焊接论文

奥氏体不锈钢和珠光体刚焊接

摘要

珠光体钢和奥氏体钢是两种组织和成分都不相同的钢种。因此，这两类钢焊接在一起，焊缝金属是由两种不同类型的母材以及填充金属材料熔合而成的，因产生稀释反应、碳扩散反应等，从而增加了焊接难度。通过焊接试验及实践证明，采用隔离层焊接方法及合理的焊接工艺规范、合适的焊接材料，可取得异种钢焊接的优质接头。

一、奥氏体不锈钢与珠光体刚

奥氏体不锈钢是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18%、Ni 8%～10%、C约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织。此类钢除耐氧化性酸介质腐蚀外，如果含有Mo、Cu等元素还能耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸、尿素等的腐蚀。此类钢中的含碳量若低于0.03%或含Ti、Ni，就可显著提高其耐晶间腐蚀性能。高硅的奥氏体不锈钢浓硝酸具有良好的耐蚀性。由于奥氏体不锈钢具有全面的和良好的综合性能，在各行各业中获得了广泛的应用。

珠光体钢是在正火状态下，具有珠光体和铁素体显微组织的钢。该钢种合金元素含量少，工艺性能好，工作温度最高可达600℃，又称珠光体热强钢或珠光体耐热钢。按用途这类钢又可分为锅炉管用钢、气包用钢、紧固件用钢和转子用钢。

二、奥氏体不锈钢与珠光体刚焊接易出现的问题

由于两种钢的组织和成分都有很大区别，因此焊接时易出现一系列的问题。

1、焊缝的稀释

由于珠光体钢合金元素含量相对较低所以它对整个焊缝金属的合金具有稀释作用从而使焊缝的奥氏体形成元素含量减少结果焊缝中可能会出现马氏体组织导致焊接接头性能恶化严重时甚至可能出现裂纹。焊缝的组织决定于焊缝的成分而焊缝的成分决定于母材的熔入量即熔合比。因此一定的熔合比决定了一定的焊缝成分和组织。熔合比发生变化时焊缝的成分和组织都要随之发生相应的变化。

2、过渡层的形成

上面讨论的是当母材与填充金属材料均匀混合的情况下珠光体钢母材对整个焊缝的稀释作用。事实上在焊接热源作用下熔化的母材和填充金属材料相互混合的程度在熔池边缘是不相同的。在熔池边缘液态金属温度较低流动性较差在液态停留时间较短。由于珠光体钢与奥氏体钢填充金属材料的成分相差悬殊。在熔池边缘上熔化的母材与填充金属就不能很好地熔合结果在珠光体钢这一侧焊缝金属中珠光体钢母材所占的比例较大而且越靠近熔合线母材所占的比例越大。所以珠光体钢和奥氏体钢焊接时在紧靠珠光体钢一侧熔合线的焊缝金属中会形成和焊缝金属内部成分不同的过渡层。离熔合线越近珠光体的稀释作用越强烈过渡层中含铬、镍量也越小因此其铬当量和镍当量也相应减少。

3、熔合区碳扩散层的形成

奥氏体钢和珠光体钢组成的焊接接头中由于珠光体钢的含碳量较高但合金元素含量较少主要指碳化物形成元素而奥氏体钢则相反这样在熔合区珠光体钢一侧的碳和碳化物形成元素含量差。当接头在温度高于350400℃长期工作时熔合区便出现明显的碳的扩散即碳从珠光体钢一侧通过熔合区向奥氏体焊缝扩散。结果在靠近熔合区的珠光体钢母材上形成了一层脱碳软化层在奥氏体焊缝一侧产生了增碳硬化层。

4、焊接接头处应力的形成

由于奥氏体钢和焊缝金属的线膨胀系数比珠光体钢大30%～50%而热导率却只有珠光体钢的50%左右。因此这种异种钢的焊接接头将会产生很大的热应力特别当温度变化速度较快时由热应力引起的热冲击力像合金钢淬火一样容易引起焊件开裂。此外在交变温度条件下工作时由于珠光体钢一侧抗氧化性能较差易被氧化形成缺口在反复热应力的作用下缺口便沿着薄弱的脱碳层扩展形成所谓热疲劳裂纹。这类异种钢焊接接头加热到高温时借助于松弛过程能降低焊接残余应力但在随后冷却过程中由于母材和焊缝金属热物理性能的差异不可避免地又会产生新的残余应力。所以这类异种钢接头焊后热处理并不能消除残余应力只能引起应力的重新分布这一点与同种金属的焊接有很大的不同。

