含高氮不鏽鋼的焊接方法及其焊接材料的製作方法
2023-07-23 22:18:06 1
專利名稱：含高氮不鏽鋼的焊接方法及其焊接材料的製作方法
本申請的發明涉及含高氮不鏽鋼的焊接方法及其焊接材料。更詳細講，是涉及具有優良耐腐蝕性，而且能夠防止在焊接部位產生氣孔的、改進的新型含高氮不鏽鋼的焊接方法及其焊接材料。
多年來，作為以提高對海水環境的耐孔融性、縫隙腐蝕性為目的不鏽鋼，與以前的SUS316L鋼等比較，含有大量的Cr、Mo(Cr20～30重量％(以下只記作％)、Mo2～7％)，進而含有0.2～0.5％的N，這種奧氏體系不鏽鋼已廣為使用。一般認為海水環境下的耐孔蝕、縫隙腐蝕性，是根據合金成分把PRE＝％Cr+3×％Mo+10×％N作為指標被表示的(但是，對於Mo和N的係數，不同的研究人員有時也採用稍有差異的值)，若該PRE值在38以上，在海水環境下就具有足夠的耐腐蝕性，因此把這種PRE高於38的不鏽鋼稱作超級不鏽鋼。一般焊接超級不鏽鋼時，由於凝固偏析，局部會產生合金成分濃度降低等現象，與母材相比，耐腐蝕性就顯得低劣，作為對策，採用的辦法是採用含20～25％Cr、10～20％Mo的Ni基合金作為焊接材料。然而，以前公知的這些超級不鏽鋼中，由於含有大量的Cr、Mo，就資源耗費和價格方面仍存在著問題。
針對這種狀況，作為在海水環境下，具有無電氣防食即可使用的耐孔蝕性、縫隙腐蝕性的，並且，節約Cr、Ni、Mo主要合金元素的節省資源型不鏽鋼，提出的方案是增大氮(N)含量的高氮不鏽鋼。這種鋼材，以提高耐腐蝕性為目的，而提高了N含量。然而，具有這種特徵的鋼材，由於提高了氮含量，例如，加熱到1600℃形成熔融狀態時，會含有與1個氣壓N2氣平衡的飽和熔解度以上的過飽和氮。因此，在用電弧、雷射等焊接這種鋼材時，在焊接金屬中，過飽和氮會形成氣化，這樣凝固後，形成氣孔而殘留下來，成為一種焊接缺陷，帶來的問題是焊接接縫的機械特性低劣。再有，為提高耐腐蝕性，N是必要的合金元素，但是在焊接處，由於形成氣孔或從溶蝕金屬表面釋放出，造成氮濃度降低，耐腐性惡化。
因此，本申請發明的課題是利用上述含高氮不鏽鋼的特徵，而解決其焊接中的問題，提出一種新的焊接方法，使焊接金屬組成在熔融狀態下，不使N形成過飽和，而且使焊接金屬的平均組成在海水環境下都具有足夠的耐腐蝕性，並能保持與母材金屬同等的機械特性和耐腐蝕性。
本申請的發明，作為解決如上述課題，第1個目的是提出的一種含高氮不鏽鋼的焊接方法，其特徵在於在將熔融時含有與1個氣壓N2平衡的高於熔解度的氮的高氮不鏽鋼作為母材的焊接中，母材熔融部分斷面積對每焊接1個焊道時焊接金屬斷面積的比，定義為稀釋率D，將母材的Cr、Ni、Mo和N濃度(重量)取為％CrP、％NiP、％MoP和％NP，將焊接材料的Cr、Ni、Mo濃度(重量)取為％CrF、％NiF、％MoF，這些滿足以下二個關係式(A)、(B)地設定焊接材料的成分和上述稀釋率進行焊接，(A)％NP×D≤0.028×(％CrP×D+％CrF×(1-D))+0.014(％MoP×D+％MoF×(1-D))-0.0060×(％NiP×D+％NiF×(1-D))-0.26(B)(％CrP×D+％CrF(1-D)+3×(％MoP×D+％MoF×(1-D))+8×％NP×D≥38本申請發明第2個目的是提出的含高氮不鏽鋼的焊接方法，在上述焊接方法中，焊接材料的合金元素組成為20～32％Cr、5～25％Ni、2～8％Mo、C≤0.03％、Si≤0.6％、Mn≤2.5％、P≤0.03％、S≤0.03％，其餘為Fe，也可含有不可避免的其他雜質。第3個目的是提供這些焊接方法中使用的焊接材料。
