本发明涉及焊接工艺技术领域，尤其涉及一种提高304l奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法。
背景技术：
304l奥氏体不锈钢具有较高的强度和优良的低温韧性和塑形，同时由于碳含量低，具有优良的耐腐蚀性，常常被用做低温用钢，如国内生产的深冷低温液体储运容器，使用温度通常为-196~-183℃，主体母材通常为18-8型奥氏体不锈钢。
目前压力容器产品主要采用焊条电弧焊进行焊接，对于304l奥氏体不锈钢，通常采用化学成分相匹配的e308l-xx焊条，其熔敷金属-196℃低温冲击功平均为34j左右，能够满足一般民用产品的使用要求。然而对于一些军工产品，如大型低温风洞，要求焊接接头在热处理后-196℃低温冲击功到达50j以上甚至更高，采用常规的焊条电弧焊工艺无法达到要求。
虽然304l奥氏体不锈钢焊条电弧焊工艺已经非常成熟了，但由于焊接接头热处理后晶界析出cr23c6，会降低耐腐蚀性能，因此一般的304l奥氏体不锈钢产品不进行热处理。而军工产品一般采用中厚板，焊接接头质量要求高，需要进行去应力热处理，这会极大的降低焊接接头-196℃低温韧性，如果采用常规的焊条电弧焊工艺其焊接接头-196℃低温冲击功平均只有20j左右，远远不能满足使用要求，而国内对于这方面的研究成果几乎没有。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于提供一种提高304l奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，特别是提高在-196℃及以下的低温韧性。
为实现上述目的，本发明提供一种提高304l奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，包括以下步骤：
对304l母材制备坡口后，将需焊接的304l母材进行组对装配，采用钨极氩弧焊进行点固焊；
采用双面钨极氩弧焊进行打底焊接；
采用焊条电弧焊进行填充层和盖面层的焊接；
对焊接后的304l奥氏体不锈钢焊接接头进行热处理。
优选地，对304l母材制备坡口后，采用氧乙炔中性焰对304l母材坡口两侧预设范围进行加热以去除水分。
优选地，采用钨极氩弧焊进行点固焊后，采用砂轮机将点固焊背面焊缝进行打磨，直至露出银白色金属光泽。
优选地，焊条电弧焊进行填充层和盖面层的焊接时，焊条选用e316lmn-15，焊条中除了n元素外的其它化学成分均符合gb/t983标准，n元素的质量含量＜0.1%，焊条在300~350℃下烘烤1~2h，采用摆动焊进行焊接，焊条摆动的幅度小于等于所使用焊条直径的5倍。
优选地，进行填充层焊接时，对于φ3.2mm的焊条，焊接电弧电压控制为20~24v，焊接电流为90~100a，焊接速度为50~85mm/min，线能量为12.7~28.8kj/cm；对于φ4.0mm的焊条，焊接电弧电压控制为20~24v，焊接电流为115~125a，焊接速度为55~80mm/min，线能量为17.3~32.7kj/cm。
优选地，进行盖面层焊接时，对于φ3.2mm的焊条，控制焊接电弧电压为20~24v，焊接电流为90~100a，焊接速度为70~80mm/min，线能量为13.5~20.6kj/cm；对于φ4.0mm的焊条，控制焊接电弧电压为20~24v，焊接电流为105~115a，焊接速度为65~95mm/min，线能量为13.3~25.5kj/cm。
优选地，所述对焊接后的304l奥氏体不锈钢焊接接头进行热处理的步骤具体如下：
热处理温度为550~590℃，保温时间为1~2h，保温结束到400℃的温度范围内控制降温速率≥65℃/h，温度降至400℃之后在空气中冷却至室温。
优选地，在焊接过程中，控制层间温度≤100℃。
优选地，钨极氩弧焊采用直流正接电源，焊条电弧焊采用直流反接电源。
优选地，采用双面钨极氩弧焊进行打底焊接时，焊丝选用er316lmn，焊条中除了n元素外的其它化学成分均符合gb/t983标准，n元素的质量含量＜0.1%，两名焊工针对同一坡口根部同一时间同一速度焊接，正面坡口由一名焊工采用填丝焊，同时另外一名焊工在坡口背面进行不填丝重熔。
本发明提出的提高304l奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，相对于传统的焊接工艺（采用e308l-xx焊条，碳弧气刨清根，层间温度控制在150℃以内，热处理保温结束后直接炉冷等），其焊接接头低温冲击韧性大幅度提高，经过去应力热处理的焊接接头的-196℃低温冲击功＞50j，能够满足军工产品比如大型低温风洞的使用要求，且焊接接头的抗拉强度、塑性均符合承压设备工艺评定的要求。另外，通过控制热处理过程中的降温速率，避免了晶间腐蚀倾向，改善焊接接头的耐腐蚀性能。此外，本焊接方法操作过程简单，能够实现工程应用。
