異種奧氏體不銹鋼焊接材料選擇及工藝措施*

石南輝，張立志

（1.北部灣大學 機械與船舶海洋工程學院工程訓練中心，廣西 欽州 535011；2.廣西船舶數(shù)字化設(shè)計與先進制造工程技術(shù)研究中心，廣西 欽州535011；3.欽州市 “互聯(lián)網(wǎng)+先進制造” 工程技術(shù)研究中心，廣西 欽州 535011）

0 前 言

奧氏體不銹鋼廣泛應用于食品、 機械、 制藥、 船舶 HVAC、 造紙及工礦企業(yè)等領(lǐng)域[1-4]。 散裝化學品船和液化氣體船的貨艙，以及油、 氣、水處理用的受壓容器一般采用奧氏體不銹鋼或雙相不銹鋼建造。 奧氏體不銹鋼的焊接質(zhì)量問題主要是晶間腐蝕、 裂紋等，特別是焊接裂紋需要嚴格控制。 如何使不銹鋼焊接，特別是具有相同組織、 不同化學成分和性能的異種不銹鋼進行高質(zhì)量焊接，諸多學者進行了廣泛的研究，但通常研究的都是碳鋼與不銹鋼、 合金鋼與不銹鋼的焊接工藝，這些均屬于不同類型金相組織的異種鋼焊接，對于異種奧氏體不銹鋼焊接工藝的研究較少。 常用奧氏體不銹鋼的牌號很多，其中022Cr17Ni12Mo2 鋼和06Cr23Ni13 鋼就屬于具有相同類型金相組織的異種奧氏體不銹鋼。 本研究以022Cr17Ni12Mo2 鋼和06Cr23Ni13 鋼為例來分析異種奧氏體不銹鋼的焊接工藝。

1 焊接性分析

1.1 022Cr17Ni12Mo2不銹鋼

022Cr17Ni12Mo2 為我國奧氏體不銹鋼新標準牌號，ASTM 標準為 316L。 022Cr17Ni12Mo2不銹鋼由于含有2%～3%的Mo 元素使其具有良好的抗點蝕能力，主要用于海洋工程環(huán)境[5-7]，其化學成分及力學性能見表1 和表2。

表1 022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼的化學成分 %

表2 022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼的力學性能

022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼焊接性能良好，常用的焊接方法均可對其進行焊接，如焊條電弧焊、 TIG 焊、 MIG 焊及埋弧焊等。 焊材選擇可以根據(jù)其相應的用途來確定，例如316Cb 焊材、316L 焊材或 309Cb 焊材。 022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼焊前不需要預熱，焊后不需要進行熱處理。

1.2 06Cr23Ni13不銹鋼

06Cr23Ni13 為我國奧氏體不銹鋼新標準牌號，ASTM 標準為309S。 06Cr23Ni13 奧氏體不銹鋼主要應用于石油化工、 食品、 機械、 建筑、 核電裝備以及航天航空制造等行業(yè)[8-9]，其化學成分及力學性能見表3 和表4。 06Cr23Ni13 不銹鋼具有良好的焊接性能，可采用常用的焊條電弧焊、 TIG 焊、MIG 焊及埋弧焊等方法進行焊接。 焊接時可根據(jù)產(chǎn)品使用情況，采用309 和309L 等焊絲、 焊條進行焊接，焊后一般不需要進行退火熱處理。

表3 06Cr23Ni13 不銹鋼的化學成分 %

表4 06Cr23Ni13 不銹鋼的力學性能

2 焊接工藝

2.1 焊材選擇

按中國船級社 《材料與焊接規(guī)范》 第三章第八節(jié)規(guī)定，不銹鋼焊材根據(jù)其認可時采用的不銹鋼母材進行分級。 焊材級別316L 對應認可時采用的母材為 022Cr17Ni12Mo2 （S31603）； 焊材級別 309L對應認可時采用的母材為06Cr23Ni13 （S30908）。奧氏體不銹鋼焊材熔敷金屬的力學性能應該符合中國船級社 《材料與焊接規(guī)范》 第三章第八節(jié)規(guī)定，具體要求見表5。

