异种奥氏体不锈钢焊接材料选择及工艺措施

摘 要

为了提高相同金相组织、 不同化学成分和性能异种不锈钢的焊接质量,对具有相同类型金相组织的022Cr17Ni12Mo2 和06Cr23Ni13 奥氏体不锈钢的焊接性进行了分析,采用Gr-Ni 钢舍夫勒图进行焊接材料的初选,重点介绍了异种奥氏体不锈钢焊材的选择及焊接工艺要点。 研究结果显示,异种奥氏体不锈钢的焊接工艺重点在于焊材的选择,可按Gr-Ni 钢舍夫勒图进行初选,但最终的确定还要进行必要的工艺试验和性能检测。 此工艺方案能为异种奥氏体不锈钢的焊接提供一定的借鉴。

 摘 要:为了提高相同金相组织、 不同化学成分和性能异种不锈钢的焊接质量,对具有相同类型金相组织的022Cr17Ni12Mo2 和06Cr23Ni13 奥氏体不锈钢的焊接性进行了分析,采用Gr-Ni 钢舍夫勒图进行焊接材料的初选,重点介绍了异种奥氏体不锈钢焊材的选择及焊接工艺要点。 研究结果显示,异种奥氏体不锈钢的焊接工艺重点在于焊材的选择,可按Gr-Ni 钢舍夫勒图进行初选,但最终的确定还要进行必要的工艺试验和性能检测。 此工艺方案能为异种奥氏体不锈钢的焊接提供一定的借鉴。

关键词: 异种奥氏体不锈钢; 焊接; 焊接材料; 舍夫勒图

0 前 言

奥氏体不锈钢广泛应用于食品、 机械、 制药、 船舶 HVAC、 造纸及工矿企业等领域[1-4]。 散装化学品船和液化气体船的货舱,以及油、 气、水处理用的受压容器一般采用奥氏体不锈钢或双相不锈钢建造。 奥氏体不锈钢的焊接质量问题主要是晶间腐蚀、 裂纹等,特别是焊接裂纹需要严格控制。 如何使不锈钢焊接,特别是具有相同组织、 不同化学成分和性能的异种不锈钢进行高质量焊接,诸多学者进行了广泛的研究,但通常研究的都是碳钢与不锈钢、 合金钢与不锈钢的焊接工艺,这些均属于不同类型金相组织的异种钢焊接,对于异种奥氏体不锈钢焊接工艺的研究较少。 常用奥氏体不锈钢的牌号很多,其中022Cr17Ni12Mo2 钢和06Cr23Ni13 钢就属于具有相同类型金相组织的异种奥氏体不锈钢。 本研究以022Cr17Ni12Mo2 钢和06Cr23Ni13 钢为例来分析异种奥氏体不锈钢的焊接工艺。

1 焊接性分析

1.1 022Cr17Ni12Mo2不锈钢

022Cr17Ni12Mo2 为我国奥氏体不锈钢新标准牌号,ASTM 标准为 316L。 022Cr17Ni12Mo2不锈钢由于含有2%~3%的Mo 元素使其具有良好的抗点蚀能力,主要用于海洋工程环境[5-7],其化学成分及力学性能见表1 和表2。

表1 022Cr17Ni12Mo2 不锈钢的化学成分 %

表2 022Cr17Ni12Mo2 不锈钢的力学性能

022Cr17Ni12Mo2 不锈钢焊接性能良好,常用的焊接方法均可对其进行焊接,如焊条电弧焊、 TIG 焊、 MIG 焊及埋弧焊等。 焊材选择可以根据其相应的用途来确定,例如316Cb 焊材、316L 焊材或 309Cb 焊材。 022Cr17Ni12Mo2 不锈钢焊前不需要预热,焊后不需要进行热处理。

