珠光體鋼與奧氏體鋼異種鋼焊接材料的選擇與應用

摘要： 分析了珠光體鋼與奧氏體鋼異種鋼的焊接性，介紹了焊接材料的選用原則、材料種類、工藝及工程中的應用。結果表明：該類異種鋼焊接材料的選擇原則是，盡量選用接近或高于奧氏體鋼的高合金成分，而不是接近珠光體鋼的成分；盡量避免焊縫中馬氏體組織形成，保證接頭獲得良好的使用性能和焊接性。可供該類異種鋼選用的焊接材料種類較多，工藝方法各具特色。三個典型應用案例表明，這類異種鋼焊接質量的有效控制，取決于焊接材料的合理選用及正確的工藝方法。新型、高效、自動化焊接材料是頗具推廣應用前景的焊接新材料。

關鍵詞： 焊接材料； 異種鋼焊接； 珠光體鋼與奧氏體鋼

中圖分類號： TG147.44

0前言

珠光體鋼和奧氏體鋼異種鋼焊接在電力、石油、化工等工業部門已經大量應用，它能降低材料成本，提高高溫使用性能。然而，這類異種鋼焊接中會出現大量復雜的冶金和工程問題。雖然說這類異種鋼焊接的機理已被熱烈探討，現有的焊接材料及其匹配焊接工藝，基本能滿足結構制造要求；但是，隨著新型工業化的推進，在一些重大工程或特殊項目應用中，該鋼焊接接頭的使用性能方面仍然暴露出一些問題。這些問題依然涉及到焊接材料和配套工藝。有關珠光體鋼和奧氏體鋼異種鋼焊接方面的研究文獻不少，但深入探討焊接材料應用的研究不多。為此，本文特意將這類鋼焊接材料的選擇與該類鋼的焊接性、焊接材料種類及工藝方法相聯系，綜述焊接材料在不同工程中的應用。該項工作對推動這類鋼焊接材料的創新開發，以及配套工藝的銳意改進，具有積極意義和參考價值。1異種鋼焊接性分析

這類異種鋼焊接時的難度較大、問題較多，從以下3種焊接裂紋傾向進行焊接性分析：

（1）焊縫中裂紋。由于珠光體鋼和奧氏體鋼2種母材成分差異太大，熔化焊形成的焊縫成分勢必受到母材熔入的稀釋影響，致使焊縫的成分既不同于珠光體母材，也不同于奧氏體母材，與填充金屬也不同。母材對焊縫過度的稀釋可能導致馬氏體組織出現，在應力和氫的共同作用下，就有產生焊縫冷裂紋可能。焊縫所受稀釋程度不同，產生馬氏體組織和裂紋的傾向各異。

（2）熔合區裂紋。在熔化焊接過程中，熔池邊緣的液態金屬溫度較低，流動性較差，液態停留時間較短，機械攪拌作用較弱，導致熔化的母材不能與填充金屬充分混合，這部分焊縫中母材熔化金屬所占比例較大，因此在毗鄰珠光體鋼一側熔合線的焊縫金屬中就會形成一層與內部焊縫金屬成分不同的過渡層（圖1）。在該過渡層分布著數量和寬度不均勻或不連續的馬氏體組織[1-2]，通常不易看到這種馬氏體組織，只有用特殊

在應力和氫的共同作用下，可能產生所謂熔合區裂紋。

（3）熔合區蠕變裂紋。珠光體鋼和奧氏體鋼焊接接頭，在焊后熱處理或高溫下使用時，由于熔合線兩側含鉻量不等，在高溫條件下鉻作為強碳化物形成元素，促使低鉻鋼中碳向高鉻焊縫金屬中擴散遷移，結果在熔合區低鉻鋼（珠光體鋼）側產生脫碳層，而在相鄰的高鉻鋼（奧氏體鋼）一側產生增碳層。脫碳層由于組織變為鐵素體而軟化，增碳層由于碳的熔入和碳化物析出而硬化，致使接頭高溫下長期運行時，在殘余應力及熱應力（HAZ和熔敷金屬間線脹系數不同引起的）共同作用下，極可能在脫碳層形成蠕變裂紋或蠕變破壞[2]。還必須強調這種接頭的焊接殘余應力較大，且難以消除，始終是影響接頭使用性能的不利因素。

總體上看，奧氏體鋼和珠光體鋼異種鋼焊接性的主要問題是，焊縫中馬氏體組織和裂紋傾向，珠光體鋼一側焊縫熔合區裂紋傾向，以及在熔合區珠光體鋼一側脫碳層蠕變裂紋或蠕變破壞。