表5 奧氏體不銹鋼焊材熔敷金屬的力學性能要求

異種奧氏體不銹鋼焊接過程中焊材的選擇直接影響其焊接質(zhì)量，在異種奧氏體金屬接頭的焊縫和熔合區(qū)也存在一個過渡區(qū)，過渡區(qū)的化學成分、 金相組織都不均勻，物理性能、 力學性能都有一定的差異，可引起焊接接頭缺陷。 要保證焊接接頭質(zhì)量，焊材的選擇必須按照母材的化學成分、 性能、 接頭形式和使用要求等綜合考慮。022Cr17Ni12Mo2 與06Cr23Ni13 奧氏體不銹鋼焊接時，在焊材選擇上也需要遵循一般原則，即在無裂紋的前提下，保證焊縫金屬的耐蝕性能和力學性能與母材基本相當，或高于母材，一般要求其合金成分大致與母材成分匹配[10-11]。 奧氏體不銹鋼焊接過程中，希望焊縫金屬含有一定量的鐵素體組織 （約5%最佳），以保證其有一定的耐蝕性能和抗裂性能。 考慮到309S 是耐熱不銹鋼，對焊縫中的鐵素體含量需要控制，焊縫中合金元素的含量是決定因素，尤其是Cr 和Ni 的比例。 焊縫中合金元素含量的影響因素主要有焊材、 母材和熔合比。 熔合比一般和焊接方法有很大關(guān)系，焊接方法確定后，熔合比的調(diào)節(jié)范圍一般不大。 所以在確定焊接方法后，焊材的選擇是主要考慮的問題，焊材一般可先按Gr-Ni 鋼舍夫勒圖估算法進行初步選擇，然后以工藝試驗進行驗證。

根據(jù)舍夫勒圖按焊縫金屬中的Cr 當量和Ni當量值估算出鐵素體的含量，若焊縫金屬組織處于A+F （奧氏體+鐵素體） 區(qū)域，則焊縫組織含有一定量的鐵素體，具有一定的抗裂性能。 Gr-Ni 鋼舍夫勒圖如圖1 所示。

圖1 1 Gr-Ni 鋼舍夫勒圖

舍夫勒圖估算法的具體步驟如下： ①明確焊接所采用的焊接工藝方法、 焊件的坡口形式； ②對所選焊材的化學成分及各基體 （即母材） 的化學成分進行統(tǒng)計； ③計算第一層焊縫 （即打底焊縫） 中的化學成分。 通常情況下，第一層的稀釋率最大，同時焊接應力也是最大的，只要第一層不產(chǎn)生裂紋，第二層、 第三層一般不會產(chǎn)生裂紋。 所以我們計算焊縫金屬的化學成分時，只要計算第一層 （即打底層） 即可； ④計算第一層焊縫 （即打底焊縫） 中的Cr 當量和Ni 當量； ⑤在Gr-Ni 鋼舍夫勒圖中查找計算出Cr 當量和Ni 當量所對應的點所處的區(qū)域，若對應的點處于A+F區(qū)域 （鐵素體含量約5%），則說明焊材選擇合適，否則需要重新選擇焊材。

以 022Cr17Ni12Mo2 鋼與06Cr23Ni13 鋼采用焊條電弧焊為例進行比較，焊件開60°V 形坡口，焊條分別選用 E308 （牌號 A102 或 A107） 和E309 （牌號 A302 或 A307），其化學成分見表6。

表6 E308 與 E309 焊條化學成分

第一層焊縫中熔化的基體金屬約占40%，由于022Cr17Ni12Mo2 鋼與06Cr23Ni13 鋼同屬奧氏體不銹鋼，且導熱系數(shù)接近，因此兩種基體金屬的熔合量也接近，各占焊縫金屬的20%，填充金屬 (焊條) 約占 60%。 由表 1、 表 3 和表 6中的數(shù)據(jù)計算出第一層焊縫的化學成分見表7。

