奧氏體不銹鋼的焊接

□ 劉克攀

一、引言

不銹鋼按主要化學(xué)成分分類可分為三種，鉻不銹鋼、鉻鎳不銹鋼、鉻錳氮不銹鋼。按組織分類有:奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼。奧氏體不銹鋼一般分為:18-8型奧氏體不銹鋼、18-12Mo型奧氏體不銹鋼、25-20型奧氏體不銹鋼。

一般來說，合金元素含量越多，熱導(dǎo)率λ越小，而線膨脹系數(shù)α和電阻率μ越大，奧氏體不銹鋼的λ約為低碳鋼的1/3，其α比低碳鋼大50%，并隨溫度的升高，α的系數(shù)也相應(yīng)提高。所以奧氏體不銹鋼在焊接中常會引起較大的變形。

奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的焊接性，而且同時有良好的耐腐蝕性并且低溫下有很好的低溫韌性。常用的焊接方法有焊條電弧焊，埋弧焊，氬弧焊。在壓力容器制造中，使用18-8型奧氏體不銹鋼總是希望焊縫組織是單一的奧氏體組織，但是為了確保焊縫金屬有足夠的抗結(jié)晶裂紋能力，卻希望焊縫組織含有少量δ鐵素體。近年來隨著全球液化天然氣(LNG)消耗量大持續(xù)增長，對于LNG設(shè)備的需求也在不斷增長，奧氏體不銹鋼304L在用于設(shè)計(jì)溫度-196℃低溫環(huán)境中還有良好的低溫沖擊韌性。

奧氏體不銹鋼焊接工藝要點(diǎn):其焊接一定要合理控制焊接參數(shù)，奧氏體鋼熱導(dǎo)率小，熱量不容易散失，一般焊接所需的熱輸入比碳鋼要低20%～30%。過高會造成焊縫開裂，變形嚴(yán)重。一般采用較小的線能力和較快的焊速。焊接要有引弧板(縱縫)，不得在材料表面引弧，運(yùn)條要穩(wěn)定，短弧焊接，不擺動，直線運(yùn)行，快速焊接。為防止在450～850℃之間停留時間長而出現(xiàn)晶間腐蝕，應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度，必要時采取強(qiáng)制冷卻措施。多層焊時，每層要清渣，嚴(yán)格控制層間溫度，等前道焊縫冷卻后，再焊接下層。

二、不銹鋼壓力容器的焊接方法

(一)手弧焊。應(yīng)選用堿性藥皮焊條，采用低碳焊條，減少焊縫含碳量，使焊縫成為γ+δ相奧氏體+鐵素體組織。焊條電弧焊，焊接電弧長度，焊接普通鋼時，以2～4mm為佳，而焊接不銹鋼時，以1～3mm為佳，過長則保護(hù)效果不好。為防止焊接氣孔之出現(xiàn)，焊接部位如有鐵銹、油污等務(wù)必清理干凈。不銹鋼手工電弧打底時，由于焊條直徑較粗，熔池體積大，焊工不易掌握，易造成焊縫背部產(chǎn)生焊瘤、燒穿、末焊透及氣孔等缺陷，無法保證焊接質(zhì)量。為避免上述缺陷，不銹鋼壓力容器打底焊接宜采用小直徑焊條 Ф2.5、Ф3.2。填充蓋面可以采用Ф3.2，Ф4.0焊條。Ф2.5mm 焊接電流I=75～85A;Ф3.2mm 焊接電流 I=90～110A;Ф4.0mm 焊接電流 I=120～140A，電弧電壓為:U=21～23V，直流反接。不銹鋼填充前應(yīng)仔細(xì)檢查清理焊層，徹底清理熔渣跟污物，清理熔渣時不允許使用碳鋼刷，要用不銹鋼刷或砂輪防止鐵離子污染。電弧弧長應(yīng)適宜，密切注視熔池冷卻，防止氣孔涌出。防止電流偏小否則容易造成電弧穿透力不夠形成未焊透。電流偏大則容易造成燒穿，熔池下墜形成焊瘤。合理控制焊接電流，焊接電壓，焊接速度平穩(wěn)。蓋面焊點(diǎn)關(guān)鍵在于焊接成型美觀，均勻，不咬邊，焊縫余高不得超標(biāo)，其中低溫不銹鋼容器不得有任何咬邊。焊道寬度比坡口寬2～3mm，焊縫超高部位可以打磨但是不應(yīng)傷及母材并要求圓滑過渡。

