一种超低温304L奥氏体不锈钢焊接用的熔敷金属材料及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种超低温304L奥氏体不锈钢焊接用的熔敷金属材料及制备方法，熔敷金属材料按重量百分比为：C：0.02～0.04％，Si：≤0.5％，Mn：1.0～2.5％，P：≤0.025％，S：≤0.015％，Ni：11.5～12.5％，Cr：18～19％，Mo：≤0.1％，Cu：≤0.75％，其余为铁。所述熔敷金属材料由埋弧焊丝与焊剂组合通过埋弧焊熔敷而成或者焊条通过电弧焊熔敷而成。焊材选择过程中控制铬镍当量比≤1.45，能使设计出来的焊条和埋弧焊丝熔敷金属具有合理的合金元素比例和稳定的力学性能，尤其是具有良好的超低温韧性，且抗裂性能好。焊缝在经过570℃±10℃×1h热处理后‑196℃冲击功≥50J。

A kind of deposited metal material and preparation method for welding 304L Austenitic Stainless Steel at ultra low temperature

【技术实现步骤摘要】
一种超低温304L奥氏体不锈钢焊接用的熔敷金属材料及制备方法
本专利技术属于焊接领域，涉及一种焊接材料，具体涉及一种超低温304L奥氏体不锈钢焊接用的熔敷金属材料及制备方法。
技术介绍
国内某大型压力容器项目为全不锈钢结构，设计工作温度为-163℃～-196℃，主要使用材料为304L，要求焊后热处理后焊缝及热影响区在77K(-196℃)时低温冲击功(AKV2)不低于50J。目前用于奥氏体不锈钢压力容器产品可靠实用的焊接方法为焊条电弧焊与埋弧焊，这两种方法与304L相匹配的焊材型号为E308L-XX和SF308LFB-S308L。308L焊材通常含有5～12FN铁素体，铁素体的存在能够有效防止焊接过程中出现热裂纹，但是却极大降低了熔敷金属的超低温韧性，特别是在热处理后，超低温韧性会进一步下降。国内外的308L焊条和埋弧焊丝及焊剂熔敷金属-196℃冲击功约为33J左右，经过热处理后其数值会降至15J左右，无法满足该项目要求。为使热处理后304L焊接接头-196℃冲击功不低于50J，可采用镍基焊材或全奥氏体焊材，但是这些焊材由于镍含量高，导致价格都在200元/kg以上，经济效益差，且浪费资源。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种超低温304L奥氏体不锈钢焊接用的熔敷金属材料化学成分设计，能使设计出来的焊条或埋弧焊丝与焊剂组合熔敷金属具有合理的合金元素比例和稳定的力学性能，尤其是具有良好的超低温韧性，且抗裂性能好。为了解决上述技术问，本专利技术采用的技术方案是：一种超低温304L奥氏体不锈钢焊接用的熔敷金属材料，其特征在于：按重量百分比为：C：0.02～0.04％，Si：≤0.5％，Mn：1.0～2.5％，P：≤0.025％，S：≤0.015％，Ni：11.5～12.5％，Cr：18～19％，Mo：≤0.1％，Cu：≤0.75％，其余为铁。优选的，所述熔敷金属材料中铬镍当量比≤1.45，即优选的，所述熔敷金属材料的铁素体数≤2.5FN。优选的，与埋弧焊丝配套的焊剂为氟碱型，主要化学成分按重量百分比为：CaO+MgO+CaF2+MnO≥50％，SiO2≤20％，CaF2≥15％。一种上述任意一项超低温304L奥氏体不锈钢焊接用的熔敷金属材料的制备方法，其特征在于：所述熔敷金属材料由埋弧焊丝与焊剂组合通过埋弧焊熔敷而成或者焊条通过电弧焊熔敷而成。优选的，在所述埋弧焊或电弧焊焊接过程中控制线能量≤24KJ/cm。优选的，在所述埋弧焊或电弧焊焊接过程中控制层间温度≤100℃。要提高304L焊接接头的超低温韧性，使热处理后-196℃冲击值≥50J，必须减少焊材熔敷金属中的铁素体含量。通过WRC-1992(FN)相组成图可知，影响焊材熔敷金属中铁素体含量的直接因素为铬镍当量比，因此必须控制焊材熔敷金属合金元素的比例来提高超低温韧性，而不是一味的增加镍含量。通过多次试验可知，控制铬镍当量比≤1.45，同时使焊材熔敷金属中铁素体数≤2.5FN，使焊材具有足够强度的同时，满足热处理后熔敷金属-196℃冲击功≥50J的要求，由于含有一定量的铁素体，焊材的抗裂性也十分优良。下面就本专利技术中各类合金元素的作用加以说明：碳(C)是提高钢材强度最经济的化学元素，但在不锈钢中碳会和铬形成Cr23C6，从而降低不锈钢的耐腐蚀性，因此对于低碳型不锈钢焊材规定碳含量最大为0.04％。由于碳能扩大奥氏体相区，增加镍当量数，因此本专利技术限制碳含量最小为0.02％。硅(Si)能降低钢的焊接性，在凝固时会发生偏析而形成低熔点共晶组分，特别是与镍结合后，因此本专利技术限制硅含量最大值为0.5％。