2焊接材料的選擇原則

為了獲得良好的焊接性和接頭使用性能，盡量選用高合金成分，也就是盡量選用接近或高于奧氏體鋼的高合金成分，而不是接近珠光體鋼的成分。還必須考慮避免焊縫中馬氏體組織形成。誠然，對于工作溫度高于425 ℃的接頭，應當選用鎳基焊接材料[3]。為此，可以借助于Schaeffler狀態圖對焊縫的成分和組織作出粗略的估算或預測，當然須涉及到熔合比參數問題。所謂熔合比是指熔化焊接頭中，被熔化的母材金屬在焊縫金屬中所占的比例。熔合比越小，母材成分的影響就越弱，填充焊材的主導作用就越強，就可有效防止焊接裂紋的產生，并獲得滿意的焊接性和使用性能。

表1是根據Schaeffler狀態圖推演的、預測或估計焊縫的組織及焊接裂紋傾向結果（在珠光體母材上堆焊奧氏體焊接材料）。可以看出，采用1號方案，焊縫的組織為A+M，容易產生焊縫裂紋，表明這3種焊接材料不適宜焊接珠光體鋼。采用2號方案，可能是2種結果：當熔敷金屬鐵素體含量為5%時，焊縫的組織為單相奧氏體，容易產生熱裂紋；當鐵素體含量為10%時，焊縫組織為A+F，可以避免出現馬氏體，焊接材料的抗裂性能良好。也就是說，采用A302、A307、A202這3種焊條焊接時，只要控制熔合比為20%～40%、鐵素體含量為10%時，即可獲得滿意的異種鋼焊接接頭。采用3號方案，在熔合比范圍很寬（20%～50%）、鐵素體含量為0、焊縫組織為單相奧氏體情況下，不會產生熱裂紋。這是一個焊接材料起主導作用的典型案例。A507是低氫型純奧氏體Cr16Ni25Mo6不銹鋼焊條，熔敷金屬不僅具有很高的強度，而且具有很好的塑性和延伸率。盡管焊縫為純奧氏體，仍然具有很好的抗熱裂性能。

表1Schaeffler圖應用實例[4]方案焊縫熔合比（%）電 焊 條 型 號熔敷金屬中鐵素體

含量（質量分數，%）焊縫微觀組織焊接裂紋傾向120～40A107，A137，A2322.5～5A+M存在220～40A302，A307，A2025A熱裂紋10A+F無320～50A5070A無

圖2是珠光體鋼20CrMnSi與奧氏體鋼0Cr18Ni9焊接時Schaeffler狀態圖應用實例。圖2中，鐵素體形成元素當量[F]和奧氏體形成元素當量[A]的經驗公式：

[F]=Cr%+1.5Si%+0.5Nb%+Mo%+V%+3.5Ti%，[A]=Ni%+30C%+0.5Mn%）[4]。

可以看出，對于板厚8 mm，對接焊，60°的V形坡口打底層，熔化的基體金屬約占45%，其中低合金鋼20CrMnSi約占40%，奧氏體鋼0Cr18Ni9約占60%。如果選用A107焊條，打底層的鐵素體和奧氏體形成元素當量[F]、[A]分別為16.60%和11.3%，在Schaeffler狀態圖上，[F]、[A]兩值的交點1正處在馬氏體+奧氏體區中，極易產生裂紋，因此A107焊條不適用于這兩種鋼的焊接。如果選用A307焊條，打底層的鐵素體和奧氏體形成元素當量[F]、[A]分別為19.35%和13.15%時，在Schaeffler狀態圖上，該成分為所標2點，該點處于純奧氏體組織區，不存在裂紋傾向。

對于第2、第3層焊縫，熔合比是逐漸減小的，當第3層熔合比為30%時，鐵素體和奧氏體形成元素當量[F]、[A]分別為21.27%和14.13%時，在Schaeffler狀態圖上，該點成分為點3，是奧氏體和鐵素體雙相組織，鐵素體含量約為3%。可見，A307焊條可以用來焊接這對異種鋼。

3焊接材料的種類及工藝方法

從合金系統特點來分，可供選用的異種鋼焊接材料種類較多，表2列出了9種電焊條的化學成分。

A146是在Cr20Ni10合金系基礎上添加6%Mn，改善焊縫金屬的抗裂性，使用效果比較好。A302或A307是Cr24Ni13合金系，只要控制熔合比在20%～40%范圍內，熔敷金屬鐵素體含量10%時，可以獲得A+F雙相組織，防止焊接裂紋出現，常作為珠光體鋼一側堆焊層焊接材料。A312/A317是在Cr24Ni13合金系基礎上添加2%Mo，以改善抗裂性和耐腐蝕性能。A402/A407是Cr25Ni20型合金系，熔敷金屬是純奧氏體組織，焊接異種鋼時有熱裂紋產生傾向。A412是對前者的改進，在Cr25Ni20型合金系基礎上添加2%Mo，以改善抗裂性和耐腐蝕性能。A422/A427也可以是Cr25Ni20型的改進型，加了8%Mn，為的是提高焊縫的抗裂性能。