表7 第一層焊縫化學成分

焊縫中的鉻當量Creq和鎳當量Nieq的計算暫不考慮 Nb、 N 和 Cu 等影響，選用 E308 焊條時，

Creq=（Cr+Mn+1.5Si）×100%=19.9%～22.5%，

Nieq=（Ni+30C+0.5Mn）×100%=13.45%～15.85%。選用E309 焊條時，

Creq=（Cr +Mn+1.5Si）×100%=22.3%～24.9%，

Nieq=（Ni+30C+0.5Mn）×100%=16.51%～18.91%。

由舍夫勒圖可以看出，選用E308 焊條時，焊縫的鉻當量Creq和鎳當量Nieq的交點范圍均在A區(qū)域，焊縫易形成方向性強的粗大柱狀晶，會促進有害雜質(zhì)的偏析，容易形成連續(xù)的晶間液態(tài)夾層，從而增大熱裂紋傾向，說明該焊條不可用；選用E309 焊條時，焊縫的鉻當量Creq和鎳當量Nieq的交點范圍均在 A+F 區(qū)域 （約在 0～5%區(qū)內(nèi)），即奧氏體+少量鐵素體。 相關(guān)文獻指出，焊縫中存在少量的δ 鐵素體 （約 5%最佳） 可以大幅度提升焊縫的抗裂性能[12]，說明E309 焊條可用。 但是，這只能說明使用E309 焊條進行焊接可以避免焊接裂紋，并不能說明此焊條能滿足接頭的力學性能要求，焊材熔敷金屬的力學性能還應該符合中國船級社 《材料與焊接規(guī)范》 第三章第八節(jié)規(guī)定，必要時還需要通過焊接工藝試驗來確定。

2.2 焊接工藝要點

（1） 焊接方法。 奧氏體不銹鋼對焊接方法沒有特殊要求，常用的有焊條電弧焊、 TIG 焊、MIG 焊以及埋弧焊。 具體采用哪種焊接方法，需要根據(jù)生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量要求等加以確定。

（2） 焊接熱輸入的控制。 合理控制焊接工藝參數(shù)，避免焊接接頭產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。 奧氏體不銹鋼導熱率小，熱量散失困難，容易使熱影響區(qū)產(chǎn)生過熱區(qū)。 另外，因電阻率高，焊條存在紅硬性。 因此，采用焊條電弧焊接時需要選擇較小的焊接規(guī)范，焊接電流不宜過高。 宜采用小電流、快速焊的方法，采用短弧焊接，多層焊每層焊縫的厚度最好不要超過4 mm。

（3） 預熱、 后熱以及道間溫度的控制。 奧氏體不銹鋼焊接時，一般不需要焊前預熱，也不需要焊后熱處理，而且應該適當加快冷卻速度，并在多層焊過程中嚴格控制道間溫度，最好在150 ℃以內(nèi)，必要時可以采取水冷措施。

（4） 熔合比的控制。 焊縫的化學成分變化對焊縫組織影響很大，為確保得到理想的焊縫組織，必須保證焊縫的化學成分穩(wěn)定，因此，應該盡可能控制焊接工藝，以保證熔合比穩(wěn)定。 熔合比與焊件的坡口形式、 焊接方法及填充材料都有一定的關(guān)系，當坡口形式、 焊接方法及焊條成分確定以后，熔合比的控制主要是靠控制焊接工藝參數(shù)，其中焊接電流對熔合比的影響最大，焊接過程中宜選擇小電流、 快速焊、 短弧焊，此方法能很好地控制焊縫中鐵素體的含量，有利于避免焊接裂紋的產(chǎn)生。

（5） 加強被焊工件的表面控制。 焊前和焊后的清理工作常常會影響到奧氏體不銹鋼的耐蝕性。 焊前坡口清理工具需要采用不銹鋼專用打磨工具，并注意不要碰傷工件其他部位，焊接過程中注意不能在工件表面隨意引弧，焊后清理需采用不銹鋼專用工具，如不小心碰傷或劃傷工件表面，需要對碰傷或劃傷部位進行防腐處理 （如拋光處理等）。

3 結(jié)束語

異種奧氏體不銹鋼的焊接工藝重點在于焊材的選擇，其次才是焊接工藝控制。 本研究022Cr17Ni12Mo2 與06Cr23Ni13 奧氏體不銹鋼焊接時，焊材選擇可按Gr-Ni 鋼舍夫勒圖進行初步選擇，但要注意不管是何種鋼的焊接，焊材的選擇均基于工藝試驗，必須滿足使用要求。 奧氏體不銹鋼焊接需要注意工件表面的保護，避免受到碳污染。 另外，焊接過程中適時強冷對焊接質(zhì)量的控制是有利的。