為0.03％或更少，優(yōu)選為0.02％或更少。Si由于Si含量高于1％會降低熱加工性，Si含量定為1％或更少，優(yōu)選為0.5％或更少。Mn為保證在氯化物環(huán)境下對抵抗點蝕有利的元素N的充分固溶，Mn加入量須為0.8％或更多。另一方面，Mn加入量過多超過2.0％會降低在硫化氫環(huán)境下的點蝕抗力。因此，Mn含量范圍為0.8至2.0％，優(yōu)選為1.0至1.7％。P由于P含量高于0.03％時在氯化物環(huán)境或硫化氫環(huán)境下引起應力腐蝕開裂，P含量定為0.03％或更少，優(yōu)選為0.02％或更少。S由于S含量高于0.01％會降低熱加工性，S含量定為0.01％或更少，優(yōu)選為0.001％或更少。Cr鉻對耐腐蝕性有利。低于20％的Cr含量不能提供足夠的點蝕抗力，而高于30％的Cr含量降低熱加工性。因此，Cr含量定為20至30％，優(yōu)選為22至25％。Mo鉬有利于抵抗氯化物腐蝕。低于2.5％的Mo含量不能提供足夠的點蝕抗力，而高于4％的Mo含量降低熱加工性。因此，Mo含量最佳范圍定為2.5至4％，優(yōu)選為2.9至3.3％。Ni鎳在加入量為4％或更多時有利于保證韌性，高于7％的Ni含量降低點蝕抗力。所以，Ni含量的適宜范圍定為4至7％，優(yōu)選為5.0至6.2％。N氮可有效調節(jié)鐵素體相的分數(shù)。N加入量高于0.08％可增強氯化物腐蝕抗力。但是，N含量高于0.2％時，由于Cr2N析出使耐腐蝕性下降。因此，N含量適宜范圍定為0.08至0.2％，優(yōu)選為0.10至0.15％。除上述之外的其它元素只要不對本發(fā)明的目的產(chǎn)生不利影響都可加入或包含。在含有上述成分的熱軋鋼板成型完成之后，開始進行用于制造焊接管的管材成型步驟。在管材成型步驟中，采用類似于一般的電縫鋼管生產(chǎn)中所用的多步成型輥將熱軋鋼板連續(xù)成型為管材，在該步驟中，熱軋鋼板被成型為將接縫焊上后就成為管材的形狀，即開口管，其設備包括與常規(guī)縫焊管生產(chǎn)設備相同的一系列成型輥。鋼板的兩條待結合邊采用擠壓輥或類似設備對接到一起并產(chǎn)生頂鍛，再用激光束發(fā)生裝置施行激光焊接。由于激光焊采用氣體屏蔽將焊接部位與空氣隔絕，焊接部位的屏蔽效果高于采用粉末焊劑隔離焊接部位的埋弧焊，因此，激光焊降低了進入焊接部位的氧量。因為不使用焊劑，激光焊不引入夾渣。由于激光焊采用高密度能量束，其要求的熱輸入比埋弧焊低得多。其結果是性能可能下降的熱影響區(qū)的寬度顯著變窄。另外，激光焊在很高的焊接速度下進行，故生產(chǎn)率提高。激光焊是將整個結合面都熔化的熔焊法，故該方法很少產(chǎn)生常出現(xiàn)于縫焊中的過燒缺陷等缺陷。在激光焊時對邊緣部位施加頂鍛，可避免熔區(qū)分離及咬邊。對頂鍛造成的板厚增加部位進行磨削可保證板厚的均一性，以便在下一步固溶處理時均勻加熱焊接部位。雙相不銹鋼的焊接使焊接部位鐵素體相分數(shù)增加，降低耐腐蝕性和低溫韌性。為避免這些缺限，對焊接部位進行950至1000℃溫度范圍內保溫30至300秒的固溶處理可有效地實現(xiàn)組織均勻化。低于950℃的加熱溫度會引發(fā)σ相的形成而顯著降低低溫韌性，而高于1100℃的加熱溫度造成鐵素體相達到或超過60％，因而降低耐腐蝕性。短于30秒的保溫時間不能達到充分固溶，而長于300秒保溫時間又會造成晶粒粗化而降低低溫韌性。優(yōu)選地加熱溫度為1020至1070℃，保溫時間為30至200秒。