0 前 言

奧氏體不銹鋼廣泛應(yīng)用于食品、 機(jī)械、 制藥、 船舶 HVAC、 造紙及工礦企業(yè)等領(lǐng)域[1-4]。 散裝化學(xué)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(wèn)題主要是晶間腐蝕、 裂紋等，特別是焊接裂紋需要嚴(yán)格控制。 如何使不銹鋼焊接，特別是具有相同組織、 不同化學(xué)成分和性能的異種不銹鋼進(jìn)行高質(zhì)量焊接，諸多學(xué)者進(jìn)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(duì)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(hào)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(lái)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(guó)奧氏體不銹鋼新標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)，ASTM 標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)蝕能力，主要用于海洋工程環(huán)境[5-7]，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1 和表2。

表1 022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼的化學(xué)成分 %

表2 022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼的力學(xué)性能

022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼焊接性能良好，常用的焊接方法均可對(duì)其進(jìn)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(yīng)的用途來(lái)確定，例如316Cb 焊材、316L 焊材或 309Cb 焊材。 022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼焊前不需要預(yù)熱，焊后不需要進(jìn)行熱處理。

1.2 06Cr23Ni13不銹鋼

06Cr23Ni13 為我國(guó)奧氏體不銹鋼新標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)，ASTM 標(biāo)準(zhǔn)為309S。 06Cr23Ni13 奧氏體不銹鋼主要應(yīng)用于石油化工、 食品、 機(jī)械、 建筑、 核電裝備以及航天航空制造等行業(yè)[8-9]，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)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(jìn)行焊接。 焊接時(shí)可根據(jù)產(chǎn)品使用情況，采用309 和309L 等焊絲、 焊條進(jìn)行焊接，焊后一般不需要進(jìn)行退火熱處理。

表3 06Cr23Ni13 不銹鋼的化學(xué)成分 %

表4 06Cr23Ni13 不銹鋼的力學(xué)性能

2 焊接工藝

2.1 焊材選擇

按中國(guó)船級(jí)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(rèn)可時(shí)采用的不銹鋼母材進(jìn)行分級(jí)。 焊材級(jí)別316L 對(duì)應(yīng)認(rèn)可時(shí)采用的母材為 022Cr17Ni12Mo2 （S31603）； 焊材級(jí)別 309L對(duì)應(yīng)認(rèn)可時(shí)采用的母材為06Cr23Ni13 （S30908）。奧氏體不銹鋼焊材熔敷金屬的力學(xué)性能應(yīng)該符合中國(guó)船級(jí)社 《材料與焊接規(guī)范》 第三章第八節(jié)規(guī)定，具體要求見(jiàn)表5。

表5 奧氏體不銹鋼焊材熔敷金屬的力學(xué)性能要求

注： 奧氏體不銹鋼應(yīng)在-20 ℃條件下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

異種奧氏體不銹鋼焊接過(guò)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(gè)過(guò)渡區(qū)，過(guò)渡區(qū)的化學(xué)成分、 金相組織都不均勻，物理性能、 力學(xué)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(xué)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(shí)，在焊材選擇上也需要遵循一般原則，即在無(wú)裂紋的前提下，保證焊縫金屬的耐蝕性能和力學(xué)性能與母材基本相當(dāng)，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(guò)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(duì)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(wèn)題，焊材一般可先按Gr-Ni 鋼舍夫勒?qǐng)D估算法進(jìn)行初步選擇，然后以工藝試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

根據(jù)舍夫勒?qǐng)D按焊縫金屬中的Cr 當(dāng)量和Ni當(dāng)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?qǐng)D如圖1 所示。

圖1 1 Gr-Ni 鋼舍夫勒?qǐng)D

舍夫勒?qǐng)D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(duì)所選焊材的化學(xué)成分及各基體 （即母材） 的化學(xué)成分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)； ③計(jì)算第一層焊縫 （即打底焊縫） 中的化學(xué)成分。 通常情況下，第一層的稀釋率最大，同時(shí)焊接應(yīng)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(huì)產(chǎn)生裂紋。 所以我們計(jì)算焊縫金屬的化學(xué)成分時(shí)，只要計(jì)算第一層 （即打底層） 即可； ④計(jì)算第一層焊縫 （即打底焊縫） 中的Cr 當(dāng)量和Ni 當(dāng)量； ⑤在Gr-Ni 鋼舍夫勒?qǐng)D中查找計(jì)算出Cr 當(dāng)量和Ni 當(dāng)量所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)所處的區(qū)域，若對(duì)應(yīng)的點(diǎn)處于A+F區(qū)域 （鐵素體含量約5%），則說(shuō)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(jìn)行比較，焊件開(kāi)60°V 形坡口，焊條分別選用 E308 （牌號(hào) A102 或 A107） 和E309 （牌號(hào) A302 或 A307），其化學(xué)成分見(jiàn)表6。