1.2 06Cr23Ni13不锈钢

06Cr23Ni13 为我国奥氏体不锈钢新标准牌号,ASTM 标准为309S。 06Cr23Ni13 奥氏体不锈钢主要应用于石油化工、 食品、 机械、 建筑、 核电装备以及航天航空制造等行业[8-9],其化学成分及力学性能见表3 和表4。 06Cr23Ni13 不锈钢具有良好的焊接性能,可采用常用的焊条电弧焊、 TIG 焊、MIG 焊及埋弧焊等方法进行焊接。 焊接时可根据产品使用情况,采用309 和309L 等焊丝、 焊条进行焊接,焊后一般不需要进行退火热处理。

表3 06Cr23Ni13 不锈钢的化学成分 %

表4 06Cr23Ni13 不锈钢的力学性能

2 焊接工艺

2.1 焊材选择

按中国船级社 《材料与焊接规范》 第三章第八节规定,不锈钢焊材根据其认可时采用的不锈钢母材进行分级。 焊材级别316L 对应认可时采用的母材为 022Cr17Ni12Mo2 (S31603); 焊材级别 309L对应认可时采用的母材为06Cr23Ni13 (S30908)。奥氏体不锈钢焊材熔敷金属的力学性能应该符合中国船级社 《材料与焊接规范》 第三章第八节规定,具体要求见表5。

表5 奥氏体不锈钢焊材熔敷金属的力学性能要求

注: 奥氏体不锈钢应在-20 ℃条件下进行冲击试验。

异种奥氏体不锈钢焊接过程中焊材的选择直接影响其焊接质量,在异种奥氏体金属接头的焊缝和熔合区也存在一个过渡区,过渡区的化学成分、 金相组织都不均匀,物理性能、 力学性能都有一定的差异,可引起焊接接头缺陷。 要保证焊接接头质量,焊材的选择必须按照母材的化学成分、 性能、 接头形式和使用要求等综合考虑。022Cr17Ni12Mo2 与06Cr23Ni13 奥氏体不锈钢焊接时,在焊材选择上也需要遵循一般原则,即在无裂纹的前提下,保证焊缝金属的耐蚀性能和力学性能与母材基本相当,或高于母材,一般要求其合金成分大致与母材成分匹配[10-11]。 奥氏体不锈钢焊接过程中,希望焊缝金属含有一定量的铁素体组织 (约5%最佳),以保证其有一定的耐蚀性能和抗裂性能。 考虑到309S 是耐热不锈钢,对焊缝中的铁素体含量需要控制,焊缝中合金元素的含量是决定因素,尤其是Cr 和Ni 的比例。 焊缝中合金元素含量的影响因素主要有焊材、 母材和熔合比。 熔合比一般和焊接方法有很大关系,焊接方法确定后,熔合比的调节范围一般不大。 所以在确定焊接方法后,焊材的选择是主要考虑的问题,焊材一般可先按Gr-Ni 钢舍夫勒图估算法进行初步选择,然后以工艺试验进行验证。

根据舍夫勒图按焊缝金属中的Cr 当量和Ni当量值估算出铁素体的含量,若焊缝金属组织处于A+F (奥氏体+铁素体) 区域,则焊缝组织含有一定量的铁素体,具有一定的抗裂性能。 Gr-Ni 钢舍夫勒图如图1 所示。

图1 1 Gr-Ni 钢舍夫勒图

舍夫勒图估算法的具体步骤如下: ①明确焊接所采用的焊接工艺方法、 焊件的坡口形式; ②对所选焊材的化学成分及各基体 (即母材) 的化学成分进行统计; ③计算第一层焊缝 (即打底焊缝) 中的化学成分。 通常情况下,第一层的稀释率最大,同时焊接应力也是最大的,只要第一层不产生裂纹,第二层、 第三层一般不会产生裂纹。 所以我们计算焊缝金属的化学成分时,只要计算第一层 (即打底层) 即可; ④计算第一层焊缝 (即打底焊缝) 中的Cr 当量和Ni 当量; ⑤在Gr-Ni 钢舍夫勒图中查找计算出Cr 当量和Ni 当量所对应的点所处的区域,若对应的点处于A+F区域 (铁素体含量约5%),则说明焊材选择合适,否则需要重新选择焊材。

