低合金鑄鋼件與奧氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件組焊研究及應(yīng)用

陳得潤(rùn)，李成志，王龍虎，田定琪，郭 寧，周 龍

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，特別是在“一帶一路”倡議下，對(duì)機(jī)械制造、高端大型設(shè)備等行業(yè)提出了更高的要求，同時(shí)對(duì)于金屬材料成型技術(shù)來(lái)講，也迎來(lái)了新的挑戰(zhàn)。中國(guó)核電首臺(tái)出口某國(guó)家的核電機(jī)組配套核電外缸鑄件缸體材料為低合金鋼，材質(zhì)為ZG17Cr2Mo1，鑄件輪廓尺寸7483mm×4970mm×2560mm，鑄件毛重76t。設(shè)計(jì)人員考慮到該國(guó)安裝地常年熱帶潮濕多雨的實(shí)際情況，在低合金缸體端設(shè)計(jì)可滿(mǎn)足使用工況性能要求的奧氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件作為過(guò)渡段，以滿(mǎn)足和達(dá)到后續(xù)在電廠工地現(xiàn)場(chǎng)組裝焊縫具有良好的現(xiàn)場(chǎng)安裝的可焊性及可操作性。文章通過(guò)對(duì)奧氏體耐熱鋼與低合金耐熱鋼的焊接工藝分析探究，經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用焊接接頭達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

本文涉及在大型鑄鋼件低合金材料上焊接奧氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件的焊接工藝研究，其中汽輪機(jī)缸體鑄件本身的材料為ZG17Cr2Mo1 材料，而其缸體管子一端擬組焊的結(jié)構(gòu)件材料為06Cr19Ni10，其中ZG17Cr2Mo1 為貝氏體組織材料，貝氏體組織是鋼中過(guò)冷奧氏體的中溫(Ms～550℃) 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物,α-Fe 和Fe3C 的復(fù)相組織，導(dǎo)熱性好、熔點(diǎn)高，屬于鐵磁性材料，線膨脹系數(shù)較大，密度大，而06Cr19Ni10 為奧氏體組織材料，無(wú)磁性材料，與貝氏體相比，奧氏體的密度小且導(dǎo)熱性差，熔點(diǎn)低，線膨脹系數(shù)大，比鐵素體和滲碳體的平均線性膨脹系數(shù)高約一倍。

1 焊接接頭的焊接性分析

1.1 汽輪機(jī)缸體低合金鋼材料

汽輪機(jī)缸體鑄件材料為ZG17Cr2Mo1，屬于低合金耐熱鋼材料，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1和表2。

表1 ZG17Cr2Mo1 化學(xué)成分 w/%

表2 ZG17Cr2Mo1 機(jī)械性能

1.2 奧氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件材料

奧氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件材料為06Cr19Ni10，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表3 和表4。

表3 06Cr19Ni10 化學(xué)成分 w/%

表4 06Cr19Ni10 機(jī)械性能

1.3 焊接接頭分析

1.3.1 熱裂紋的產(chǎn)生

奧氏體與低合金CrMo 材料組焊時(shí)，由于兩種材料線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等差異大，焊縫熔敷金屬在凝固結(jié)晶過(guò)程中，一些低熔點(diǎn)雜質(zhì)元素聚集在晶界上，由于焊接局部加熱和冷卻變化較大，因此在焊縫及熱影響區(qū)在高溫承受較大的拉伸引力時(shí)有可能產(chǎn)生熱裂紋。

1.3.2 過(guò)渡區(qū)軟化和硬化

焊接異種鋼時(shí)，由于熔合線兩側(cè)材料成分差異較大，加熱過(guò)程中碳元素?cái)U(kuò)散遷移明顯，在靠近低合金側(cè)出現(xiàn)脫碳層而軟化，相反在奧氏體焊縫側(cè)增碳，形成增碳層而硬化，降低接頭高溫持久強(qiáng)度和塑性。

1.3.3 焊接應(yīng)力與焊接變形

由于兩種材料成分組織及物理性能存在明顯區(qū)別，不同階段溫度的變化對(duì)線膨脹系數(shù)不一致的母材及焊縫會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。因此在焊接時(shí)，受到迅速冷卻和加熱，必然產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力和變形。

