[发明专利]用于LNG超低温不锈钢焊接的金属材料、工艺及制品

说明书

本发明提出一种用于LNG超低温不锈钢焊接的金属材料、工艺及制品，设计焊材的组分和结构，使焊缝中的铁素体含量降低，使其残留的铁素体比例降低到≤1.0％，焊接时采用不锈钢麻花焊丝，焊接方式为氩弧焊打底，氩弧焊填充盖面或埋弧焊填充盖面，控制焊接的工艺参数，使得焊接线能量≤13KJ/cm，同时设定焊接保护气体的配方，焊接的同时辅助高频振动，优化焊接质量，本发明明显改善焊缝金属的塑性和韧性，大大降低焊接残余应力，提高焊接效率。

技术领域

本发明属于LNG不锈钢设备和管道的焊接制造领域。

背景技术

由于奥氏体不锈钢材料涉及到膨胀系数大、导热系数低，奥氏体不锈钢不锈钢LNG设备的焊缝性能难以满足超低温冲击要求。究其原因，存在以下几方面因素：

1、焊缝金属中残留的铁素体的负面影响：

按现有常规理论，奥氏体不锈钢焊缝金属中通常要有4～10％的铁素体，在有些技术文件规定中也会有类似表述或要求，有的要求铁素体残余量为4～10％，有的要求3～12％。因为焊缝金属中的铁素体残留会带来结晶模式的先后变化，这样在焊接时才不会发生焊接热裂纹，故焊材成分设计中重点考虑了铁素体比例对焊接过程的影响，某些行业标准也将其纳入规范要求。这些有残余铁素体含量的焊材在焊接过程的热裂纹虽然避免了，但残留的铁素体对焊接接头的耐高温性能和超低温性能均产生极大的负面影响。不锈钢残留的铁素体对碳和氮的溶解度极低，如果焊接热输入量过大，在高温段停留时间较长，在铁素体边界会有严重的敏化物析出。

2、焊条药皮参与冶金活动的负面影响：

目前的焊接材料大多是焊条电弧焊焊接的，而焊条药皮都是由脱氧剂、稳弧剂、脱渣剂等低熔点矿物质成分组成，在焊接过程中难以避免地会有微观细小的夹杂物残留于焊缝中心，被动地参与了冶金活动。这些低熔点的氧化性夹杂物在高温状态下会发生溶解，导致焊缝强度大幅下降，在应力松弛作用下也会造成焊缝撕裂。

3、焊接应力过大的负面影响：

由于奥氏体不锈钢导热性差，热膨胀系数大，多道次焊接的焊接应力会逐步递增，这是造成焊接应力大的重要原因。

专利：一种奥氏体不锈钢中厚板的组合焊接方法(201510292541.0)，提出了利用铜板水冷导热进行焊接的方法来解决不锈钢导热性能差的问题，但并不实用，对于厚度20mm以上厚壁设备的焊接，利用铜板导热已经难以解决不锈钢快速散热问题，实用价值不大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种LNG超低温不锈钢的焊接材料及焊接工艺，从降低焊缝铁素体含量和改善焊接方法以及焊接材料几方面入手来提高焊缝金属的综合性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：用于LNG超低温不锈钢焊接的金属材料，其特征在于，所述的焊接材料各组分按重量百分比计算为：C≤0.03％，Si≤0.6％，Mn:2.5～ 5.5％，Cr:17.0～19.0％，Ni:11～18％，Mo:0.1～5％，N：0.08～0.25％，S≤0.008％，P≤0.035％， Sr:0.002～0.05％。

LNG超低温不锈钢的焊接工艺，，所述焊接工件为管道对接、平板对接和角焊缝焊接，坡口型式设计为单面U型、单面V型，筒体焊接设计为双面X型坡口，钝边1～3mm，组对间隙 0～4mm，坡口单边角度15～30°，其特征在于，包括如下内容：

S1)焊材组分设计：

为保证焊缝金属具有极低的铁素体残留，坯料冶炼时将奥氏体的形成元素Ni的含量适当提高，提高Mn和N元素的含量，并降低影响铁素体形成的元素，将Cr和Si向材料规定的下限进行控制，使焊缝中的铁素体含量降低，使其残留的铁素体比例降低到1％以下；

S2)选择焊接方法：