Mn(锰)在低温时，可以很有效地稳定奥氏体，阻止其转变为马氏体，在焊接过程中，能够有效防止热裂纹的出现。锰元素还有一些固溶强化作用，但没有脆化作用，因此本专利技术限制锰含量最小值为1.0％。Cr(铬)是不锈钢中最主要的铁素体形成元素，为降低铬当量数，降低焊材中的铁素体含量，本专利技术限制铬含量最大值为19％。镍(Ni)是奥氏体形成元素，不锈钢中加入足够的镍后奥氏体相区可以扩展得很大，使奥氏体在低温下还保持稳定。通过多次焊接试验，确定镍含量在11.5～12.5％之间最为合适，既能满足热处理后焊接接头-196℃冲击值≥50J,也能最大程度节约镍。钼(Mo)是铁素体形成元素，可以促使钢组织中铁素体的形成和残留。钼加入不锈钢中主要是为了改善耐腐蚀性，特别是耐点蚀和耐隙缝腐蚀能力，也能提高高温强度。304L主要用于低温环境而非腐蚀介质中，因此焊材中太多钼含量无意义，还会增加铁素体含量，本专利技术限制钼含量最大为0.1％。硫(S)和磷(P)含量执行NB/T47018-2017《承压设备用焊接材料订货技术条件》标准，主要是为防止焊接过程中出现热裂纹。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过精确控制焊材熔敷金属合金成分，从而控制铬镍当量比≤1.45，在严格按照规定的工艺焊接后，确保焊缝组织中铁素体数≤2.5FN，使焊缝具有良好的强度和优异的超低温韧性，且焊缝在经过570℃±10℃×1h热处理后-196℃冲击功≥50J。同时该焊材与镍基焊材或全奥氏体焊材相比，镍含量较低，具有良好的经济效益。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步详细说明：实施例1本实施例选用三种不同的E308L-XX焊条采用电弧焊焊接304L，焊接位置为立焊，焊后进行570℃±10℃×1h热处理，焊条直径均为3.2mm。三种焊条的品牌、熔敷金属化学成分、铬镍当量比数值如表1所示，304L化学成分如表2所示，焊接工艺参数如表3所示，焊缝-196℃冲击功如表4所示。对比表1和表4可知，随着铬镍当量比数值的下降，焊条中铁素体含量逐渐下降，焊缝-196℃冲击功逐渐增加，当铬镍当量比数值为1.44时，焊缝中铁素体约为2FN，焊缝-196℃冲击功为56.7J，可以预见，当铬镍当量比值在1.45以内时，焊缝-196℃冲击功必在50J以上。表1中京雷E308L-16(改良型2)为常规308L焊条的改良版，其化学成分和铬镍当量比值符合本专利技术的技术要求。表1焊条熔敷金属化学成分表表2304L化学成分表表3焊接工艺参数表4焊缝-196℃冲击功焊接方法与焊接位置焊条品牌及型号焊缝冲击值(J)KV2SMAW3G伊萨E308L-1510、10、9SMAW3G京雷E308L-16(改良型1)42、48、46SMAW3G京雷E308L-16(改良型2)60、52、58实施例2本实施例选用三种不同的SF308LFB-S308L埋弧焊丝和焊剂组合采用埋弧焊焊接304L，焊接位置为平焊，焊后进行570℃±10℃×1h热处理，焊本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超低温304L奥氏体不锈钢焊接用的熔敷金属材料，其特征在于：按重量百分比为：C：0.02～0.04％，Si：≤0.5％，Mn：1.0～2.5％，P：≤0.025％，S：≤0.015％，Ni：11.5～12.5％，Cr：18～19％，Mo：≤0.1％，Cu：≤0.75％，其余为铁。/n

【技术特征摘要】
1.一种超低温304L奥氏体不锈钢焊接用的熔敷金属材料，其特征在于：按重量百分比为：C：0.02～0.04％，Si：≤0.5％，Mn：1.0～2.5％，P：≤0.025％，S：≤0.015％，Ni：11.5～12.5％，Cr：18～19％，Mo：≤0.1％，Cu：≤0.75％，其余为铁。


2.如权利要求1所述超低温304L奥氏体不锈钢焊接用的熔敷金属材料，其特征在于：所述熔敷金属材料中铬镍当量比≤1.45，即


3.如权利要求1所述超低温304L奥氏体不锈钢焊接用的熔敷金属材料，其特征在于：与埋弧焊丝配套的焊剂为氟碱型，主要化学成分按重量百分比为：CaO+MgO+CaF2+MnO≥50％，SiO2≤20％，CaF2≥15％。
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【专利技术属性】
技术研发人员：闵晓峰，吴梦先，莫芝林，潘伍覃，候华东，郭则明，林德钰，黄攀宇，祝强，
申请(专利权)人：武汉一冶钢结构有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42