2 實(shí)施的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 工藝用焊接材料

對(duì)于奧氏體鋼與珠光體等低合金鋼材料的異種材料的選材原則，在保證焊接接頭使用的條件下，考慮碳遷移對(duì)焊縫成分的影響及焊接接頭區(qū)不產(chǎn)生冷、熱裂紋的情況下，焊材宜選用Ni-Cr-Fe 的填充金屬進(jìn)行填充焊接。本結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)采用規(guī)格為?2.4mm、型號(hào)為ERNiCr-3 氬弧焊打底，焊材?3.2mm、型號(hào)為ENiCrFe-3 焊材填充的方案進(jìn)行焊接操作。

2.2 焊前預(yù)熱溫度的確定

缸體一端材料ZG17Cr2Mo1，是通過(guò)Cr、Mo元素固溶強(qiáng)化的耐熱鋼，碳當(dāng)量約為1.02～1.1，空冷狀態(tài)下為貝氏體+部分馬氏體材料，具有較強(qiáng)的淬硬傾向，因此為防止產(chǎn)生焊接冷裂紋，焊接過(guò)程中需要較高的預(yù)熱溫度。

接管材料為06Cr19Ni10，屬于奧氏體不銹鋼，由于奧氏體材料熱膨脹系數(shù)大，熱導(dǎo)率小，具有較高的熱裂紋敏感性，在焊縫和熱影響區(qū)都有可能產(chǎn)生熱裂紋，因此奧氏體接管在焊接過(guò)程中需要嚴(yán)格控制層間溫度，以降低高溫時(shí)柱狀晶組織長(zhǎng)大，一般要控制在100℃以下。

針對(duì)以上差異，設(shè)計(jì)預(yù)熱工藝參數(shù)如下：低合金鋼鑄件ZG17Cr2Mo1 坡口一側(cè)：預(yù)熱溫度＞170℃；奧氏體0Cr18Ni10 結(jié)構(gòu)件坡口一側(cè)：預(yù)熱溫度控制在60～100℃。

3 接管組焊工藝、流程及技術(shù)措施

本文提供一種低合金鋼材料與奧氏體不銹鋼材料的焊接方法,具體工藝控制路線方案如下。

3.1 結(jié)構(gòu)件對(duì)接

在三維劃線平臺(tái)通過(guò)劃線方式將奧氏體結(jié)構(gòu)件與低合金鑄件對(duì)接并在坡口焊縫周邊點(diǎn)焊牢固。點(diǎn)固前將坡口焊縫均勻劃分6～8 等分，然后在劃分區(qū)域交接部位兩人同時(shí)使用ERNiCr-3 氬弧焊焊絲，對(duì)稱(chēng)焊接，焊接時(shí)焊縫長(zhǎng)度40～60mm。

3.2 預(yù)熱

根據(jù)確定好的預(yù)熱溫度在距離低合金鋼鑄件內(nèi)側(cè)距離管口端面一側(cè)200mm 部位架設(shè)半圓形預(yù)熱管，且預(yù)熱管火焰方向偏向鑄件一側(cè)，且與待焊接面呈30°～45°角，防止天然氣火焰直接加熱奧氏體接管，僅通過(guò)熱傳導(dǎo)方式將鑄件一側(cè)預(yù)熱，并使低合金鑄件坡口靠近鑄件一側(cè)溫度達(dá)到170～180℃。同時(shí)在奧氏體結(jié)構(gòu)件坡口一側(cè)外采用潮濕的棉布遮蓋，遮蓋厚度大于6mm，實(shí)時(shí)監(jiān)控奧氏體接管一側(cè)溫度，并根據(jù)接管側(cè)溫度間歇性在棉布上噴水降溫以達(dá)到控制層間溫度的目的。

3.3 打底焊焊接

打底焊焊接時(shí)，要求兩人分段對(duì)稱(chēng)打底焊，焊材仍選用ERNiCr-3 氬弧焊焊絲，直至打底焊焊接完成。

3.4 鑄件位置調(diào)整

由于兩種材料成分及組織差異大，焊接性完全不同，持續(xù)的熱輸入或不合理的預(yù)熱方式都將影響焊縫及其兩側(cè)液態(tài)金屬凝固速度，進(jìn)而影響焊接質(zhì)量，因此需要將鑄件側(cè)立調(diào)整，使坡口焊縫處于立焊位置。