本申請的發明，雖然具有如上述的特徵，但以下對其實施方案進行說明。
首先，本申請發明的焊接方法，著眼於作為對象材料的母材，即含高氮不鏽鋼，以N為合金元素，代替Cr、Mo來提高耐腐蝕性，並具有穩定奧氏體相的功能。Cr、Ni、Mo含量與以前的SUS316鋼同等水平，通過將N含量提高1％，就能顯示出與公知超級不鏽鋼同等優良的耐腐蝕性，同時也能節省Cr、Ni、Mo，降低成本，節約資源。然而，這種材料在熔融狀態下，由於含有與1個氣壓N2氣平衡的溶解度以上的N(以下只稱過飽和的)，通常在焊接中，母材熔融時，如圖7所示，過飽和的N氣化形成氣孔，而殘留在焊接金屬中，造成焊接接縫機械特性惡化的問題。雖然N是獲得高耐腐蝕性不可缺少的合金元素，但是，焊接結束後的焊接金屬中的氮濃度與母材中的濃度仍有大幅度降低，導致耐腐蝕性惡化。這是由於添加的焊接材料被稀釋，形成氣孔、熔融中從熔融金屬表面向大氣釋出等原因。
本申請的發明是提出一種在焊接具有上述特性的高氮不鏽鋼中，能防止產生氣孔和防止耐腐蝕性惡化的方法。本申請的發明是根據如下發現，即，雖然在焊接中，當僅母材熔融時，過飽和的N會產生氣孔，但是通過一邊供給焊接材料一邊熔融部分母材，熔融的母材和焊接材料迅速混合，只要混合的熔融金屬組成中的N不發生過飽和，就不會產生氣孔。為了使熔融金屬不形成N過飽和，本申請的發明的特徵是，首先，減小母材熔融部分的體積，充分供給焊接材料，母材熔融部分體積對含有每焊接1個焊道的焊接材料的熔融金屬總體體積的比(將該值定義為稀釋率)限定在某個範圍值內，進行焊接。但是，此處定義的稀釋率，如通常的焊接，沿焊接方向首先開始的斷面形狀和焊接金屬斷面形狀恆定時，例如，
圖1(a)例示的從焊接前首先開始的斷面形狀狀態，向圖1(b)焊接後的焊接金屬斷面形狀狀態的變化中，母材熔融部分斷面(SPM)對焊接焊道的任意斷面中焊接部分的焊接金屬斷面積(SWM)的比，即，原則上以下式表示。
稀釋率D＝SPM/SWM提高焊接材料的熔融狀態下的N的溶解度對於擴大上述稀釋率的限定範圍是最要的，在實用的材料中，以Fe為基質，提高了Cr、Mo含量的材料可以溶解最多的氮，適宜作高N不鏽鋼的焊接材料，這一點是很明確的。因此，在本申請的發明中，如以上所述，為防止焊接高N不鏽鋼時產生氣孔，用含高Cr、Mo的Fe基合盒材料作焊接材料，在稀釋率為一定值以下的條件下進行焊接。
另一方面，對於海水的耐孔腐蝕性、縫隙腐蝕性與材料組成之間，可整理出以下關係。
