[发明专利]一种氢能用可使用交流电的不锈钢埋弧焊丝焊剂及焊接工艺

说明书

本发明公开了一种氢能用可使用交流电的不锈钢埋弧焊丝、焊剂及其焊接工艺，采用低C、低P、S、高Mn、Ni含N、奥氏体316L不锈钢焊丝，焊剂采用交流专用埋弧焊剂。埋弧焊丝铁素体含量控制在1‑3FN，熔敷金属铁素体含量控制在0.5‑1FN。本发明焊丝搭配相应焊剂所产生熔敷金属具有FA凝固模式，有较高抵抗奥氏体不锈钢凝固开裂的能力，在高压氢环境下的机械性能优异且稳定，抗裂性、抗氢脆性能优异且‑269℃超低温韧性优异，能满足氢能储运高压和‑269℃超低温需求。

技术领域

本发明属于焊接材料领域，特别涉及一种氢能用可使用交流电的埋弧焊丝焊剂及其焊接工艺。

背景技术

氢能源作为一种能量密度高又没有污染物排放的理想清洁能源，得到国际社会的广泛关注，近两年国内外氢能产业迅猛发展。近年来氢燃料电池汽车已经逐步成为我国汽车和能源领域发展的重要载体，成为优化能源消费结构和保障国家能源供应安全的战略选择。

氢能装备领域，包括氢气增压装置与加氢站成套设备、车载燃料供氢系统、液氢罐式集装箱、液氢储存容器等，含氢液化、储运、配送和终端供氢装备等，但是氢能配套设施的建设存在两大难点，一是在高压储氢容器中，氢分子能够分解成氢原子，对金属材料尤其是较为薄弱的焊接接头产生影响，造成材料的氢脆。另一方面氢气的液化温度为-253℃，故而相关液氢存储和运输相关配套设施的使用温度也在-253℃以下，对材料的低温性能要求很高。所以超低温韧性和抗氢性能是氢能建设焊接接头的主要技术指标。

加氢站及配套设施优选材料为奥氏体不锈钢S31608(即我们常说的 316L不锈钢)，与母材不同，奥氏体不锈钢板本身可耐极低温，但常规不锈钢焊接接头因经受焊接热循环、组织不均匀性等多方面因素的影响，还要考虑储罐、容器的抗裂性，应用于低温-196℃的奥氏体不锈钢焊材尚需焊材厂经反复探索开发才日渐成熟。而氢能用焊材尚属属起步阶段，鲜少有-253℃超低温以下焊材相关专利和期刊记载。迄今为止，仅有中国专利 CN112475532A，东方电气集团东方锅炉有限公司公开的“用于高压氢环境奥氏体不锈钢316L材料的焊接工艺”，该发明侧重于对氢能焊接工艺的探索，对配套焊条并未过多阐述，且工艺侧重于抵抗焊接热裂纹，并未进一步探索抗氢脆和超低温韧性。故而开发氢能配套用高效率焊材是限制氢能产业大规模推进的瓶颈所在，因此，完成液氢储运设备的研发及配套氢能埋弧焊材的开发，对于弥补氢能焊材产业空白、进一步推进氢能产业的发展、对国家氢能战略的实施有长远的意义和深远的影响。

现下奥氏体不锈钢S31608(316L)的焊接工艺，多采用传统316L焊材，铁素体含量一般在3-8FN，虽具有较好的耐蚀性和抗裂性，但因为氢在铁素体中的扩散速率远高于奥氏体，高比例的铁素体会为氢提供扩散通道，从而显著降低焊缝的抗氢脆性能，且低温冲击韧性明显受限，在-196℃低温下仅为20-30J，根本无法应用于氢能产业所要求的-253℃以下的超低温环境。此外，传统的316L焊材为节约成本，贵金属Ni控制在AWS标准(11.0-14.0％)下限约12％，且另一奥氏体形成元素N的含量也较低，从而使得焊缝的奥氏体组织不够稳定，无法溶解足够的H且容易产生马氏体相变，使焊缝具有很高的氢脆敏感性。

另外CN 112475532 A公开的关于“用于高压氢环境奥氏体不锈钢316L 材料的焊接工艺”中提到的焊条FN≤0.2％，几乎接近为0的铁素体，凝固为纯奥氏体组织，抵抗凝固开裂的能力较弱，抗裂性堪忧(这也符合前文提到的国内目前还没有成熟的与氢能相匹配的焊材)。该发明主要侧重以探究焊接工艺来对抗奥氏体焊缝凝固开裂，发明主要采用小线能量的措施来应对，但焊缝仍有一定产生凝固裂纹的风险，且该发明仅对“高压氢环境奥氏体不锈钢316L焊条工艺进行了探索”，并无埋弧焊材及焊接工艺的相关记载。

埋弧焊不同于传统手焊条焊接，埋弧焊相比于手焊条具有大线能量和高效率等特点，能适应先进工业化生产对高效率的焊接需求，但对于超低温奥氏体不锈钢焊材而言，埋弧焊相比手焊条却具有更大的热裂敏感性，故而氢能配套埋弧焊丝焊剂及其焊接工艺相较手焊条具有更大的开发难度。

发明内容