06Cr19Ni10不銹鋼的焊接性分析

賈文強(qiáng)

【摘要】06Cr19Ni10屬于Cr- Ni型奧氏體不銹鋼，其組織為奧氏體（A）+3-5%鐵素體（F），

其具有良好的耐腐蝕性、耐高溫性、抗氧化性和優(yōu)良的力學(xué)性能；廣泛應(yīng)用于石油、化工、

醫(yī)療、航空及核能等工業(yè)部門，在此通過對(duì)06Cr19Ni10鋼的焊接性能分析研究，特提出合

適的焊接工藝。

【關(guān)鍵詞】焊接性；焊接熱裂紋；焊接工藝；熱輸入及層間溫度

1. 06Cr19Ni10鋼的焊接性分析

06Cr19Ni10奧氏體型不銹鋼具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)，在任何溫度下都不會(huì)發(fā)生相變，對(duì)氫脆不敏感，在焊態(tài)下其焊接接頭也具有良好的塑性和韌性。焊接的主要問題是焊接熱裂紋、脆化、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕等。此外，因06Cr19Ni10的導(dǎo)熱性能差，線膨脹系數(shù)大，為此焊接應(yīng)力和變形較大。

1.1焊接熱裂紋

06Cr19Ni10奧氏體型不銹鋼較一般結(jié)構(gòu)鋼易產(chǎn)生焊接熱裂紋，其中以焊縫的結(jié)晶裂紋為主，有時(shí)在近縫區(qū)或多層焊的層間也可能產(chǎn)生液化裂紋。

焊縫的金相組織、化學(xué)成分和焊接應(yīng)力是導(dǎo)致06Cr19Ni10焊接接頭產(chǎn)生熱裂紋的主要因素。

分析如下：

1.1.1焊縫金相組織的影響 06Cr19Ni10鋼對(duì)熱裂紋的敏感性主要取決于焊縫的金相組織。實(shí)踐表明，與奧氏體內(nèi)有少量鐵素體的焊縫組織相比，單相奧氏體焊縫組織對(duì)熱裂紋的表現(xiàn)更為敏感。

a.單相奧氏體的焊縫組織 單相奧氏體的含鎳量較高，隨著含鎳量的增加，奧氏體的穩(wěn)定化程度提高，對(duì)硫、磷、鉛等雜質(zhì)更為敏感，且與某些極限溶解度小的元素，如鋁、硅、鈦、鈮等易形成低溶點(diǎn)共晶，使焊縫金屬的實(shí)際凝固溫度下降，從而增大了結(jié)晶溫度區(qū)間；06Cr19Ni10鋼的熱導(dǎo)率小，線膨脹系數(shù)大，在焊接過程中易形成較大的焊接拉應(yīng)力；單相奧氏體焊縫易形成方向性較強(qiáng)的粗大柱狀晶組織，有利于上述有害元素和雜質(zhì)的偏析，從而形成連續(xù)的晶間液態(tài)夾層；在熔池凝固過程中，06Cr19Ni10鋼中開始產(chǎn)生拉伸應(yīng)變的溫度高于一般結(jié)構(gòu)鋼，且該溫度隨焊件厚度和焊接線能量的增大而提高，因而金屬在脆性溫度區(qū)積累的應(yīng)變量增加；在上述各因素的綜合影響下，單相奧氏體不銹鋼焊接接頭呈現(xiàn)出較大的熱裂紋敏感性。

b.奧氏體加少量異相的焊縫組織 含鎳量[w（Ni）<15%]的奧氏體不銹鋼，合金化程度不高，若在焊縫中加入少量的鐵素體（5%），則大大提高了焊縫的抗結(jié)晶裂紋能力。這是因?yàn)樯倭康蔫F素體相能阻止奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，細(xì)化并凝固亞晶組織，打亂枝晶的方向性，增加晶界和亞晶界的面積，使液態(tài)薄膜更為分散的分布在晶界和亞晶界上，且被鐵素體相分割成不連續(xù)狀，因而減弱了低熔點(diǎn)物質(zhì)的有害作用，起到冶金凈化作用。另外高溫鐵素體相比單相奧氏體相能固溶更多的雜質(zhì)，因此減少了有害雜質(zhì)在焊縫金屬組織中的偏析，所以，為了提高低鎳奧氏體鋼焊縫的抗結(jié)晶裂紋性能，通常希望在焊縫內(nèi)含有體積數(shù)為2%-8%的鐵素體相。

對(duì)于含鎳量[w（Ni）>15%]的奧氏體不銹鋼則不宜采用雙相焊縫來防止結(jié)晶裂紋。因?yàn)?，這類鋼含鎳量較高，具有穩(wěn)定的奧氏體組織，要獲得鐵素體相必須加入較多的鐵素體化元素或減少鎳含量，這樣將造成焊縫與母材的化學(xué)成分有很大差異，導(dǎo)致性能與母材不一致，焊縫的塑性和韌性偏低；此外這類鋼多屬于長(zhǎng)期在高溫條件下工作的熱穩(wěn)定鋼，若鋼中有了足夠防止結(jié)晶裂紋的鐵素體相，則不能防止在高溫長(zhǎng)期工作的σ相析出脆化。所以，對(duì)高鎳奧氏體不銹鋼需要通過別的途徑來獲得雙相組織來改善抗裂性能。