如上所述，本發(fā)明的方法可在高生產(chǎn)率下用雙相不銹鋼制造焊接部位有優(yōu)良韌性和耐腐蝕性的焊接管材。在上述激光焊接法中，在管材成型步驟之后，優(yōu)選用電阻法加熱開口管相對的兩邊以預熱待焊部位。預熱可縮短隨后的激光焊步驟的熔化時間并提高生產(chǎn)率。本發(fā)明還提供一種方法，在完成管材成型步驟之后，成型開口管相對的兩邊以電阻加熱焊接在一起并產(chǎn)生頂鍛，然后磨削接頭部位板厚增加的部分，即頂鍛部分以便在下一步的重熔過程中使激光束集中于接頭部位，隨后用激光束加熱使接頭部位自管內向管外發(fā)生重熔，例如用二氧化碳激光束以10kW的激光輸出加熱來在高生產(chǎn)率下生產(chǎn)具有優(yōu)良韌性和耐腐蝕性的雙相不銹鋼焊接管。由于前一段所述過程中包括的管材成型步驟和焊接步驟與生產(chǎn)電縫鋼管的過程相同，進一步提高速度是有可能的。這種接頭中仍含有能造成過燒的氧化物夾雜及其它缺陷。但是如果激光束定向于接頭部位從而使氧化物夾雜破碎且破碎的夾雜物彌散分布或是熔化時由于對流作用而被排除到邊緣，所制得的焊接鋼管可具有優(yōu)良的韌性和耐腐蝕性。上述制造方法可用于現(xiàn)成的電縫鋼管生產(chǎn)設備上，只需增加一套激光發(fā)生器，當然該方法也可用于新建的生產(chǎn)設備。實施例1本發(fā)明的主要目的是改善焊接部位的力學特性和耐腐蝕性。在這方面，發(fā)明人進行了實驗室模擬試驗以模擬實際焊接鋼管的焊接部位。表1所示為實驗用鋼的化學分析結果。每種鋼都在實驗室中真空熔化制成50kg的鋼錠。鋼錠熱軋至12mm厚以制備試樣。圖1所示為模擬焊接管制造過程的試驗裝置。標號1所示為鋼板，2為電阻加熱用電極(觸頭)，3為擠壓輥，4為激光束，5為成型輥。成型輥5接納模擬鋼板1的相對兩邊的兩塊試樣，試樣通過由觸頭2輸入的高頻電流進行電阻加熱法加熱，然后由擠壓輥3施壓，二氧化碳激光束4射向雙邊接合部。對于工業(yè)用擠壓輥，頂鍛形成于開口管外部面，而模擬裝置的擠壓輥產(chǎn)生的頂鍛在試樣橫向。表1中所示成分的試樣以圖1所示裝置焊接制成焊接試樣。焊接條件為焊接速度10m/min，激光輸出10kW，焦點處束斑直徑0.5mm。激光束垂直照向鋼板聚焦于焊邊接合部。對每個制成的焊接試樣，進行1050℃下保溫180秒的固溶處理，然后水冷。試樣進行接頭拉伸試驗、夏比沖擊試驗及點蝕試驗。有無焊接缺陷通過觀察夏比沖擊試驗試樣斷面來確定。焊接部位的腐蝕試驗通過在不同溫度條件下將試樣浸入10％FeCl3·6H2O溶液中72小時的點蝕試驗來進行，通過產(chǎn)生點蝕的臨界溫度CPT來評價，焊接部位的韌性通過-40℃下的吸收能vE-40來評價。試驗結果歸納于表2。本發(fā)明鋼樣1號至8號vE-40都超過100J，范圍從119至225J，CPT等于或高于35℃，范圍從35至50℃，表現(xiàn)出較好的韌性和耐腐蝕性。接頭拉伸強度范圍從753至785N/mm2(MPa)，表明其強度在足夠高的范圍內。這些鋼樣中未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷。相反，對比鋼樣9號及10號韌性差，vE-40分別為75J和63J，耐腐蝕性差，CPT為20℃。在10號對比鋼樣中，夏比沖擊試驗試樣斷面上有焊接缺陷，其接頭拉伸強度低，為507N/mm2(MPa)。實施例2采用實施例1中5號和7號鋼熱軋樣品，以圖1所示試驗裝置制作激光焊接樣品和縫焊接樣品?？p焊樣品制作不使用激光束加熱而是采用觸頭輸入的高頻電流以加熱樣品，然后用擠壓輥施壓，隨后進行與實施例1相同的固溶處理。