S31603+Q345R不锈钢复合板的焊接

S31603+Q345R不锈钢复合板焊接1.钢板性能面弯背弯GB 150-2011 压力容器2.焊接材料性能NB/T 47018.2-2011 承压设备用焊接材料订货技术条件第2部分：钢焊条3.1焊接性3.1.1物理特性奥氏体组织，显著的冷加工硬化性，电阻比碳钢大5倍，线膨胀系数比碳钢大50%，热导率为碳钢的1/2，在固溶退火状态，具有低的导磁率。

铬、镍当量较低时，在冷加工变形量较大的情况下，会产生形变诱导马氏体，从而产生磁性。

具有低的屈强比（40%～50%），伸长率、断面收缩率和低温冲击韧性均很高。

结晶组织为面心立方，则其塑性和韧性比碳钢和低合金钢好，其低温缺口韧性非常好。

其在高于538℃时的强度比碳钢和低合金钢高，而且保持良好的抗氧化性能，316型不锈钢在300系列不锈钢中，具有最高的应力-破断性能。

3.1.2焊接特点奥氏体系复合钢板是指基层是珠光体钢，覆层是奥氏体不锈钢。

其焊接性能主要取决于奥氏体钢的种类（物理性能、化学成分等）、接头形式及填充材料的种类。

复合钢板的焊接工艺常用焊条电弧焊。

焊接的关键问题均是合理地选择基层、过渡层和覆层的填充材料。

由于基层与覆层母材、基层与覆层的焊接材料在成分及性能方面有较大的差异，焊接时稀释作用强烈，由于焊接接头中碳的迁移和合金元素的扩散，容易在基层一侧产生脱碳带，焊缝中心部位碳含量增加，而奥氏体钢侧的合金元素降低。

使焊缝中奥氏体形成元素减少，碳含量增加，增大了结晶裂纹的倾向；焊接熔合区可能出现马氏体组织而导致硬度和脆性增加，有产生裂纹的危险；此外，由于基层与覆层的含铬量差别较大，促使碳向覆层迁移扩散，而在其交界的焊缝金属区域形成增碳层和脱碳层，加剧熔合区的脆化或另一侧热影响区的软化。

脱碳带不仅是低温冲击韧性的低值区，而且往往是裂纹的起始和延展的区带，容易引起焊缝熔合线低温冲击韧性的降低并产生裂纹。

奥氏体不锈钢具有优良的焊接性，对热裂纹有一定的敏感性，加工工艺不当，易产生焊接接头的脆化（475℃脆化、σ相和晶界析出碳化铬脆化或晶粒粗大）等，在一定介质条件的接触下，易产生腐蚀[均匀腐蚀（表面）、局部腐蚀（晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀等），以局部腐蚀严重（90%）]。

几乎所有的熔化焊接方法均可用于焊接奥氏体不锈钢，其焊接性受其对热裂纹的敏感性所支配，与具有面心立方结晶组织的其它单相合金相似。

在焊接过程中，对于不同类型的奥氏体不锈钢，奥氏体从高温冷却到室温时，随着C、Cr、Ni、Mo含量的不同、金相组织转变的差异及稳定化元素Ti、Nb+Ta的变化，焊接材料与工艺的不同，焊接接头各部位可能出现下述一种或多种问题，在实际焊接工艺方法的选择及焊接材料的匹配方面应予以足够的重视。

可根据熔合比，计算出焊缝金属的铬当量和镍当量，然后根据舍夫勒组织图，估算出焊缝的组织状态，如奥氏体不锈钢和低碳钢焊接，当稀释率小于13%时，焊缝金属可保持奥氏体-铁素体组织；当熔入的低碳钢母材超过20%时，焊缝金属为奥氏体-马氏体组织，故由舍夫勒组织图可知，在焊接材料和焊接工艺不合适时，焊缝中必将出现马氏体组织，这在焊接时必须设法克服。

