奥氏体不锈钢与铁素体钢的焊接性能分析研究

收稿日期:2002-05-15。

作者简介:芮福才(1954-),女,1996年毕业于黑龙江省电力职工大学热能动力工程专业,助理工程师。

奥氏体不锈钢与铁素体钢的焊接性能分析研究
芮福才
(黑龙江省电力科学研究院,黑龙江哈尔滨150030)
摘　要:阐述了奥氏体不锈钢及铁素体钢的焊接性和焊接工艺性,分析了异种钢焊缝失效的原因,认为选用镍基材
料作为焊接材料可延长异质接头的寿命。

关键词:奥氏不锈钢;铁素体钢;焊接中国分类号:TG 44 文献标识码:A 文章编号:1002-1663(2002)04-0270-03
Weldability Analysis for Austenitic Steel and Ferritic Steel
RUI Fu-cai
(Heilongjiang E lectric P ower Research Institute ,Harbin 150030,China )
Abstract :The weldability of austenitic stainless steel and ferritic steel was discussed ,and the causes for the failure in the weld seams of special steel ,and it was concluded that nickel based material can be used as a welding materi 2al to prolong the life of a joint of different quality.
K ey w ords :austenitic stainless steel ;ferrite steel ;welding
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200MW 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S A213—TP304H (1Cr19Ni9)、S A213—TP347H (1Cr19Ni11Nb )和1Cr18Ni9T i 等,而低温段则选用12Cr1M oV 、12Cr2M oW VT iB (G 102)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(S A213—TP347H )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
S A213—TP347H 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S A213-TP347H ,规格为<42,壁厚5.5mm ,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 S i P S Cr Ni Nb +T a 0.065
1.03
0.69
0.22
0.015
18.30
9.85
0.67
机械性能
s ΠMPa b ΠMPa δΠ%220
550
≥40
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072—v ol.24,No.4 Heilongjiang Electric P ower Aug.2002
1.1　晶间腐蚀
晶间腐蚀主要包括焊缝晶间腐蚀、热影响区(H AZ)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Cr23C6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T i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lnconel82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 T i S i C Cu S P Inconel8267.018.0～22.0 3.0 2.0～3.0 2.5～3.50.750.50.10.50.0150.03 Inconel18259.013.0～17.010.0 1.0～2.5 5.0～9.0 1.0 1.00.10.50.0150.03
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5.49×10-8K-1,介于奥氏体不锈钢(TP347H在20～600℃为6.77×10-8K-1和铁素体(T91在20～600℃为4.61×10-8K-1,G102在20～500℃为4. 94×10-8K-1,12Cr1M OV在20～580℃为5.37×10-8K-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,冷却
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第24卷　第4期 黑龙江电力 2002年8月
收缩应力大,易产生热裂纹。

另外合金元素Cr 、T i 等元素易烧损,所以要求的线能量不能太高。

奥氏体与铁素体钢焊接时,线能量输入过大,容易在铁素体钢热影响区的过热区产生粗大的晶粒,降低接头的机械性能,易产生再热裂纹;线能量的输入过大还会增加焊缝的稀释率,可能在靠近铁素体一侧焊缝产生一定量的马氏体组织,增大产生冷裂纹的倾向。

焊前是否选择预热是十分重要的。

对于铁素体钢来说,预热可以减少热影响区的淬硬倾向,减缓冷却速度,防止冷裂纹的产生,但预热实际上增加了线能量,对奥氏体钢则易产生热裂纹及增大熔合比。

综合考虑,对于淬硬性较大的铁素体钢与奥氏体钢焊接时,还是采取预热措施为好,担预热的温度应适当控制,不宜过高。

焊后是否进行热处理,也是十分重要的问题。

一般来讲奥氏体钢热处理会带来一系列的问题,
如475℃脆化、σ相析出、碳化物析出及晶间腐蚀
能力降低等,所以奥氏体钢焊后一般不需要进行热处理。

异种钢焊接要做热处理是根据铁素体钢的特性提出的,铁素体钢焊后进行热处理的目的是消除焊接应力,降低硬度,改善组织等。

对于薄壁管如12Cr2M oW VT iB (钢102),壁厚小于6mm 时,采取一定措施(氩弧焊、预热、缓冷)后,按电力部《焊工技术考核规程》规定可免做热处理。

另外,异种钢焊口在热处理过程中,会发生碳扩散。

温度越高,时间越长,碳扩散越严重,结果在铁素体钢一侧熔合线两边形成脱碳与增碳层,降低接头的蠕变性能,并在高温下长期使用,该熔合区易产生显微裂纹。

因此异种钢焊后是否要做热处理要慎重。

4　异种钢焊缝失效的主要原因分析
异种钢焊缝早期失效的原因很复杂,影响因素多,归纳起来有以下主要原因:
a.焊接缺陷。

导致接头早期失效的焊接缺陷
主要有裂纹、未焊透、未熔合、超标夹渣等。

这些
焊接缺陷在其它因素的作用下,往往成为裂纹的源头,导致焊缝失效。

因此,如何防止焊接缺陷的产生是保证接头寿命的最基本条件。

b.膨胀系数不同。

由于奥氏体、填充材料、铁
素体三者之间的线膨胀系数不同,在高温运行时产生膨胀应力。

在异种钢金属焊缝中特有的膨胀不匹配应力,俗称“自应力”,这种自应力加在焊缝界面处因蠕变变形和蠕变损伤而释放。

在锅炉启停温度变化的循环条件下,自应力会导致连续的蠕变损伤,进而使接头失效。

c.设计因素。

锅炉吊架或支架设计不当,也会产生较大的应力,这种应力称为“系统应力”。

系统应力会促使焊缝过早地失效。

因此在锅炉刚性支吊架设计时,应考虑各种钢材在高温下能自由膨胀的因素。

如果能基本消除系统应力,就能大大提高异种钢焊缝运行的安全性。

d.碳迁移。

由于异种钢焊缝化学成分不同,会发生合金元素的再分配问题,特别是碳从含碳量高的铁素体钢一侧向含碳量低的奥氏体一侧迁移,结果在熔合线铁素体钢一侧出现脱碳区,熔合线焊缝侧出现增碳区,使钢的蠕变强度降低,进而导致破坏。

e.强度不匹配。

铁素体钢与奥氏体钢焊缝之间材料强度不匹配,特别是在运行温度下,铁素体钢比焊缝金属的蠕变强度低得多,结果在铁素体钢一侧产生应力集中,导致破坏。

f.有害碳化物的形成。

镍基异种金属焊缝的开裂主要发生在一个半连续的球形相的界面,这个相被认为是一种M 23C 6碳化物,或者是M 23C 6和M 6C 的混合物。

这些碳化物相的周围存在大量空
穴,在高温运行中,这些空穴会连结成蠕变孔洞,形成裂纹,导致破坏。

异种钢接头失效的原因很复杂,有时早期失效的异种钢接头并不是某一个因素单独所为,而是以某一个因素为主,其它因素为辅共同作用的结果。

5　结　论
奥氏体不锈钢与铁素体钢的焊接,主要应综合考虑影响异质接头寿命的因素,选择更合理的焊接方法、焊接材料、焊接工艺、结构设计等来延长异质接头的寿命。

在焊接材料的选用中以镍基材料较为理想。

(编辑　侯世春)
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