表6 E308 與 E309 焊條化學(xué)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(dǎo)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(jì)算出第一層焊縫的化學(xué)成分見(jiàn)表7。

表7 第一層焊縫化學(xué)成分

焊縫中的鉻當(dāng)量Creq 和鎳當(dāng)量Nieq 的計(jì)算暫不考慮 Nb、 N 和 Cu 等影響，選用 E308 焊條時(shí)，

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(shí)，

Creq=（Cr +Mn+1.5Si）×100%=22.3%～24.9%，

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

由舍夫勒?qǐng)D可以看出，選用E308 焊條時(shí)，焊縫的鉻當(dāng)量Creq 和鎳當(dāng)量Nieq 的交點(diǎn)范圍均在A區(qū)域，焊縫易形成方向性強(qiáng)的粗大柱狀晶，會(huì)促進(jìn)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(shuō)明該焊條不可用；選用E309 焊條時(shí)，焊縫的鉻當(dāng)量Creq 和鎳當(dāng)量Nieq 的交點(diǎn)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(xiàn)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(shuō)明E309 焊條可用。 但是，這只能說(shuō)明使用E309 焊條進(jìn)行焊接可以避免焊接裂紋，并不能說(shuō)明此焊條能滿足接頭的力學(xué)性能要求，焊材熔敷金屬的力學(xué)性能還應(yīng)該符合中國(guó)船級(jí)社 《材料與焊接規(guī)范》 第三章第八節(jié)規(guī)定，必要時(shí)還需要通過(guò)焊接工藝試驗(yàn)來(lái)確定。

2.2 焊接工藝要點(diǎn)

（1） 焊接方法。 奧氏體不銹鋼對(duì)焊接方法沒(méi)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(guò)熱現(xiàn)象。 奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱率小，熱量散失困難，容易使熱影響區(qū)產(chǎn)生過(guò)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(shí)需要選擇較小的焊接規(guī)范，焊接電流不宜過(guò)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(guò)4 mm。

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

（4） 熔合比的控制。 焊縫的化學(xué)成分變化對(duì)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(xué)成分穩(wěn)定，因此，應(yīng)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(dāng)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(duì)熔合比的影響最大，焊接過(guò)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(qiáng)被焊工件的表面控制。 焊前和焊后的清理工作常常會(huì)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(guò)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(duì)碰傷或劃傷部位進(jìn)行防腐處理 （如拋光處理等）。

3 結(jié)束語(yǔ)

異種奧氏體不銹鋼的焊接工藝重點(diǎn)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(shí)，焊材選擇可按Gr-Ni 鋼舍夫勒?qǐng)D進(jìn)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(yàn)，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(hù)，避免受到碳污染。 另外，焊接過(guò)程中適時(shí)強(qiáng)冷對(duì)焊接質(zhì)量的控制是有利的。

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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

中圖分類號(hào)： TG441

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI: 10.19291/j.cnki.1001-3938.2020.02.007

*基金項(xiàng)目： 2018 年度廣西船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造工程技術(shù)研究中心開(kāi)放課題資助 “船海結(jié)構(gòu)單電極雙絲氣保焊工藝研究” （項(xiàng)目編號(hào)2018SDDAMRC08）； 2017 年欽州學(xué)院引進(jìn)高層次人才第二批科研啟動(dòng)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)2017KYQD212）； 欽州市 “互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造” 工程技術(shù)研究中心開(kāi)放課題基金資助 （項(xiàng)目編號(hào) 2017QGKZ02）。

作者簡(jiǎn)介： 石南輝 （1973—），黑龍江雙城市人，工學(xué)學(xué)士，副教授，國(guó)際焊接工程師，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹附庸に嚰皩?shí)踐教學(xué)。

石南輝1,2,3，張立志1,2,3

（1.北部灣大學(xué) 機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院工程訓(xùn)練中心，廣西 欽州 535011；2.廣西船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)與先進(jìn)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(jìn)制造” 工程技術(shù)研究中心，廣西 欽州 535011）