附图说明
图1为本发明对比例1在焊接和热处理后焊缝的微观金相图；
图2为本发明实施例1在焊接和热处理后焊缝的微观金相图；
图3为本发明实施例1热处理后焊接接头的晶间腐蚀试样微观金相图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种提高304l奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，包括以下步骤：
步骤s10，对304l母材制备坡口后，将需焊接的304l母材进行组对装配，采用钨极氩弧焊进行点固焊；
步骤s20，采用双面钨极氩弧焊进行打底焊接；
步骤s30，采用焊条电弧焊进行填充层和盖面层的焊接；
步骤s40，对焊接后的304l奥氏体不锈钢焊接接头进行热处理。
步骤s10中，对304l母材制备坡口后，采用氧乙炔中性焰对304l母材坡口两侧预设范围（如304l母材坡口两侧20mm范围）进行加热以去除水分。
采用钨极氩弧焊进行点固焊后，采用砂轮机将点固焊背面焊缝进行打磨，直至露出银白色金属光泽。点固焊的焊接材料、焊接工艺与钨极氩弧焊打底焊（正面坡口）相同。
步骤s20中，采用双面钨极氩弧焊进行打底焊接时，焊丝选用er316lmn，两名焊工针对同一坡口根部同一时间同一速度焊接，正面坡口由一名焊工采用填丝焊，同时另外一名焊工在坡口背面进行不填丝重熔。
双面钨极氩弧焊焊接参数如下：焊丝选用φ2.4mm的er316lmn；钨极直径为2.5mm；正面坡口氩气流量为15~20l/min，背面坡口氩气流量为10~15l/min，氩气纯度≥99.99%；正面坡口焊接电弧电压为10~12v，焊接电流为120~150a，焊接速度为60~80mm/min，线能量为9~18kj/cm；背面坡口焊接电弧电压为10~12v，焊接电流为100~120a，焊接速度为60~80mm/min，线能量为7.5~14.4kj/cm；采用摆动焊进行焊接。
步骤s30中，焊条电弧焊进行填充层和盖面层的焊接时，焊条选用φ3.2mm或φ4.0mm的e316lmn-15，焊条在300~350℃下烘烤1~2h，使用过程中放在保温筒内随用随取，采用摆动焊进行焊接，焊条摆动的幅度小于等于所使用焊条直径的5倍。
进行填充层焊接时，对于φ3.2mm的焊条，焊接电弧电压控制为20~24v，焊接电流为90~100a，焊接速度为50~85mm/min，线能量为12.7~28.8kj/cm；对于φ4.0mm的焊条，焊接电弧电压控制为20~24v，焊接电流为115~125a，焊接速度为55~80mm/min，线能量为17.3~32.7kj/cm。
进行盖面层焊接时，对于φ3.2mm的焊条，控制焊接电弧电压为20~24v，焊接电流为90~100a，焊接速度为70~80mm/min，线能量为13.5~20.6kj/cm；对于φ4.0mm的焊条，控制焊接电弧电压为20~24v，焊接电流为105~115a，焊接速度为65~95mm/min，线能量为13.3~25.5kj/cm。
步骤s40具体如下：
热处理温度为550~590℃，保温时间为1~2h，保温结束到400℃的温度范围内控制降温速率≥65℃/h，温度降至400℃之后在空气中冷却至室温。
采用上述热处理工艺，能够在不大幅度降低焊接接头-196℃低温韧性的基础上，消除约40%左右的残余应力。控制保温结束到400℃的温度范围内降温速率≥65℃/h，能够有效的防止晶间腐蚀倾向。
在焊接过程中，控制层间温度≤100℃。
钨极氩弧焊采用直流正接电源，焊条电弧焊采用直流反接电源。
304l奥氏体不锈钢属于18-8型钢范围，但在此基础上对合金元素含量有所调整，与国内标准相比，降低了si元素含量范围，降低了杂质元素s、p的含量范围，提高了奥氏体稳定元素ni的下限指标，其化学成分按重量百分比为：c：≤0.03%，si：≤0.5%，mn：≤2.0%，p：≤0.03%，s：≤0.015%，ni：10~12%，cr：18~20%，余量为fe和其他不可避免的杂质。
氩弧焊丝除n元素外其它元素化学成分符合gb/t29713标准，n元素的含量可以不必满足标准要求，即n：＜0.1%。同样，焊条电弧焊的焊丝也满足同样的标准，即其它元素化学成分符合gb/t29713标准，n元素的含量可以不必满足标准要求，即n：＜0.1%。
