高手，有《不锈钢焊接工艺》吗？

奥氏体不锈钢与铁素体钢

　　随着机组参数的增大 ,对电站锅炉钢材使用
的要求越来越高 ,由碳素钢到珠光体 、贝氏体 、马 氏体耐热钢及至耐温可达 700 ℃的奥氏体不锈 钢 。由于奥氏体不锈钢具有优良的高温抗氧化 性及热稳定性强 ,因此被广泛应用于发电机组锅
炉受热面管子的高温部分 。目前 , 我国 200 MW 以上电站锅炉的过热器和再热器 , 其高温段部 分选用了奥氏体不锈钢 ,如 SA213 —TP304 H (1Cr1
9Ni9 ) 、 SA213 —TP347 H ( 1Cr19Ni11Nb ) 和
1Cr18Ni9Ti 等 , 而 低 温 段 则 选 用 12Cr1MoV 、
12Cr2MoWVTiB ( G102) 和 T91 等铁素体耐热钢 ( 这 里的铁素体耐热钢是指除奥氏体钢以外的其它 耐热钢的总称) , 根据发电机组各个部位工作温 度不同 , 相应使用不同化学成分和金属组织材 料 ,既可保证其使用寿命 ,也可降低造价 。当然 ,
在钢材的使用中不可避免地存在各种类型异种 钢焊接问题 。
异种钢焊接是指不同化学成分或组织的两 种钢的对接 ,异种钢焊接接头的特点是其化学成

分 、金属组织和机械性能呈不均匀性 , 线膨胀系
数相差较大 ,使异种接头在使用中产生附加热应 力 ,对焊接材料 、焊接规范以及运行的可靠性都 有显著的影响 。下面以奥氏体不锈钢 ( SA213 — TP347 H) 与铁素体耐热钢焊接为例 , 分析其焊接
性 。

1 　SA213 —TP347 钢的焊接性能

SA213 —TP347 H 钢是奥氏体不锈耐热钢 , 属 于 18- 8 型 铬 镍 奥 氏 体 不 锈 钢 , 相 当 于 我 国 的
1Cr19Ni11NB ,奥氏体不锈耐热钢是根据 Fe- Cr- Ni 三元平衡图 ,当 Cr 含量大于或等于 18 % ,Ni 含量 大于或等于 8 %时 ,室温下可获得单相奥氏体的 原理而发展起来的 。由于此类钢组织为单相奥 氏体 ,因此焊后无淬硬倾向 。但其焊接时 , 容易
出现晶间腐蚀 、应力腐蚀开裂和焊接热裂纹 。奥 氏体不锈钢 SA213- TP347 H ,规格为 <42 ,壁厚 5 . 5 mm ,其主要化学成分和机械性能见表 1 。

表 1TP347H 化学成分和机械性能
化学成分Π%

C Mn Si P S Cr Ni Nb + Ta

0 . 065 1. 03 0. 69 0 . 22 0 . 015 18. 30 9 . 85 0 . 67

机械性能
sΠMPa bΠMPa δΠ%

220 550 ≥

1. 1 　晶间腐蚀
晶间腐蚀主要包括焊缝晶间腐蚀、热影响区
( HAZ) 敏化腐蚀和焊趾处刀状腐蚀 。无论哪种晶 间腐蚀 , 均是由于在奥氏体晶粒周界首先发生 C 的集聚 ,而后 C 与 Cr 结合形成 Cr 23 C6 或碳的铬 化物 ,使晶间发生贫 C 造成的 。此外 ,单相奥氏体 焊缝金属呈发达的柱状晶 ,经敏化温度 ( 450～850
℃) 后 ,出现的贫 Cr 层可以贯穿晶粒之间而构成腐 蚀介质集中的腐蚀通道 ,使不锈钢的耐蚀性下降 。
避免晶间腐蚀应主要从以下两个方面入手 :
a . 降低母材或焊材的含碳量 ,采用超低碳 、低 碳奥氏体钢和焊材 ; 在焊材或母材中加入一些稳 定 C 元素的合金元素 ,如 Ti 或 Nb 。
b. 从焊接冶金方面考虑 , 应打散奥氏体焊缝 金属中的柱状晶 ,形成双相组织 。
1. 2 　应力腐蚀开裂
由于奥氏体钢的导热性差 、热膨胀系数大引 起的高残余应力是造成奥氏体钢应力腐蚀开裂的 主要原因 ,焊接残余应力的存在 ,加快了腐蚀的速 度 ,为此 ,在焊接时应尽量降低残余应力 。
1. 3 　焊接热裂纹
Cr —Ni 奥氏体不锈钢焊接时 , 有较大的热裂 纹倾向 ,主要与以下因素有关 :
a . 奥氏体钢的导热系数小和线膨胀系数大 ,
焊缝金属凝固过程中存在较大拉应力是产生凝固 裂纹的必要条件 。
b. 奥氏体易形成方向性很强的柱状晶焊缝组织 ,有利于有害杂质的偏析 ,促使形成晶间液态间
层 ,产生焊缝凝固裂纹 。
c . 奥氏体钢及其焊缝的合金组成较复杂 , 相 互化合易形成低熔点共晶体 , 形成有害的液态间 层 。防止奥氏体不锈钢焊缝产生热裂纹主要措施
是选择合适的焊接材料 ,调整合金成分 ,使焊缝具 有奥氏体和铁素体的双相组织 , 并限制焊接材料 中的杂质元素和碳的含量 。