耐孔蝕性、縫隙腐蝕性∝PRE(＝％Cr+3×％Mo+10％N)雖然N是付與很大耐腐蝕性的元素，但本發明在焊接作為對象的高N不鏽鋼時，焊接金屬的氮濃度降低到與熔融時1個氣壓N2氣平衡溶解度以下。因此，預先將焊接材料組成取為高Cr、Mo的材料，在和熔融母材混合的焊接金屬組成中，即使N濃度降低也必須考慮上述PRE在38以上。另外，由於Mn、Si、Al、C、O、P、S等其他元素對耐腐蝕性產生不利惡烈影響，所以只保證SUS316L中規定水平的量，就可以了，沒有必要再重新添加。
如上所述，作為高氮奧氏體系不鏽鋼的焊接方法，為防止產生氣孔和防止焊接金屬耐腐蝕性惡化，而使用含大量Cr、Mo的不鏽鋼作焊接材料，將稀釋率取為某範圍值，以使焊接金屬組成的PRE為38以上。本申請的發明中，為達到這些條件，相對於母材組成，可將稀釋率和焊接材料組成規定如下。
(A)％NP×D≤0.028×(％CrP×D+％CrF×(1-D))+0.014(％MoP×D+％M MoF×(1-D))-0.0060×(％NiP×D+％NiF×(1-D))-0.26(B)(％CrP×D+％CrF(1-D)+3×(％MoP×D+％MoF×(1-D))+8×％NP×D≥38此處將母材的Cr、Ni、Mo和N濃度表示為％CrP、NiP、MoP和NP，將焊接材料的Cr、Ni和Mo的濃度表示為％CrF、％NiF和％MoF。將稀釋率表示為D，濃度的單位表示為重量％。
本申請的發明中，適當的焊接材料為含Cr、Ni、Mo、Mn、Si、C、P、S、O、Al和其他不可避免的雜質的不鏽鋼，其組成範圍為Cr20～32重量％(以下表示為％)、Mo2～10％、Ni5～25％、Mn、Si、C、P、S、O、Al的含量在SUS316L的規定值以下。此處組成的規定，僅以母材中所含的Cr、Ni、Mo、N和焊接材料中所含的Cr、Ni、Mo為對象，因其他元素的量很少，影響也小，因此實際上是可忽略的。
進一步地說與熔融狀態Fe合金的1個氣壓N2平衡的N飽和溶解度，雖然有日本學術振興會推薦值的計算式等，但作為現實對象的組成範圍Fe基合金，可使用近似式。將熔融金屬在溶融狀態下沒有形成N過飽和作為條件，可根據上述式(A)進行規定。
接著為使焊接金屬的PRE在38以上，按上述式(B)進行規定。在這種情況下，是基於焊接金屬的氮在熔融時約有20％釋放到大氣中這一實驗結果獲得的。
本申請的發明中，是利用以上(A)、(B)二式，根據母材組成來限定焊接時的稀釋率和焊接材料組成的範圍。這樣才有可能在焊接含有大量氮的不鏽鋼時，不會產生氣孔，而且也不會造成母材的耐腐蝕性惡化。
所說的用焊接材料吸收母材中所含的過剩氮的焊接概念，是到目前為止沒有的一種新概念。
以下示出實施例，更詳細地進行說明。當然，本申請的發明不受以下實例所限定。
圖1(a)、(b)是本發明中稀釋率的說明圖。
圖2是供給焊接材料TIG焊接法示意圖。
圖3(a)、(b)是作為實施例的開口端形狀和焊接焊道斷面的示意圖。
圖4是作為實施例的另一開口端形狀的示意斷面圖。
圖5是作為實施例的雷射焊接示意斜視圖。
圖6(a)、(b)是作為實施例的MAG焊接法和開口端形狀斷面示意圖。
圖7是說明產生氣孔的斷面圖。