坡口形式可为对称x型、v型、对称k型，单边坡口角度为25~30°，钝边为1±1mm，间隙为3±1mm。
钨极氩弧焊和焊条电弧焊焊缝组织为枝晶状奥氏体 微量铁素体，为a凝固模式。在影响焊接接头-196℃低温韧性的因素中，焊缝组织中的铁素体含量最为重要。一般而言，铁素体含量越少，-196℃低温韧性越好，而铁素体含量太少容易产生热裂纹，所述316lmn焊材中mn元素含量≥5%，能够有效防止热裂纹的出现。
304l母材，屈服强度≥190mpa，抗拉强度≥510mpa，延伸率≥50%，-196℃低温冲击功≥150j。
以下实施例和对比例中的304l母材为鞍山钢铁集团有限公司生产，其化学成分按重量百分比为：c：0.02%，si：0.33%，mn：1.69%，p：0.022%，s：0.009%，ni：11.10%，cr：18.33%，余量为fe和其他不可避免的杂质；
对比例1中的焊条为伯乐e308l-16，直径为3.2mm，其化学成分按重量百分比为：c：0.02%，si：0.59%，mn：1.9%，p：0.02%，s：0.01%，ni：10.0%，cr：19.8%，cu：0.02%。
实施例1、2、3中的氩弧焊丝为哈尔滨威尔er316lmng，直径为2.4mm，其化学成分按重量百分比为：c：0.017%，si：0.49%，mn：5.58%，p：0.0084%，s：0.0071%，ni：17.24%，cr：18.96%，mo：4.22%，cu：0.0098%。
实施例1、2、3中的焊条为大西洋chs027ft，直径为4.0mm，其化学成分按重量百分比为：c：0.037%，si：0.41%，mn：5.7%，p：0.014%，s：0.005%，ni：17.03%，cr：19.10%，mo：2.86%。
钨极氩弧焊和焊条电弧焊采用奥太zx7-400stg氩弧手弧二用焊机。
本发明实施例理化试验标准为nb/t47014。
以下以三个实施例和一个对比例进行具体说明。
对比例1
其焊接过程如下：
（1）焊前准备
将500×150×40mm（2块）304l奥氏体不锈钢试板采用坡口机制备x型坡口，单边坡口角度为30°，并使用砂轮机（采用不锈钢砂轮片）对坡口及其两侧20mm范围进行打磨清理干净，去除油污、杂质；采用氧乙炔中性焰对304l母材坡口两侧20mm范围进行快速加热，去除水分；将需焊接的二块试板进行组对装配，钝边为1mm，间隙为3mm，采用焊条电弧焊在试板两端进行点固焊，点固焊的焊接材料、焊接工艺与打底填充盖面焊接工艺相同。
（2）焊接
采用焊条电弧焊进行打底填充盖面焊接，焊接电流105a，焊接电压22v，焊接速度平均为50mm/min，线能量平均为27.7kj/cm。焊条在使用前在300~350℃下烘烤1~2h，使用过程中放在保温筒内随用随取。采用摆动焊进行焊接，焊条摆动的幅度小于等于所使用焊条直径的4倍，采用碳弧气刨清根。焊接过程中，控制层间温度在100~150℃，焊接电源采用直流反接。
（3）去应力热处理
采用570℃×1.5h热处理工艺，采用炉冷方式进行降温，570℃~400℃间的降温速率平均为29℃/h。
经检测，焊接接头的抗拉强度为581mpa，断裂位置为母材，4个侧弯试样完好无裂纹。焊接接头-196℃冲击功分别为：焊缝18j、热影响区101j，其中焊缝的-196℃冲击功远远小于50j，达不到军工产品如大型低温风洞对于焊接接头-196℃冲击功的要求。
实施例1
本发明提出的焊接方法（控制层间温度在100℃以内，控制热处理降温速率为65℃/h），其步骤如下：
（1）焊前准备
将500×150×40mm（2块）304l奥氏体不锈钢试板，采用坡口机制备对称x型坡口，单边坡口角度为30°，并使用砂轮机（采用不锈钢砂轮片）对坡口及其两侧20mm范围进行打磨清理干净，去除油污、杂质；采用氧乙炔中性焰对304l母材坡口两侧20mm范围进行快速加热，去除水分；将需焊接的二块试板进行组对装配，钝边为0mm，间隙为3mm，采用钨极氩弧焊进行点固焊，点固焊的焊接材料、焊接工艺与钨极氩弧焊打底焊（正面坡口）相同。点固焊结束后采用砂轮机将点固焊背面焊缝进行打磨，直至露出银白色金属光泽。
（2）双面钨极氩弧焊打底焊接