3.5 填充蓋面焊接

采用多層多道焊接順序；焊材采用ENi-CrFe-3。焊接時(shí)從管子向上兩人同時(shí)對(duì)稱(chēng)分道焊接。采用較小線能量焊接，即小電流低電壓快速焊的焊接參數(shù)，每層焊接順序及參數(shù)要求如下。

兩人同時(shí)先焊接奧氏體結(jié)構(gòu)件坡口一側(cè)焊接過(guò)渡層，焊前在潮濕棉布一側(cè)間歇式降溫，確保奧氏體接管一側(cè)溫度低于100℃后立即同時(shí)用直徑3.2mm 焊條在奧氏體接管一側(cè)不擺動(dòng)熔敷焊接，焊接工藝參數(shù)如下：電流：85A±5A，焊接速度＞130mm/min，層間溫度＜100℃。然后在鑄件坡口一側(cè)焊接過(guò)渡層，焊接工藝參數(shù)如下：電流：95A±10A，焊接速度＞70mm/min，層間溫度＜260℃。最后焊接中間，焊接工藝參數(shù)如下：電流：95A±15A，焊接速度＞70mm/min，層間溫度＜160℃。

嚴(yán)格遵守“奧氏體接管一側(cè)間歇降溫，本體一側(cè)高溫預(yù)熱后焊接”，即“鑄件低合金接管一側(cè)溫度高奧氏體接管一側(cè)溫度低”的預(yù)熱原則；確保焊接過(guò)程圓滑過(guò)渡，避免尖角存在。

3.6 焊后熱處理

對(duì)于大型低合金鑄鋼件來(lái)說(shuō)，由于大量的焊接易導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力發(fā)生，焊接完成后應(yīng)進(jìn)行焊后消應(yīng)力處理。本方案涉及低合金鋼與奧氏體不銹鋼的結(jié)構(gòu)件焊接，難點(diǎn)在于既要最大限度降低焊縫焊接應(yīng)力，同時(shí)又要防止奧氏體材料在500～850℃加熱時(shí)，將Cr 從固溶體中以碳化Cr 的形式析出，造成奧氏體不銹鋼的晶界腐蝕敏感性增大，即產(chǎn)生高溫敏華現(xiàn)象，低合金鋼與奧氏體不銹鋼的結(jié)構(gòu)件坡口焊縫焊接完成后應(yīng)進(jìn)行300～400℃保溫3～5h 低溫消應(yīng)力處理。

3.7 無(wú)損檢測(cè)

采用以上工藝方案對(duì)低合金鑄鋼件與奧氏體接管十二道坡口焊縫進(jìn)行焊接后，分別參照檢測(cè)規(guī)范對(duì)坡口進(jìn)行了滲透及射線探傷，根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行缺陷評(píng)級(jí)，全部焊縫均Ⅰ級(jí)合格，低合金鑄鋼件與奧氏體接管一次焊接成功率達(dá)到100%。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)比分析奧氏體不銹鋼與低合金鑄鋼材料之間因?qū)嵝院腿埸c(diǎn)差異大、膨脹系數(shù)差異明顯等焊接性差異大且在復(fù)雜條件下的異種鋼結(jié)構(gòu)焊焊接件組合焊接方法，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，創(chuàng)造性提出了從焊接材料的選用、焊接位置、同一焊縫兩側(cè)不同預(yù)熱溫度等關(guān)鍵控制方案。在不影響低合金鋼淬硬基礎(chǔ)上間歇性提高奧氏體接管一側(cè)焊接冷卻速度，有效降低兩種材料焊接的差異性從而減少缺陷產(chǎn)生的幾率，操作工藝簡(jiǎn)單?？刹僮餍詮?qiáng)。實(shí)際生產(chǎn)中，一次焊補(bǔ)合格率可達(dá)98%以上，返修質(zhì)量提升90%以上，更降低了奧氏體結(jié)構(gòu)件變形導(dǎo)致報(bào)廢風(fēng)險(xiǎn)，縮短生產(chǎn)周期，確保鑄件滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。證實(shí)了該工藝方案措施是有效的，并具有較好的可行性，這為今后低合金鑄鋼件異種鋼結(jié)構(gòu)件焊接提供了很好的借鑒作用。