實施例1作為母材，合金組成相當於SUS316L，將含有1.0％N的材料，通過加壓式電渣熔融(以下稱加壓ESR)進行調製，利用熱軋形成4mm厚的板狀。首先使用市售的焊接材料，試驗中，利用圖2所示的TIG電弧焊接，以圖3(a)中所示的首先開口端形狀，以電弧電流130A、電弧電壓12V、焊接速度10cm/分、焊接材料直徑1.2mm、保護氣Ar15L/分的焊接條件，實施結合焊接，結果，在該開口端形狀和焊接條件下，獲得40％的稀釋率。以40％稀釋率進行焊接時，作為滿足本發明規定式(A)、(B)的焊接材料成分，可列舉的有表1中*號所表示的。對表1中E-1表示組成的材料真空熔解，抽絲形成直徑1.2mm的棒狀焊接材料。切割二塊50×100×4mm大小的母材板，加工成圖3(a)所示的形狀並對結，以向下的姿式，按上述焊接條件進行焊接。觀察焊接焊道斷面的結果示於圖3(b)中，由焊接部的金屬斷面面積和母材熔融部斷面面積計算出的稀釋率為40％。將焊接焊道任意切割5處斷面，觀察結果是完全沒有觀察到氣孔，再切割焊接部的金屬部分，在45℃人工海水中測定孔蝕電位。結果在45℃下沒有發現孔蝕產生。利用該發明的焊接方法完全能防止氣孔產生，而且，焊接金屬的耐腐蝕性也和母材一樣同等優良。
表1
比較例1使用和實施例1相同組成的母材，在電弧電流150A、焊接速度10cm/分的條件下，以稀釋率70％進行同樣的TIG焊接，並進行同樣的評價。沒有滿足上述規定式(A)、(B)，在焊接部分觀察到氣孔產生，45℃的人工海水中的孔蝕電位為0.7V，耐腐蝕性惡化。
比較例2使用和實施例1相同成分的母材，並使用直徑1.2mm耐腐蝕性優良的市售Ni基合金材料(名稱625)作焊接材料，在相同的焊接條件下進行試驗。結果是雖然焊接金屬部分耐腐蝕性優良，但產生氣孔。認為這是沒有滿足上述規定式(A)，Ni基合金熔融時的N溶解度很小的原故。
以上實施例1、比較例1和2的結果全部示於表2。
表2
實施例2在母材氮含量和稀釋率不同的條件下實施研究。母材同樣以SUS316L作基準，取含有0.5％N的材料，和實施例1一樣加工成4mm厚的板材。在該實施例中，以形成10％稀釋率的條件進行TIG焊接。在該條件下，作為滿足規定式(A)、(B)的焊接材料組成，雖然是表3中*號表示的，但其中，對E-2所示組成的材料進行真空熔解，抽絲形成直徑1.2mm的線材。開口端形狀如圖4所示，在電弧電流140A、焊接速度10cm/分的條件下進行焊接。觀察焊接焊道的斷面，結果是稀釋率為10％。評價焊接部的金屬中有無氣孔，45℃人工海水中的孔蝕電位，結果示於表4。沒有氣孔，耐腐蝕性良好。
比較例3
使用和實施例2相同的母材、焊接材料，焊接條件取為電弧電流140A、焊接速度7cm/分，實施同樣的焊接試驗。結果示於表4，稀釋率變大，耐腐蝕性惡化。
表3
*滿足2式的組成表4
實施例3使用23Cr-2Mo-1.5N-Fe其餘的組成母材，進行CO2雷射焊接。將母材調製成和實施例1一樣，加工成4mm厚板。試料如圖5所示，在4mm厚的母材之間夾持斷面為1mm×4mm矩形的插入金屬，選定形成30％稀釋率的條件。作為插入金屬材料組成，有表5中*號所示組成的材料，其中，E-3所示組成進行真空熔解、壓延、切割成上述斷面形狀，作為插入金屬夾在母材之間。焊接條件為CO2雷射功率5KW、焊接速度2m/分。結果示於表6，得到沒有氣孔、耐腐蝕性優良的焊接金屬。
表5