采用双面钨极氩弧焊进行打底焊接，两名焊工针对同一坡口根部同一时间同一速度焊接，正面坡口由一名焊工采用填丝焊，于此同时，由另外一名焊工在坡口背面进行重熔（不填丝）。双面钨极氩弧焊焊接参数如下：正面坡口氩气流量为18l/min，背面坡口氩气流量为12l/min，氩气纯度≥99.99%；正面坡口焊接电弧电压为12v，焊接电流为140a，焊接速度平均为70mm/min，线能量平均为14.4kj/cm；背面坡口焊接电弧电压为12v，焊接电流为120a，焊接速度平均为70mm/min，线能量平均为12.3kj/cm；采用摆动焊进行焊接。
（3）焊条电弧焊填充、盖面焊接
焊条使用前在300~350℃下烘烤1~2h，使用过程中放在保温筒内随用随取；采用摆动焊进行焊接，焊条摆动的幅度小于等于所使用焊条直径的5倍，焊条电弧焊的焊接参数如下：填充层：焊接电压为23v，焊接电流为120a，焊接平均速度为70mm/min，线能量平均为23.7kj/cm。盖面层：焊接电压为22v，焊接电流为108a，焊接平均速度为70mm/min，线能量平均为20.4kj/cm。
（4）去应力热处理
采用570℃×1.5h的热处理工艺，保温结束后570℃~400℃温度范围内控制降温速率为65℃/h，温度降至400℃之后在静止的空气中冷却至室温。
焊接过程中，控制层间温度为70℃~100℃，钨极氩弧焊采用直流正接电源，焊条电弧焊采用直流反接电源。
经检测，焊接接头的抗拉强度为567mpa，断裂位置为母材，4个侧弯试样完好无裂纹。焊接接头-196℃冲击功分别为：氩弧焊焊缝127j、氩弧焊热影响区148j，焊条电弧焊焊缝101j、焊条电弧焊热影响区131j，远远大于50j，符合军工产品如大型低温风洞对于焊接接头-196℃冲击功的要求。焊接接头按照gb/t4334标准中e法进行晶间腐蚀试验，一试样180°正弯后完好，另一试样180°反弯后出现3个凹坑，经金相法未见晶间腐蚀深度，故无晶间腐蚀倾向。
实施例2
本焊接方法控制层间温度为100℃~150℃，其余焊接工艺与实施例1一致。
经检测，焊接接头的抗拉强度为572mpa，4个侧弯试样无裂纹。焊接接头-196℃冲击功分别为：氩弧焊焊缝110j、氩弧焊热影响区135j，焊条电弧焊焊缝89j、焊条电弧焊热影响区116j，远远大于50j，符合军工产品如大型低温风洞对于焊接接头-196℃冲击功的要求。相对于实施例1中焊接接头的-196℃冲击功，无论是焊缝还是热影响区，在数值上都有所下降，说明控制层间温度在100℃以内，相对于控制在150℃以内，能够提高-196℃低温韧性。
实施例3
本焊接方法采用炉冷方式进行降温，570℃~400℃间的降温速率平均为29℃/h，其余焊接工艺与实施例1一致。
经检测，焊接接头的抗拉强度为575mpa，4个侧弯试样无裂纹。焊接接头-196℃冲击功分别为：氩弧焊焊缝124j、氩弧焊热影响区130j，焊条电弧焊焊缝103j、焊条电弧焊热影响区126j，远远大于50j，符合军工产品如大型低温风洞对于焊接接头-196℃冲击功的要求。
焊接接头按照gb/t4334标准中e法进行晶间腐蚀试验，两试样经腐蚀弯曲180°，均有大量晶间腐蚀裂纹并断裂，固有晶间腐蚀倾向。一般产品进行去应力热处理，都是采用炉冷方式进行，降温速率基本上≤35℃/h，这对于碳钢来说并无明显影响。但对于不锈钢来说，如果降温速率太小，在降温阶段焊缝将会在500℃以上温度停留时间太长，而500℃~800℃是导致晶间腐蚀的温度区间，这有可能导致晶间析出cr23c6，产生晶间腐蚀。
影响-196℃低温韧性的因素有很多，例如：焊缝中化学成分与组织的均匀性、焊丝表面处理、焊缝中非金属夹杂物、焊条药皮类型、焊缝中铁素体含量等。其中铁素体含量对于低温韧性的影响是最重要的，也是最显著的。通常焊缝中铁素体含量越低，焊缝低温韧性越好：一是由于铁素体属于体心立方结构，韧性不如奥氏体，二是铁素体富含cr，在热处理过程中会析出σ相，名义成分是fecr的富铬相硬而脆，其体积含量高时会降低韧度和延性。
对比例1的焊缝组织如图1所示。焊缝组织由奥氏体和板条状铁素体组成，铁素体含量相对较多，成为横切过原始枝状晶或包状晶生长的板条形状，为fa凝固模式。经金相法进行检测，铁素体含量在8%左右，这些铁素体是降低焊缝-196℃低温韧性的因素。
经上述比对可知，实施例1为最佳实施例。实施例1的焊缝组织如图2所示。焊缝组织由枝晶状奥氏体加微量铁素体组成，为a凝固模式，微量的铁素体存在于晶内和晶界，为图中白色小点。实施例1中出现凹坑的试样的微观金相如图3所示。