5、延迟裂纹氢的形成

延迟裂纹氢在不同的组织中溶解度并不相同并且与温度有关。当温度为

500℃时氢在奥氏体组织中的溶解度为4cm3/lOOg，而在铁素体组织珠光体是渗碳体和铁素体的机械混合物中为0.75 cm3/lOOg，在100℃时氢在奥氏体组织中的溶解度降到0.9 cm3/lOOg，在铁素体组织中的溶解度只有0.2 cm3/lOOg。这类异种钢的焊接熔池在结晶过程中既有奥氏体组织又有铁素体组织两者相互接近气体可以进行扩散使扩散氢得以聚集为产生延迟裂纹创造了条件使焊接接头受到破坏。

三、焊接方法

奥氏体不锈钢与珠光体钢焊接时采用的焊接方法是焊条电弧焊。

1、手工电弧焊

焊接过程中，在电弧高热作用下，焊条和被焊金属局部熔化。由于电弧的吹力作用，在被焊金属上形成了一个椭圆形充满液体金属的熔池。同时熔化了的焊条金属向熔池过渡。

2、氩弧焊

在电弧焊的周围通上氩弧保护性气体,将空气隔离在焊区之外，防止焊区的氧化。

3、CO2焊

CO2气体保护焊是以可熔化的金属焊丝作电极，并有CO2气体作保护的电弧焊。用于焊接的CO2气体，其纯度要求≥99.5%。

四、焊接材料的选择

珠光体钢与奥氏体钢焊接时，焊缝及熔合区的组织和性能主要取决于填充金属材料。焊接时应根据母材种类和工作温度等条件进行选择。

1、克服珠光体钢对焊缝的稀释作用

由于珠光体钢对焊缝金属有稀释作用因此不采用填充金属材料如钨极氩弧焊是不允许的。用E347-16型焊条施焊时焊缝中会产生大量马氏体组织而且在靠近珠光钢一侧马氏体数量多是脆性破坏的根源故此种填充金属也不适用。用WNi 大于12的E309-16、E310-16型焊条施焊时焊缝金属得到的组织基本上是奥氏体或者全部是奥氏体组织。由于镍的含量较高能起到稳定奥氏体组织的作用是比较

理想的填充金属材料。

2、抑制熔合区碳的扩散

提高焊接材料中的奥氏体形成元素是抑制熔合区碳扩散的最有效的手段。随着焊接接头在使用过程中工作温度的提高要阻止焊接接头中碳扩散镍的含量也必须提高。不同温度工作条件下异种钢接头对焊缝含镍量的要求见表3-7-2。

3-7-2异种钢接头对焊缝含镍量的要求

3、改变焊接接头的应力分布

在高温工作下的异种钢接头如果焊缝金属的线膨胀系数与奥氏体钢母材接近那么高温应力就将集中在珠光体钢一侧的熔合区内由于珠光体钢通过塑性变形降低应力的能力较弱所以高温应力集中在奥氏体钢一僦较为有利。因此焊接这类异种钢时最好选用膨胀系数接近于珠光体钢的镍基合金焊接材料如国外常用Cr15Ni70镍基材料作为焊接上述异种钢的焊接材料。

例如某厂在生产上焊接这类异种钢的对接接头时将焊件开成V形坡口可先在珠光体钢一侧的坡口用E309-16或E309-15型焊条堆焊或使用E347-16型焊条进行施焊施焊结果均未发现任何裂纹现象且综合力学性能较好。

4、提高焊缝金属抗热裂纹的能力

珠光体钢与普通Cr/Ni1奥氏体钢焊接时为了避免在焊缝中出现热裂纹在不影响使用性能的前提下最好使焊缝中含有体积分数为37的铁素体组织。为此在填充金属材料中要含有一定量的铁素体形成元素珠光体钢与热强（Cr/Ni<1）奥氏体钢焊接时，所选用的填充金属材料应保证焊缝具有较高抗裂性能的单项奥氏体或奥氏体加碳化物组织。

总上所述，奥氏体不锈钢与珠光体钢焊接时，选用E309-16、E309-15或E309-16、E309-15型焊条，它们不仅能抑制珠光体钢熔合区中碳的扩散，而且对改变焊接接头应力分布也有利。