*滿足2式的組成表6
實施例4使用和實施例1相同組成的母材，表示實施例進行圖6所示的MAG焊接。將母材利用加壓ESR造塊後，再通過冷軋形成8mm厚的板材。將母材加工成圖6(b)所示開口的開狀，進行結合，使用市售的直徑1.6mm焊接絲，研究焊接條件結果是在電弧電流300A、電弧電壓30V、焊接速度40cm/分、保護氣20L/分的條件下，得到40％的稀釋率。此處對表1中E-4所示組成的焊接材料進行真空熔解、抽絲，加工成直徑1.6mm的絲，在同樣的條件下進行MAG焊接。根據焊接焊道的斷面形狀，稀釋率為40％。觀察任意5處的焊接焊道斷面，結果是沒有觀察到氣孔。
再切割焊接金屬部分，測定45℃人工海水中的孔蝕電位，沒有發生孔蝕現象。
比較例4和實施例4一樣，進行MAG焊接。母材組成、板厚、開始形狀、焊接條件都相同，使用表1中R-1所示組成的焊接材料，將其真空熔解、抽絲加工成直徑1.6mm的絲。結果發現有氣孔產生、焊接金屬的耐腐蝕性惡化。實施例4和比較例4的結果全部示於表7。
表7
正如以上詳細說明，根據本申請的發明，可以焊接高氮不鏽鋼，並能保證耐腐蝕優良，防止焊接部金屬中產生氣孔。並可普及應用於海洋建築物、海水環境設備等不需要犧牲防腐蝕、電防腐蝕，是節省主要的合金元素Cr、Mo、Ni的鋼材，不僅能獲得低成本，而且也能節省資源、節省能源。
權利要求
1.一種含高氮不鏽鋼的焊接方法，特徵是在將熔融時含有與1個氣壓N2平衡的溶解度以上氮的高氮不鏽鋼作為母材的焊接中，在焊接中母材熔融部斷面積對每焊接1個焊道中焊接金屬斷面積的比，定義為稀釋率D，將母材的Cr、Ni、Mo和N濃度(重量)取為％CrP、％NiP、％MoP和％NP，焊接材料的Cr、Ni、Mo濃度(重量)取為％CrF、％NiF、％MoF，以滿足以下二個關係式(A)、(B)來設定焊接材料的成分和上述稀釋率進行焊接，(A)％NP×D≤0.028×(％CrP×D+％CrF×(1-D))+0.014(％MoP×D+％MoF×(1-D))-0.0060×(％NiP×D+％NiF×(1-D))-0.26(B)(％CrP×D+％CrF(1-D)+3×(％MoP×D+％MoF×(1-D))+8×％NP×D≥38
2.根據權利要求1的含高氮不鏽鋼的焊接方法，特徵在於所述的焊接材料的合金元素組成為Cr20～32％、Ni5～25％、Mo2～8％、C≤0.03％、Si≤0.6％、Mn≤2.5％、P≤0.03％、S≤0.03％，其餘為Fe，也可含有不可避免的其他雜質。
3.權利要求1或2焊接方法中的焊接材料。
全文摘要
本發明提供一種新型焊接法,可使焊接金屬組成在熔融狀態下不形成N過飽和,而且,焊接金屬的平均組成在海水環境下具有足夠的耐腐蝕性,並能保持和母材金屬同等的機械特性和耐腐蝕性。本發明還提供一種含高N不鏽鋼的焊接方法,特徵是將熔融時含有與1個氣壓N
文檔編號B23K9/095GK1306896SQ0111131
公開日2001年8月8日 申請日期2001年1月8日 優先權日2000年1月11日
發明者小川真, 平岡和雄, 片田康行, 宇野秀樹, 志賀千晃 申請人:科學技術廳金屬材料技術研究所長代表的日本國, 三菱重工業株式會社