以 022Cr17Ni12Mo2 钢与06Cr23Ni13 钢采用焊条电弧焊为例进行比较,焊件开60°V 形坡口,焊条分别选用 E308 (牌号 A102 或 A107) 和E309 (牌号 A302 或 A307),其化学成分见表6。

表6 E308 与 E309 焊条化学成分

第一层焊缝中熔化的基体金属约占40%,由于022Cr17Ni12Mo2 钢与06Cr23Ni13 钢同属奥氏体不锈钢,且导热系数接近,因此两种基体金属的熔合量也接近,各占焊缝金属的20%,填充金属 (焊条) 约占 60%。 由表 1、 表 3 和表 6中的数据计算出第一层焊缝的化学成分见表7。

表7 第一层焊缝化学成分

焊缝中的铬当量Creq 和镍当量Nieq 的计算暂不考虑 Nb、 N 和 Cu 等影响,选用 E308 焊条时,

Creq=(Cr+Mn+1.5Si)×100%=19.9%~22.5%,

Nieq=(Ni+30C+0.5Mn)×100%=13.45%~15.85%。选用E309 焊条时,

Creq=(Cr +Mn+1.5Si)×100%=22.3%~24.9%,

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

由舍夫勒图可以看出,选用E308 焊条时,焊缝的铬当量Creq 和镍当量Nieq 的交点范围均在A区域,焊缝易形成方向性强的粗大柱状晶,会促进有害杂质的偏析,容易形成连续的晶间液态夹层,从而增大热裂纹倾向,说明该焊条不可用;选用E309 焊条时,焊缝的铬当量Creq 和镍当量Nieq 的交点范围均在 A+F 区域 (约在 0~5%区内),即奥氏体+少量铁素体。 相关文献指出,焊缝中存在少量的δ 铁素体 (约 5%最佳) 可以大幅度提升焊缝的抗裂性能[12],说明E309 焊条可用。 但是,这只能说明使用E309 焊条进行焊接可以避免焊接裂纹,并不能说明此焊条能满足接头的力学性能要求,焊材熔敷金属的力学性能还应该符合中国船级社 《材料与焊接规范》 第三章第八节规定,必要时还需要通过焊接工艺试验来确定。

2.2 焊接工艺要点

(1) 焊接方法。 奥氏体不锈钢对焊接方法没有特殊要求,常用的有焊条电弧焊、 TIG 焊、MIG 焊以及埋弧焊。 具体采用哪种焊接方法,需要根据生产效率和焊接质量要求等加以确定。

(2) 焊接热输入的控制。 合理控制焊接工艺参数,避免焊接接头产生过热现象。 奥氏体不锈钢导热率小,热量散失困难,容易使热影响区产生过热区。 另外,因电阻率高,焊条存在红硬性。 因此,采用焊条电弧焊接时需要选择较小的焊接规范,焊接电流不宜过高。 宜采用小电流、快速焊的方法,采用短弧焊接,多层焊每层焊缝的厚度最好不要超过4 mm。

(3) 预热、 后热以及道间温度的控制。 奥氏体不锈钢焊接时,一般不需要焊前预热,也不需要焊后热处理,而且应该适当加快冷却速度,并在多层焊过程中严格控制道间温度,最好在150 ℃以内,必要时可以采取水冷措施。