WRC(1992)图为更有效地防止稀释和碳迁移等问题，在基层与覆层之间加焊隔离层，因此隔离层用焊接材料也是非常重要的。

选择焊接材料时可遵循以下原则：(1).覆层用焊接材料应保证熔敷金属的主要合金元素含量不低于覆层母材标准规定的下限值。

(2).对于有防止晶间腐蚀要求的焊接接头，还应保证熔敷金属中有一定含量的Nb、Ti等稳定元素或ω（C）不大于0.04%。

(3).对于基层应按基层钢材的合金含量选用焊接材料，保证焊接接头的抗拉强度不低于基层母材标准规定的抗拉强度下限值。

(4).为补充基层对覆层造成的稀释，隔离层焊接材料最好采用铬镍含量高的焊条（如25Cr-13Mo型或25Cr-20Ni型）。

奥氏体不锈钢的热物理性能和组织特点决定了其焊接工艺特点。

1）由于导热系数小而热膨胀系数大，焊接时易于产生较大的变形和焊接应力，因此应尽可能选用焊接能量集中的焊接方法。

2）由于导热系数小，在同样的电流下，可比低合金钢得到较大的熔深。

同时又由于电阻率大，也为了避免焊条发红，一般与同直径的碳钢或低合金钢焊条相比，焊接电流较小。

纯奥氏体与超级奥氏体不锈钢，热裂纹敏感性较大，应严格控制焊接热输入。

3）焊接材料通常采用同材质焊接材料。

由于焊接材料中合金元素相对较高，其中有些元素如Ti、Nb、Cr、Al等极易氧化和烧损，焊接时应尽可能缩短电弧，且摆动幅度要限制。

4）为提高焊缝的抗热裂性能和耐蚀性能，焊接时，要特别注意焊接区的清洁，避免有害元素渗入焊缝。

5）奥氏不锈钢焊接时一般不需要预热及后热，为了防止焊接热裂纹的发生、焊缝和热影响区的晶粒长大及碳化物的析出，保证焊接接头的塑韧性与耐蚀性，应控制低的层间温度，一般不超过150℃。

3.1.3焊接缺陷及对策3.1.3.1热裂纹可分为凝固、液化、高温失塑三大类。

凝固裂纹多发生在焊缝区；液化裂纹多出现在靠近熔合线的近缝区，多层多道焊缝中层道间也可能导热系数小、线膨胀系数大，焊接接头高温停留时间较长，焊缝金属及近缝区在高温承受较高的拉伸应力与拉伸应变。

在焊缝中联生结晶形成方向性很强的粗大柱状晶组织，在凝固结晶过程中，一些杂质元素及合金元素，如S、P、Sn、Sb、Si、B、Nb易于在晶间形成低熔点的液态膜，因此造成焊接凝固裂纹；对于奥氏体不锈钢母材，当上述杂质元素的含量较高时，将易产生近缝区的液化裂纹。

高温凝固模式和高温结晶组织对热裂纹敏感性的影响。

当奥氏体的室温组织中含有少量的δ铁素体时（3%～12%），其热裂纹敏感性显著降低。

凝固模式有：A；AF；FA。

A模式热裂纹敏感性较高（根据晶粒润湿理论，在结晶过程中形成的依棉液态膜能够润湿γ界面，而难以润湿γ-δ界面，因此A模式形成的的纯奥氏体组织具有较高的热裂纹敏感性）；FA模式抗热裂纹性能优良（先析出的铁素体打乱了奥氏体柱状晶的方向，而且形成了偏析液态膜难以润湿γ-δ界面，因此具有优良的抗热裂纹性能。

与此同时，先析δ铁系体还能较高地溶解S、P、Sn等杂质，降低了凝固液体中的杂质含量，进而提高了抗热裂纹的性能。

以AF凝固模式形成的奥氏体+铁素体组织，铁素体在凝固结晶的后期产生，可以阻止粗大奥氏体柱状晶的长大，有分隔残液的作用，同时也可较多溶解杂质元素，因此此模式形成的A+F组织也具有低的热裂纹敏感性。

