管板堆焊的焊接工藝研究

王恒祥

（洛陽隆惠石化工程有限公司，河南洛陽 471012）

管板堆焊的焊接工藝研究

王恒祥

（洛陽隆惠石化工程有限公司，河南洛陽 471012）

介紹了管板堆焊時(shí)的工藝特點(diǎn)，進(jìn)行了可焊性分析，敘述了堆焊過程中遇到的問題；并介紹了成功的堆焊工藝，認(rèn)為只要認(rèn)真分析焊接條件和工況，采取合理的工藝措施，就可以得到優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。

堆焊；稀釋；金相組織；組織圖；低塑性帶；遷移擴(kuò)散；熱應(yīng)力

本文對(duì)珠光體鋼和奧氏體鋼的焊接性進(jìn)行了論述，通過工藝分析說明在進(jìn)行堆焊焊接時(shí)，只要根據(jù)構(gòu)件的使用條件和工件實(shí)際情況進(jìn)行分析，制定合理的焊接工藝，就可以保證焊接質(zhì)量。

1 珠光體鋼和奧氏體鋼焊接中的問題

珠光體鋼的碳當(dāng)量一般較低，它的焊接性較好。奧氏體鋼中鉻、鎳元素含量較高，焊縫中容易產(chǎn)生晶間腐蝕和熱裂紋。珠光體鋼和奧氏體鋼焊接時(shí)一般都采用奧氏體金屬填充材料，在焊接過程中，容易產(chǎn)生焊縫金屬稀釋、焊縫的金相組織不均勻、熔合區(qū)塑性降低、碳遷移擴(kuò)散、熱應(yīng)力影響等問題。

1.1 焊縫金屬的稀釋

1.1.1 焊縫金屬的稀釋

珠光體鋼相對(duì)于奧氏體金屬填充材料來說，合金元素含量少，因此它們對(duì)焊縫金屬化學(xué)成分有一定的稀釋作用，而焊縫金屬的成分是由填充金屬與母材的成分及熔合比確定的，稀釋會(huì)導(dǎo)致焊縫金屬中奧氏體形成元素減少，使焊縫中出現(xiàn)脆性的馬氏體組織而降低焊接接頭的質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)甚至可能出現(xiàn)裂紋。熔合比是反映焊縫金屬稀釋程度的一個(gè)重要參數(shù)。常見的幾種熔合比如表1所示。

1.1.2 焊縫化學(xué)成分的計(jì)算

由于焊縫金屬的稀釋作用，我們可以預(yù)先評(píng)估焊縫金屬的化學(xué)成分，根據(jù)Schaffler組織圖確定焊縫金屬的金相組織，保證得到優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。對(duì)于常見的幾種典型的焊接接頭，我們可以根據(jù)下列公式估算焊縫中合金元素的含量。

表1 珠光體鋼與奧氏體鋼熔合比與接頭形式、焊接方法的關(guān)系

①堆焊焊縫（見圖1）。

圖1 堆焊焊縫

②單層對(duì)接焊縫和對(duì)接接頭根部焊縫及多層焊縫（見下頁圖2）。

圖2 單層對(duì)接焊縫

式中：X基1、X基2，被焊金屬中元素的含量；k，坡口一邊與另一邊的熔合比，k=F基1/F基2。

式中：X縫n+1，n+1層中合金元素的含量；X縫n，n層中合金元素的含量。

1.2 焊縫金相組織的不均勻性

由于珠光體鋼和奧氏體鋼焊接時(shí)采用奧氏體填充金屬，我們可借助Schaffler組織圖對(duì)焊縫金相組織進(jìn)行預(yù)先估計(jì)。用奧307焊條焊接低碳鋼與1Cr18Ni9Ti為例，A307熔敷金屬的化學(xué)成分見表2，金相組織分析見圖3。

表2 A307的化學(xué)成分 %

圖3 Schaffler組織圖

圖3中，低碳鋼（P點(diǎn)）的熔合比為50%，奧氏體鋼1Cr18Ni9Ti（a點(diǎn)）的熔合比為60%，基體金屬熔化、攪拌后的成分在b點(diǎn)，A307的成分為c點(diǎn)，bc上粗線段為根部焊縫的成分和組織狀態(tài)。從上面的分析，我們不難看出，焊縫的組織狀態(tài)是在粗線段的區(qū)域內(nèi)，其金相組織是處于變化狀態(tài)和不均勻的。

1.3 熔合區(qū)塑性降低

在進(jìn)行珠光體鋼和奧氏體鋼焊接時(shí)，奧氏體焊縫靠近管板熔合線存在一個(gè)窄的低塑性帶，低塑性帶的化學(xué)成分和組織均不同于焊縫的其它部位，寬度一般為0.2～0.6 mm，位置在熔合區(qū)靠熔合線的邊緣，熔合區(qū)低塑性馬氏體組織的存在將明顯降低接頭的沖擊韌性。

低塑性帶的寬度與焊縫中含鎳量成反比，一般認(rèn)為，焊縫中鎳含量低于5%～6%時(shí)，會(huì)出現(xiàn)馬氏體組織。所以我們?cè)谶M(jìn)行異種鋼焊接時(shí)，盡量選用高鉻、鎳元素含量的填充金屬，甚至選用純鎳基填充金屬，將低塑性帶的寬度降低到最少。