研究表明，使高鎳奧氏體不銹鋼為γ+C1或γ+B1的雙相組織，既提高抗鎳性能又不降低焊縫的高溫性能。這里C1為一次碳化物，B1為一次硼化物。為了獲得γ+C1的雙相組織，可適當(dāng)提高焊縫的含碳量和加入適量的碳化物形成元素鈮，使形成NbC，并保持比例W（Nb）/W（C）=10，同時(shí)限制含硅量，使Nb/Si=4～8，就能較為有效地減少熱裂紋的傾向。在焊縫中加入適量的硼，使之形成硼化物，也起到同樣的效果。

1.1.2焊縫化學(xué)成分的影響 不銹鋼中可能遇到的合金元素在單相奧氏體焊縫和雙相焊縫中對(duì)結(jié)晶裂紋傾向的影響不完全相同。實(shí)踐表明，對(duì)于低鎳奧氏體鋼焊縫，增加適量的鐵素體化元素能顯著提高其抗裂性；而增加奧氏體化元素的含量，則熱裂紋傾向增大。對(duì)于高鎳的單相奧氏體不銹鋼焊縫，加入適量的Mn、Mo、W、N、V元素均可提高焊縫的抗裂性。

1.1.3焊接應(yīng)力的影響 焊接應(yīng)力是引起裂紋的力學(xué)因素。奧氏體鋼的熱導(dǎo)率小，而線膨脹系數(shù)大，在焊接熱循環(huán)的作用下，焊縫在凝固過程就形成較大的焊接內(nèi)應(yīng)力，為熱裂紋的產(chǎn)生創(chuàng)造了力學(xué)條件。

1.2焊接工藝

1.2.1焊接方法

由于06Cr19Ni10鋼具有優(yōu)良的焊接性，幾乎所有熔焊方法和部分壓焊方法都可以焊接。但從經(jīng)濟(jì)技術(shù)和實(shí)用性方面考慮，最好采用焊條電弧焊、惰性氣體保護(hù)焊、埋弧焊和等離子弧焊等。

（1）焊條電弧焊 厚度在3mm以上的06Cr19Ni10鋼仍以焊條電弧焊為主，因?yàn)楹笚l電弧焊熱源集中，熱影響區(qū)小，焊接變形較小，能適應(yīng)各種位置和不同板厚的工藝要求；所用焊接設(shè)備簡(jiǎn)單，所用的焊條牌號(hào)和規(guī)格較多，且配套齊全。但是，焊條電弧焊對(duì)根部焊縫的清根要求較高，易產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷；合金元素過渡系數(shù)小，與氧親和力強(qiáng)的元素，如鈦、硼、鋁等極易燒損。

（2）惰性氣體保護(hù)焊 分為非熔化極惰性氣體保護(hù)焊（TIG）和熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）兩種，是焊接06Cr19Ni10鋼較為理想的焊接方法，由于熱源較為集中，又有氬氣的冷卻作用，其焊接熱影響區(qū)較窄，晶粒長(zhǎng)大傾向小，焊縫致密且焊接缺陷少，故而焊后不需清根；可以實(shí)現(xiàn)全位置和機(jī)械化焊接。其缺點(diǎn)是焊接設(shè)備較復(fù)雜，一般須使用直流弧焊電源，成本較高。

TIG（GTAW）焊分為手工和機(jī)動(dòng)焊兩種，TIG焊常用于厚度在3mm以下的薄板焊接，在石油、化工行業(yè)各種壓力容器和壓力管道的奧氏體不銹鋼管道的對(duì)接以及厚板焊縫的打底焊通常都采用這種焊接方法。

MIG焊有自動(dòng)和半自動(dòng)兩種，對(duì)于厚度大于6mm的06Cr19Ni10鋼熔滴過渡形式宜采用射流過渡，焊接位置只適用于平焊和橫焊兩種；薄板焊接宜采用短路過渡，可實(shí)現(xiàn)全位置焊接。

（3）埋弧焊 適用于中厚板的焊接，由于此焊接方法工藝參數(shù)穩(wěn)定，焊縫外觀成形好，焊縫組織均勻，因而接頭的耐蝕性能高。但是埋弧焊的熱輸入（線能量）大，熔池體積大，冷卻速度小，高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，均能促進(jìn)奧氏體鋼合金元素的偏析和組織過熱傾向，容易導(dǎo)致焊接熱裂紋的的產(chǎn)生，另外焊縫表面也容易產(chǎn)生氧化。故而，一般不推薦用埋弧焊。

（4）等離子弧焊 是焊接厚度為12mm以下的06Cr19Ni10鋼最為理想的方法。因?yàn)榈入x子弧加熱能源集中，利用小孔效應(yīng)技術(shù)可不開坡口，不加填充金屬可實(shí)現(xiàn)單面焊一次成形，很適合卷制管縱縫的焊接。

1.3熱輸入及層間溫度 06Cr19Ni10鋼不能采用太大的焊接熱輸入（線能量），一般焊接所需的熱輸入比碳鋼低20%～30%。焊接熱輸入過高會(huì)造成焊縫開裂、降低接頭的腐蝕性能和力學(xué)性能、焊接變形嚴(yán)重。為此，06Cr19Ni10鋼一般采用小電流，快速焊，短弧操作和多道焊為宜；焊后一般不進(jìn)行熱處理，為防止焊接熱裂紋和鉻碳化合物的析出，層間溫度通常要求控制在150℃以下。

結(jié)束語

為保證焊接質(zhì)量，通過對(duì)以上06Cr19Ni10鋼的焊接性分析，在焊接的過程中加以預(yù)防和有效的控制，就會(huì)獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。

參考文獻(xiàn)：

[1] 焊接技師手冊(cè)

[2] NB/T47015-2011