[发明专利]超低温不锈钢焊接的保护气体

说明书

技术领域

本技术为不锈钢实芯焊丝和药芯焊丝焊接所用保护气体的应用领域。 

背景技术

由于液氮和液氦的工业应用，以及液化天然气运输所用的超低温不锈钢容器和设备等材料在焊接方面有很高的技术难度。目前在普通不锈钢的焊接技术上，普遍使用的是氩气+二氧化碳、氩气+氧气的焊接气体，而大多数普通配比的保护气体基本不能满足焊接工艺性能的要求。发明专利：201210194785.1“一种焊接用不锈钢保护气体”的气体组成为氩气+氢气，可以满足普通不锈钢材料在一股情况的使用，但在超低温状态下使用，必须考虑焊缝在超低温情况下的冲击韧性。即焊缝组织的铁素体含量要尽可能的低，但在焊接理论上，铁素体含量低于母材的情况下，容易出现焊接热裂纹。本发明的目的，就是要开发一种不锈钢焊缝的铁素体含量极低、韧性很好的奥氏体不锈钢焊接保护气体，以满足高等级不锈钢焊缝在超低温状态下具有良好的组织和低温韧性。 

发明内容

根据超低温不锈钢焊缝的特点，本发明专利技术的特点为惰性气体+活性气体+冶金气体，具体如下： 

惰性气体：氩气+氦气； 

活性气体：二氧化碳、或氧气、或二氧化碳+氧气； 

参与冶金的气体：氮气。 

氩气、氦气和氮气都是惰性气体，在焊接时可以有效保护熔池与母材热影响区不被氧化，但仅有惰性气体，而无活性气体时熔池中的金属没有活泼性，所必须添加少量氧化性的活性气体，以提高焊缝的熔接质量。在惰性气体中，氩气和氦气基本不与金属中的任何元素发生反应，仅有极少量的氮会与金属中的Cr发生反应。与氩气相比，氦的热导率大，在相同焊接电流和电弧长度条件下，氦弧的电弧比氩弧高，电弧能量密度大，弧柱细密而集中，得到的焊缝有较大的熔透率，并且氦气的冷却效果好。事实也证明，用含氦气的混合气体在焊接不锈钢时，焊接弧柱的稳定性和根部的熔透率都比纯氩气要好得多。 

针对超低温不锈钢材料，一定要考虑焊缝金属的低温韧性，低温韧性又要有良好的奥氏体组织，而想要保持奥氏体组织的稳定和扩大，必须要抑制铁素体组织的扩大，在这种情况下，在混合气体中添加氮气就成为必要条件。 

氮是非常强烈地形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体相区的形成元素，氮形成奥氏体的能力约相当于镍的30倍，此外氮元素固溶强化作用明显，可以显著提高材料的强度，而断裂韧性并不降低。在焊接过程中，氮并不会全部参与冶金活动，只会有极少数与焊缝中的Cr发生反应生产CrN和Cr₂N，从而可以显著提高材料的强度，有资料显示，当金属中存在0.1％的氮时，材料的抗拉强度则提高100MPa左右，同时，由于氮元素的加入，可以维持奥氏体组织稳定，并显著提高焊缝金属的冲击韧性。 

综上所述，本发明开发的混合气体在总容积100％的前提下，进行如下配方： 

惰性气体(90％～99％)：氩气40％～85％、氦气15％～40％，其中惰性气体的比例为总体积分数的90％～99％； 

活性气体(0.5％～5％)：二氧化碳0.5％～5％；或氧气0.5％～5％；或二氧化碳+氧气0.5％～5％；活性气体的比例为总体积分数的0.5％～5％； 

冶金气体：氮气的总加入量0.5％～5％。 

在上述气体组成中，活性气体和冶金气体的加入比例一定要按设计定量配置，惰性气体中的氩气可以作为余量最后加入，氦气也可以作为余量最后加入。 

根据不锈钢材料的牌号特点，不含氮的不锈钢，添加的氮气含量要尽可能低；对于含氮的不锈钢材料，添加的氮气要根据母材中氮元素的比例要求进行调整。 

用专用气体混合设备将所需要的气体罐装到一起，使用时与普通的焊接保护气体一样进行操作。 

具体实施方式

如国际热核聚变实验堆ITER项目中316LN材料的使用温度为4K(-269℃)～77K(-196℃)，技术要求明确规定不能使用任何含药皮和药剂的焊接材料进行焊接，使该项目焊接方法的选择范围变得非常狭窄，即唯一只能使用实芯焊丝进行焊接。而对于使用实芯焊丝焊接316LN材料，在国内还没有焊接完全成功的公开资料，从现有的文献资料看，芜湖船厂曾经用纯氩+二氧化碳的二元气体焊接316LN材料，用各种试验方法焊接了许多遍，均无法满足最基本的焊接工艺要求。对于超低温状态的使用情况，其焊接技术难度就更大了。 

在焊接试验的项目中使用了本技术方案的四元混合气体，与两元混合气体相比，其低温韧性非常优越(见表1)。