2 　奥氏体不锈钢及铁素体钢焊接性 能分析

奥氏体与铁素体类钢的焊接 , 关键是焊接材 料与两侧钢材各种性能的匹配问题 。要获得可靠 的异种金属接头 , 焊接材料就应满足以下若干条 件 :a . 防止焊接缺陷 。焊接材料必须有能力承受 两种母材的稀释而不形成对裂纹敏感的组织或其 他缺陷 ; b. 物理性能 。焊缝金属的物理性能应该 与两种母材性能相匹配 , 其中热膨胀问题是非常 重要的 。为了使运行的热应力降到最小程度 , 焊 接材料的热膨胀系数应介于两种母材之间 ; c . 组 织稳定性 。焊缝金属必须在所有使用温度下保持 组织的稳定性 , 尽量不发生碳扩散以及产生有害 碳化物相 ; d. 抗腐蚀性 。焊缝金属的抗腐蚀能力应高于其中一侧母材 ,以防止焊缝被优先腐蚀 。
在 20 世纪 50 年代中期 ,国外研究发现 ,将异 种钢焊缝的填充金属采用 lnconel 82 焊丝和 lnconel
182 焊条 ,其化学成分如表 2 所示 。

　　　　　　　　　　　　　　　表 2 　Inconel82 焊丝和 Inconel182 焊条的化学成分 单位 : %

焊接材料
Ni Cr
Fe
Nb
Mn
Ti
Si
C
Cu
S
P
Inconel 82
67 . 0 18 . 0～22 . 0
3 . 0
2 . 0～3 . 0
2 . 5～3 . 5
0 . 75
0. 5
0 . 1
0 . 5
0. 015
0 . 03
Inconel 182
59 . 0 13 . 0～17 . 0
10 . 0
1 . 0～2 . 5
5 . 0～9 . 0
1 . 0
1. 0
0 . 1
0 . 5
0. 015
0 . 03

　　这种因科 (lnconel) 镍基焊接材料能与焊缝两
侧的奥氏体不锈钢和铁素体钢在热膨胀特征上更 接近 , 镍基填充金属在 20 ～600 ℃膨胀系数为
5 . 49 ×10 - 8 K- 1 ,介于奥氏体不锈钢 ( TP347 H 在 20
～600 ℃为 6 . 77 ×10 - 8 K- 1 和铁素体 ( T91 在 20～
600 ℃为 4 . 61 ×10 - 8 K- 1 , G102 在 20～500 ℃为 4 .
94 ×10 - 8 K- 1 ,12Cr1MOV 在 20 ～580 ℃为 5 . 37 ×
10 - 8 K- 1 之间 ,因此膨胀系数匹配较好 , 在界面上 的热循环应力也较低 ; 同时由于高含量的镍减少 了碳从铁素体钢一侧渗入焊缝 ,防止碳扩散出现 脱碳层 。实践证明 , 镍基填充金属的寿命大大超 过其它类型的填充金属焊缝 。据国外资料统计 :

镍基填充金属焊缝开始破坏的平均时间为 10
000h ,因此采用镍基填充材料确实是目前异种钢 比较好的选择 。
3 　焊接工艺性的分析

奥氏体与铁素体的焊接可采用手工电弧焊 、 氩弧焊 、埋弧焊 、脉冲氩弧焊等方法进行 。选择原则是优先选择能在保证焊接质量的情况下 ,输入 较小的线能量的焊接方法 。焊接线能量在保证焊 接质量的前提下应尽可能降低 ,因为奥氏体的柱 状晶具有明显的方向性 ,晶界有利于杂质的偏析 和缺陷的聚集 ,同时奥氏体的线膨胀系数大 ,冷

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