除其他因素外，铁素体含量与焊缝金属成分存在一定关系。

铁素体含量可以通过调整铁素体形成元素（如Cr、Si、V、Ti、Mo）与奥氏体形成元素（如C、Ni、N）的比率来确定。

1)铁素体的作用在奥氏体不锈钢焊件中，铁素体最重要的作用是降低某些不锈钢焊缝的热裂纹倾向。

铁素体含量的下限要求对于避免产生裂纹是必要的，当低熔杂质元素（特别是硫、磷）含量很低时，奥氏体不锈钢焊缝金属抗热裂纹性能有所提高。

通常热裂纹受凝固模式影响。

最终的铁素体含量和形式取决于结晶过程和随后的固体状态。

热裂纹的敏感性按照以下凝固模式的顺序降低：单相奥氏体、初生奥氏体、混合型和单相铁素体、初生铁素体。

虽然铁素体和凝固模式都主要取决于化学成分。

在FA凝固模式下，初始铁素体向奥氏体转变，产生双相组织，大大增加了相的边界数量，在此边界可能分布有低熔点组合物，从而使焊缝金属中微裂的可能进一步减小。

至少要3FN（铁素体数为3）的δ铁素体含量可消除用E308、E308L、E316、E316L奥氏体填充金属所熔敷的焊缝金属中的微裂。

E309中需要4FN，E318中为5FN，在E347中为6FN。

铁素体含量超过一定限制，可能会降低力学性能。

为了控制热脆性，要求焊缝金属中的δ铁素体约为4～10%。

过量的铁素体在高温下放置过程中可导致σ脆化。

某些填充金属可能得到太高的铁素体含量，特别是高铬低镍型，312型。

铁素体含量超过一定限制，可能会降低某些焊缝熔敷层在热的、氧化性酸中的耐腐蚀性能。

添加钼的18Cr-12Ni奥氏体填充金属，如E316、E317、E318型，在焊态条件下对某些介质的抗腐蚀性能不好。

存在局限于对铁素体的腐蚀时，可在焊后对接头退火，或者是采用不产生铁素体的焊缝金属的成分。

2)成分和组织间的关系焊缝中铁素体含量一般用磁性检测仪进行测量，测量结果用铁素体数（FN）表示。

由于成分和组织是相关联的，即铁素体元素（铬当量）和奥氏体元素（镍当量），因此铁素体含量也可以通过相图进行估算。

为了将Cr-Ni奥氏体不锈钢的化学成分与结晶模式及金相组织密切联系起来，并用于评估焊缝金属的热裂纹敏感性，明确防止焊接热裂纹的材料冶金措施，通过焊接时快速冷却形成的不锈钢的焊缝组织与合金元素的铬当量(Creq)和镍当量(Nieq)值的关系图，可以看出，奥氏体不锈钢及其焊缝金属，当室温组织中含有少量的δ铁素体时（4%～12%），其凝固模式基本为FA，能有效防止焊接热裂纹。

熔敷状态下焊缝金属的显微组织取决于它的成分和结晶速度。

碳和氮在稳定奥氏体作用中的有效性各比镍大约30倍，添加少量的钛可以提高熔敷金属铁素体含量达几个铁素体数。

3)焊接条件的影响焊缝金属的铁素体含量由焊缝金属化学成分的决定，它主要受焊接材料、母材的稀释、焊接条件影响。

化学成分中影响最大的是氮和氮，氮和铬的改变可明显影响铁素体含量。

高电弧电压（电弧过长）可造成焊缝金属氮污染，并且造成铬氧化损失，使焊缝中铁素体含量远低于规定值。

其他的因素是通过药皮中的氧化物减少铬含量（可用Nb、Ti除氧稳定），或者是从二氧化碳中增加碳含量。

很高的热输入也可以产生一定的影响，特别是对双相钢的影响。

当未经稀释的焊缝金属中的铁素体含量与制造厂出具的质量证明不相符时，可能是由上述中的一种或者多种因素造成的。

一般要求母材稀释率低于40%。

受母材稀释高的焊道可能已改变了铁素体含量，从一焊缝到另一焊缝，以及在同一焊缝中从根部到表面就可能存在铁素体含量的显著差别。

要特别注意根部焊道中对稀释的影响。

如产品管了焊缝中，按工艺合格值检查全部焊缝，近50%至少相差2FN。

因为在母材和填充金属之间标称成分上一般是有差别的，熔深和焊道形状的轻微变化，使稀释率变化，可以使熔敷金属的成分和性能产生明显的变化。

熔敷金属中铁素体含量随着：(1).电弧电压的升高（拉长电弧）而急剧下降。

焊接电压是影响铁素体含量的主要因素。

（N和Cr的影响）(2).随着焊接电流的提高而降低。

(3).随着冷却速度的加快而有所提高，随着层间温度的升高而有所降低。

(4).焊接角度对熔敷金属中铁素体含量有一定影响。

4)热处理的影响固溶处理能显著减少铁素体含量。

5)焊接热裂纹的控制主要从控制焊缝金属成分和调整焊接工艺两方面进行控制。

1）.控制焊缝金属成分其中最关键的是针对某一成分母材，选择合适的焊接材料，防止裂纹产生。