(4) 熔合比的控制。 焊缝的化学成分变化对焊缝组织影响很大,为确保得到理想的焊缝组织,必须保证焊缝的化学成分稳定,因此,应该尽可能控制焊接工艺,以保证熔合比稳定。 熔合比与焊件的坡口形式、 焊接方法及填充材料都有一定的关系,当坡口形式、 焊接方法及焊条成分确定以后,熔合比的控制主要是靠控制焊接工艺参数,其中焊接电流对熔合比的影响最大,焊接过程中宜选择小电流、 快速焊、 短弧焊,此方法能很好地控制焊缝中铁素体的含量,有利于避免焊接裂纹的产生。

(5) 加强被焊工件的表面控制。 焊前和焊后的清理工作常常会影响到奥氏体不锈钢的耐蚀性。 焊前坡口清理工具需要采用不锈钢专用打磨工具,并注意不要碰伤工件其他部位,焊接过程中注意不能在工件表面随意引弧,焊后清理需采用不锈钢专用工具,如不小心碰伤或划伤工件表面,需要对碰伤或划伤部位进行防腐处理 (如抛光处理等)。

3 结束语

异种奥氏体不锈钢的焊接工艺重点在于焊材的选择,其次才是焊接工艺控制。 本研究022Cr17Ni12Mo2 与06Cr23Ni13 奥氏体不锈钢焊接时,焊材选择可按Gr-Ni 钢舍夫勒图进行初步选择,但要注意不管是何种钢的焊接,焊材的选择均基于工艺试验,必须满足使用要求。 奥氏体不锈钢焊接需要注意工件表面的保护,避免受到碳污染。 另外,焊接过程中适时强冷对焊接质量的控制是有利的。

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[12]刘会杰.焊接冶金与焊接性[M].北京:机械工业出版社,2007.

 

Selection and Technical Measures of Welding Materials for Dissimilar Austenitic Stainless Steel

SHI Nanhui1,2,3, ZHANG Lizhi1,2,3
(1.School of Mechanical and Marine Engineering Engineering Engineering Training Center, Beibu Gulf University, Qinzhou 535011, Guangxi, China; 2.Guangxi Digitization Design and Advanced Manufacturing Engineering Technology Research Center, Qinzhou 535011, Guangxi, China; 3.Qinzhou Internet + Advanced Manufacturing Engineering Technology Research Center, Qinzhou 535011, Guangxi, China)

Abstract: In order to improve the dissimilar stainless steels welding quality of the same microstructure and the different chemical composition and property, the weldability of 022Cr17Ni12Mo2 steel and 06Cr23Ni13 steel with the same microstructure was analyzed.The primary welding materials were selected by using the schaffler diagram of Gr-Ni steel.The selection of the welding material and the main points of the welding technology for the dissimilar stainless steels were introduced.The results show that the welding process of the dissimilar stainless steels is mainly based on the selection of the welding materials, and the primary process can be carried out according to the schaffler diagram of Gr-Ni steel.This process scheme can provide some references for the welding of the dissimilar stainless steels.

Key words: dissimilar austenitic stainless steels; welding; weld materials; Schaffler diagram

中图分类号: TG441

文献标识码: A

DOI: 10.19291/j.cnki.1001-3938.2020.02.007

*基金项目: 2018 年度广西船舶数字化设计与先进制造工程技术研究中心开放课题资助 “船海结构单电极双丝气保焊工艺研究” (项目编号2018SDDAMRC08); 2017 年钦州学院引进高层次人才第二批科研启动项目(项目编号2017KYQD212); 钦州市 “互联网+先进制造” 工程技术研究中心开放课题基金资助 (项目编号 2017QGKZ02)。

作者简介: 石南辉 (1973—),黑龙江双城市人,工学学士,副教授,国际焊接工程师,高级工程师,主要研究方向为焊接工艺及实践教学。

石南辉1,2,3,张立志1,2,3

(1.北部湾大学 机械与船舶海洋工程学院工程训练中心,广西 钦州 535011;2.广西船舶数字化设计与先进制造工程技术研究中心,广西 钦州535011;3.钦州市 “互联网+先进制造” 工程技术研究中心,广西 钦州 535011)