本发明提出的提高304l奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，相对于传统的焊接工艺（采用e308l-xx焊条，碳弧气刨清根，层间温度控制在150℃以内，热处理保温结束后直接炉冷），其焊接接头低温冲击韧性大幅度提高，经过去应力热处理的焊接接头的-196℃低温冲击功＞50j，能够满足军工产品比如大型低温风洞的使用要求，且焊接接头的抗拉强度、塑性均符合承压设备工艺评定的要求。另外，通过控制热处理过程中的降温速率，避免了晶间腐蚀倾向，改善焊接接头的耐腐蚀性能。此外，本焊接方法操作过程简单，能够实现工程应用。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
1.一种提高304l奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
对304l母材制备坡口后，将需焊接的304l母材进行组对装配，采用钨极氩弧焊进行点固焊；
采用双面钨极氩弧焊进行打底焊接；
采用焊条电弧焊进行填充层和盖面层的焊接；
对焊接后的304l奥氏体不锈钢焊接接头进行热处理。
2.如权利要求1所述的提高304l奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，其特征在于，对304l母材制备坡口后，采用氧乙炔中性焰对304l母材坡口两侧预设范围进行加热以去除水分。
3.如权利要求1所述的提高304l奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，其特征在于，采用钨极氩弧焊进行点固焊后，采用砂轮机将点固焊背面焊缝进行打磨，直至露出银白色金属光泽。
4.如权利要求1所述的提高304l奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，其特征在于，焊条电弧焊进行填充层和盖面层的焊接时，焊条选用e316lmn-15，焊条中除了n元素外的其它化学成分均符合gb/t983标准，n元素的质量含量＜0.1%，焊条在300~350℃下烘烤1~2h，采用摆动焊进行焊接，焊条摆动的幅度小于等于所使用焊条直径的5倍。
5.如权利要求4所述的提高304l奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，其特征在于，进行填充层焊接时，对于φ3.2mm的焊条，焊接电弧电压控制为20~24v，焊接电流为90~100a，焊接速度为50~85mm/min，线能量为12.7~28.8kj/cm；对于φ4.0mm的焊条，焊接电弧电压控制为20~24v，焊接电流为115~125a，焊接速度为55~80mm/min，线能量为17.3~32.7kj/cm。
6.如权利要求4所述的提高304l奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，其特征在于，进行盖面层焊接时，对于φ3.2mm的焊条，控制焊接电弧电压为20~24v，焊接电流为90~100a，焊接速度为70~80mm/min，线能量为13.5~20.6kj/cm；对于φ4.0mm的焊条，控制焊接电弧电压为20~24v，焊接电流为105~115a，焊接速度为65~95mm/min，线能量为13.3~25.5kj/cm。
7.如权利要求1所述的提高304l奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，其特征在于，所述对焊接后的304l奥氏体不锈钢焊接接头进行热处理的步骤具体如下：
热处理温度为550~590℃，保温时间为1~2h，保温结束到400℃的温度范围内控制降温速率≥65℃/h，温度降至400℃之后在空气中冷却至室温。
8.如权利要求1所述的提高304l奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，其特征在于，在焊接过程中，控制层间温度≤100℃。
9.如权利要求1所述的提高304l奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，其特征在于，钨极氩弧焊采用直流正接电源，焊条电弧焊采用直流反接电源。
10.如权利要求1至9中任意一项所述的提高304l奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，其特征在于，采用双面钨极氩弧焊进行打底焊接时，焊丝选用er316lmn，焊条中除了n元素外的其它化学成分均符合gb/t983标准，n元素的质量含量＜0.1%，两名焊工针对同一坡口根部同一时间同一速度焊接，正面坡口由一名焊工采用填丝焊，同时另外一名焊工在坡口背面进行不填丝重熔。
技术总结