1.4 碳的遷移擴(kuò)散

1.4.1 碳的遷移擴(kuò)散

珠光體鋼和奧氏體鋼的焊接接頭，在焊后熱處理或高溫下使用時(shí)，由于含鉻量差別較大，在高溫條件下鉻作為強(qiáng)碳化物形成元素，促使珠光體鋼中的碳向奧氏體鋼中擴(kuò)散遷移，結(jié)果在珠光體鋼側(cè)產(chǎn)生脫碳層導(dǎo)致軟化，而在相鄰的奧氏體鋼側(cè)產(chǎn)生增碳層導(dǎo)致硬化。溫度是影響碳遷移的重要因素，有關(guān)資料表明，在低于425℃的條件下，這種異質(zhì)接頭的碳遷移擴(kuò)散現(xiàn)象不十分明顯。

1.4.2 碳遷移擴(kuò)散對(duì)高溫性能的影響

碳的遷移擴(kuò)散對(duì)接頭的常溫和高溫瞬間強(qiáng)度的不良影響比較小，但對(duì)持久強(qiáng)度的影響較大，而且斷裂部位大部分發(fā)生在熔合線脫碳層上。隨著碳遷移擴(kuò)散的發(fā)展，接頭在熔合區(qū)發(fā)生脆性斷裂的傾向增大。在高溫下長期運(yùn)行時(shí)，在脫碳層還容易產(chǎn)生晶間腐蝕。

1.4.3 減少碳遷移擴(kuò)散的措施

有關(guān)資料表明，焊縫金屬中含鉻量從0.6%增加到5%時(shí)，對(duì)珠光體鋼脫碳層寬度的影響較為顯著，進(jìn)一步提高含鉻量，則影響比較??；當(dāng)焊縫金屬中含鎳量提高到25%時(shí)，脫碳層寬度顯著減小，同時(shí)也減小了焊縫金屬中增碳層的寬度。

1.5 熱應(yīng)力影響

奧氏體鋼的熱膨脹系數(shù)比珠光體鋼大30%～50%，導(dǎo)熱系數(shù)卻只有珠光體鋼的1/3。這兩種材質(zhì)的焊接接頭，在焊后冷卻、熱處理及使用中，都會(huì)在熔合線產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)這種異質(zhì)接頭在周期性加熱和冷卻條件下工作，或在溫度變化較大的環(huán)境下工作時(shí)，接頭會(huì)承受較大的熱交變應(yīng)力，在沿熔合線珠光體鋼一側(cè)就會(huì)產(chǎn)生熱疲勞裂紋，最終導(dǎo)致接頭失效。但當(dāng)接頭工作在溫度穩(wěn)定、開停頻率較低的工況下，熱應(yīng)力的影響不明顯。

2 焊接工藝分析

為了掌握在珠光體鋼16MnR表面堆焊奧氏體鋼的焊接工藝，得到合理的工藝參數(shù)，我們對(duì)焊接失敗的管板焊接工藝進(jìn)行了分析。

2.1 16MnR管板表面堆焊1Cr18Ni9Ti焊接工藝分析

16 MnR管板厚度為125 mm，堆焊層厚度為8 mm，接頭型式見圖4，焊接方法為埋弧自動(dòng)焊接，填充金屬為H1Cr24Ni13、Φ4，化學(xué)成分見表3。

圖4 16MnR與1Cr18Ni9Ti焊接接頭型式

表3 化學(xué)成分表 %

2.1.1 焊縫化學(xué)成分的計(jì)算

在堆焊焊縫的第一層焊道中，熔化的基體金屬約占35%，由于它們的導(dǎo)熱系數(shù)不同，它們之間的熔合比也不相同，16MnR約占50%，H1Cr24Ni13約占50%。根據(jù)公式（1）計(jì)算根部焊縫的化學(xué)成分。

焊縫的化學(xué)成分：

①焊接工藝參數(shù)（見表4）

表4 焊接工藝參數(shù)表

②相圖分析

通過計(jì)算，按熔合比30%計(jì)，底層焊縫的化學(xué)成分落在A+M區(qū)。

③工藝措施

在改進(jìn)工藝的同時(shí)，我們又采取措施降低熱應(yīng)力，將一次焊接的焊縫長度縮短，采取了短段、交叉方向的焊接措施，降低了焊接裂紋出現(xiàn)的幾率。

2.2 結(jié)論

16MnR采用A307采用焊條電弧焊工藝堆焊焊接，可以保證接頭質(zhì)量。

根據(jù)焊縫的化學(xué)成分計(jì)算出鉻當(dāng)量、鎳當(dāng)量：

鉻當(dāng)量=Cr+1.5Si+Mo+0.5Nb=11.605

鎳當(dāng)量=Ni+30C+0.5Mn=11.775

根據(jù)Schaffler組織圖，可以看出，采用埋弧自動(dòng)焊工藝時(shí)，底層焊縫組織落在M區(qū)，所以造成焊接失敗。

2.1.2 工藝試驗(yàn)

為了改進(jìn)焊接工藝，保證焊接接頭性能，我們對(duì)失敗的工藝進(jìn)行了分析，認(rèn)為主要是底層焊接時(shí)熔合比過大造成的，所以決定采用焊條電弧焊工藝。

3 結(jié)束語

進(jìn)行珠光體鋼的奧氏體成分堆焊時(shí)，一定要對(duì)熔合比進(jìn)行控制，降低珠光體鋼成分的熔入比例，提高焊縫組織中的Cr、Ni含量，要根據(jù)異種鋼焊接時(shí)熱應(yīng)力比較大的情況，縮短一次焊接的焊縫長度，也可采用鎳含量大于25%的填充金屬（如A507），甚至采用純Ni基填充金屬，將熔合區(qū)的低塑性帶的寬度降低至最小，保證接頭的強(qiáng)度和抗裂性能。

TG44

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1003-3467（2010）09-0051-03

2010-04-09

王恒祥（1966-），男，工程師，從事石油化工設(shè)備制造安裝，E-mail：zjylww@163.com。