(二)氬弧焊。保護(hù)氣體為氬氣，純度為99.99%。當(dāng)焊接電流為50～150A時，氬氣流量為8～10L/min，當(dāng)電流為150～250A時，氬氣流量為12～15L/min。鎢極從氣體噴嘴突出的長度，以4～5mm為佳，在角焊等遮蔽性差的地方是2～3mm，在開槽深的地方是5～6mm，噴嘴至工作的距離一般不超過15mm。對接打底時，為防止底層焊道的背面被氧化，背面也需要實(shí)施氣體保護(hù)。為使氬氣很好地保護(hù)焊接熔池，和便于施焊操作，鎢極中心線與焊接處工件一般應(yīng)保持80～85°，填充焊絲與工件表面夾角應(yīng)盡可能地小，一般為10°左右。氬弧焊(TIG):(直流正接)焊絲 Ф=2.4mm，I=90～100A，U=12～14V，焊速約150mm/min.。氬弧焊在不銹鋼壓力容器制造中用于打底焊或薄壁小直徑容器的焊接。氬弧焊打底時，施焊時氬氣要始終充于焊縫，施焊過程中要嚴(yán)格控制融孔直徑在2.5～3mm，并保證鎢極在不同角度均勻調(diào)整，并垂直容器軸心。收弧時，填充焊絲不應(yīng)使焊縫過高，以利接頭，也不應(yīng)該太薄防止弧坑裂紋。中斷時應(yīng)將焊縫末端重新溶化并重復(fù)5～10mm，且形成圓滑過渡。

(三)埋弧焊。奧氏體不銹鋼壓力容器生產(chǎn)中，埋弧焊是效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于手弧焊跟氬弧焊的方法。但是奧氏體不銹鋼埋弧焊時，由于焊接電流密度大，熱量集中，因此形成的弧坑也較大，并且熔池厚度也增大，在局部間隙的較大處很容易燒穿，因此在施焊過程中需要在焊件背面采取一定的工藝措施，以防燒漏。常用方法是采用手弧焊封底，并用純銅板墊、永久墊和焊劑墊等。通過焊接工藝評定確定相關(guān)工藝參數(shù)，經(jīng)過評定試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到合格。

奧氏體不銹鋼焊接中容易出現(xiàn)熱裂紋，為了防止奧氏體鉻鎳鋼焊接接頭的熱裂紋，可從冶金和工藝兩方面采取措施。

三、防止不銹鋼焊接產(chǎn)生熱裂紋的措施

(一)冶金措施。一是奧氏體鉻鎳鋼焊接接頭中的熱裂紋，無論是結(jié)晶裂紋、液化裂紋，還是高溫低塑性裂紋都與材料本身所含的低熔點(diǎn)共晶體的偏聚及晶界物理和化學(xué)不均一性有關(guān)，因此防止熱裂紋產(chǎn)生的根本措施是嚴(yán)格控制不銹鋼母材和焊接材料中的C、S、P、Si等雜質(zhì)元素，提高材料本身的純凈度。二是調(diào)整焊縫金屬的合金成分，使其形成含δ-鐵素體3%～8%的奧氏體+鐵素體雙相組織。焊縫金屬中鐵素體體積分?jǐn)?shù)控制在6%～10%，可獲得無裂紋的焊縫。但鐵素體體積分?jǐn)?shù)不宜大于10%，否則會在焊后的加熱過程中轉(zhuǎn)變成δ-相而使焊縫金屬變脆。不過在LND低溫容器中，為了獲得更高的沖擊韌性，把焊縫中鐵素體含量控制在2%以下。可以同時滿足-196℃低溫時候，奧氏體不銹鋼的沖擊功大于31J，又要側(cè)向膨脹量大于0.38mm。

(二)工藝措施。第一，合理設(shè)計(jì)坡口形狀和幾何尺寸，規(guī)定合適的接頭裝配間隙，降低母材在焊縫金屬中的比率;第二，正確調(diào)整焊接規(guī)范參數(shù)適當(dāng)?shù)靥岣唠娀‰妷汉秃附铀俣龋档秃附与娏?，以增大焊縫的成型系數(shù)，形成向上共生結(jié)晶的焊縫形狀;第三，減小焊接線能量，控制層間溫度外加冷卻措施，以提高焊縫金屬初次結(jié)晶的速度，減弱焊縫金屬晶間偏析的程度。

通過以上措施，奧氏體不銹鋼焊接的熱裂紋問題大大降低，就是偶爾出現(xiàn)的熱裂紋也是基本由焊工操作不當(dāng)所致。

［1］李亞江主編.焊接冶金學(xué)［M］.北京:機(jī)械出版社，2006

［2］(美)利波爾德.不銹鋼焊接冶金學(xué)及焊接性［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008

［3］王宗杰主編.熔焊方法及設(shè)備［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007