所有樣品焊接部位韌性都以與上述相同的方法評價。試驗結果歸納于表3。縫焊樣品的vE-40值比激光焊樣品低得多。因此，激光焊對于獲得好的焊接部位韌性更有利。實施例3對實施例1中5號和7號鋼熱軋樣品以圖1所示試驗裝置進行激光焊接后制取1050℃180秒或30秒固溶處理以及不經(jīng)固溶處理的樣品。對所有這些樣品進行前述夏比沖擊試驗和點蝕試驗，試驗結果歸納于表4。未固溶處理樣品的vE-40和CPT值遠低于經(jīng)固溶處理的樣品，本發(fā)明的固溶處理對于獲得焊接部位好的韌性和好的耐腐蝕性是必要的。表1</tables>表2表3<tablesid="table3"num="003"><tablewidth="388">鋼號焊接方法vE-40(J)備注5577LWERWLWERW2312512110本發(fā)明對比本發(fā)明對比</table></tables>LW激光焊ERW電阻焊權利要求1.一種用雙相不銹鋼制造焊接鋼管的方法，包括如下步驟用多步成型輥將熱軋雙相不銹鋼連續(xù)成型為有相對邊的開口管，該雙相不銹鋼板包含以重量計，0.03％或更少的C，1％或更少的Si，0.8至2.0％的Mn，0.03％或更少的P，0.01％或更少的S，20至30％的Cr，2.5至4％的Mo，4至7％的Ni，以及0.08至0.2％的N，其余基本為Fe；焊接上述開口管相對邊形成焊接管，同時頂鍛，采用激光束將相對邊加熱至焊接溫度；磨削焊接部位由于頂鍛發(fā)生板厚增加的部分，以及對焊接部位實行溫度范圍950至1100℃保溫時間30至300秒的固溶處理。2.權利要求1的方法，所述激光束為二氧化碳氣體激光束。3.權利要求1的方法，在所述開口管成型之后，焊接之前，以電阻加熱預熱開口管相對邊。4.權利要求2的方法，在其開口管成型之后，焊接之前，以電阻加熱預熱開口管相對邊。5.一種用雙相不銹鋼制造焊接鋼管的方法，包括如下步驟用多步成型輥將熱軋雙相不銹鋼連續(xù)成型為有相對邊的開口管，該雙相不銹鋼包含以重量計，0.03％或更少的C，1％或更少的Si，0.8至2.0％的Mn，0.03％或更少的P，0.01％或更少的S，20至30％的Cr，2.5至4％的Mo，4至7％的Ni，以及0.08至0.2％的N，其余基本為Fe；用電阻加熱法加熱上述開口管的相對兩邊并通過施加頂鍛使該相對邊產(chǎn)生加壓連接形成焊接管；磨削焊接部位由于頂鍛發(fā)生板厚增加的部分；用激光束使焊接部位重熔產(chǎn)生熔化區(qū)，以及對焊接部位實行溫度范圍950至1100℃，保溫時間30至300秒的固溶處理。6.權利要求5的方法，所述激光束為二氧化碳氣體激光束。全文摘要一種用雙相不銹鋼制造焊接鋼管的方法，包括步驟為制備熱軋雙相不銹鋼板，包含以重量計，0.03％或更少的C，1％或更少Si，0.8至2.0％的Mn，0.03％或更少的P，0.01％或更少的S，20至30％的Cr，2.5至4％的Mo，4至7％的Ni，0.08至0.2％的N，其余基本為Fe。用多步成型輥將該熱軋鋼板連續(xù)成型為開口管。用激光輻射加熱同時頂鍛將開口管相對兩邊焊接。磨削焊接部位板厚增加的部分。對焊接部位施加溫度范圍950至1100℃保溫時間30至300秒的固溶處理。本發(fā)明也提供一種用激光束焊接并對焊接部位進行前述固溶處理的方法。文檔編號C22C38/44GK1157768SQ9611978公開日1997年8月27日申請日期1996年12月13日優(yōu)先權日1995年12月18日發(fā)明者鹽崎毅,小野守章,大村雅紀,長濱裕,佐藤昭夫申請人:日本鋼管株式會社