E31216是Cr29Ni9合金系雙相不銹鋼焊條，熔敷金屬中含有40%以上的鐵素體相，焊縫金屬的抗裂性和耐腐蝕性能都很好。A502/A507是Cr16Ni25Mo6合金系，Ni含量高，Mo含量6%，以其高強度、高塑性而獲得高抗裂性的純奧氏體焊接材料。Ni357是Ni70Cr15合金系Ni基焊接材料，對抑制熔合區中碳遷移和改變接頭應力分布十分有利。

由于加入了一定量的Mn、Mo和Nb，焊縫金屬抗裂性得以改善。該焊條適用于工作溫度大于500 ℃或工作溫度波動頻繁的焊接結構。

表2異種鋼焊接材料（電焊條）熔敷金屬的合金成分（質量分數，%）焊條型號合金系統CMnSiCrNiMoSPCuNb+TaA146Cr20Ni10Mn6≤0.124.0～7.019.0～22.08.0～

11.0≤0.035≤0.04A302/A307Cr24Ni13≤0.150.5～2.5≤0.9022.0～25.012.0～

14.0≤0.75≤0.03≤0.04≤0.75A312/A317Cr24Ni13Mo2≤0.120.5～2.5≤0.9022.0～25.012.0～

14.02.0～

3.0≤0.03≤0.04≤0.75A402/A407Cr25Ni200.08～

0.201.0～2.5≤0.7525.0～28.020.0～

22.5≤0.75≤0.03≤0.03≤0.75A412Cr25Ni20Mo2≤0.121.0～2.5≤0.7525.0～28.020.0～

22.02.0～

3.0≤0.03≤0.03≤0.75A422/A427Cr25Ni18Mn8≤0.205.0～10.0≤1.2023.0～27.016.0～

20.0—≤0.03≤0.03E31216Cr29Ni9≤0.150.5～2.5≤0.9028.0～32.08.0～

10.5≤0.75≤0.03≤0.04≤0.75A502/A507Cr16Ni25Mo6≤0.120.5～2.5≤0.9014.0～18.022.0～

27.05.0～

7.0≤0.03≤0.04N≥0.1Ni357Ni70Cr15≤0.101.0～3.5≤0.7513.0～17.0≥620.5～

2.5≤0.02≤0.03≤0.500.5～

3.0

焊接材料的種類取決于焊接方法。有多種焊接方法可以焊接這類異種鋼，但最重要的是需要考慮熔合比對焊接性的影響。希望獲得小的熔合比，以降低焊縫金屬的稀釋程度，避免焊接裂紋的產生。

寧夏石化分公司30萬噸/年合成裝置中的20號鋼與1Cr18Ni9Ti異種鋼管線接頭（ 89 mm×6 mm），采用GTAW打底+SMAW填充工藝方法，合理選用焊接材料，按表4實例中①焊接工藝施工，強調控制焊接熔合比和熱輸入，并采用短弧、直焊道、不擺動等操作技術。

依據JB4708—2000標準進行焊接工藝評定，并經施工實施證實，異種鋼接頭焊接質量良好，保證了管道安全運行。

東風汽車廠與ALSTON公司合作生產的900 MW核電汽輪機組中的高壓外缸，上半尺寸為4 800 mm×3 200 mm×1 700 mm，重42 t，下半為4 800 mm×3 200 mm×2 400 mm，重45 t。在缸體中分面的某些部位及各級隔板槽的位置，均需堆焊不銹鋼耐沖蝕層。被堆焊的母材為PS30/514，相當于東風汽車廠牌號ZG15Cr2Mo1（該鋼系貝氏體型熱強鋼，但在焊接材料選擇以及堆焊工藝特點等方面與珠光體型熱強鋼非常接近，故選作應用案例）。采用FCAW堆焊工藝方法，執行表4實例中②焊接工藝施工（此前，單位特別選派專業人員去英國GEC公司學習有關操作技術，進行了工藝研究和試驗，并制定了專門的工藝規程），強調堆焊時預熱溫度、層間溫度的控制及焊后緩冷等技術要點。該廠采用英國METRODE公司生產的ER309LT04不銹鋼藥芯焊絲，成功地在900 MW核電高壓外缸上堆焊了奧氏體不銹鋼材料。新型、高效、自動化焊接材料及新技術的應用，為核電產品中的高壓閥、低壓閥、隔板套、高壓汽封及低壓汽封的奧氏體不銹鋼堆焊積累了經驗，并對這類核電產品的質量穩定性提供了必要的技術保證。

加氫裂化裝置中的高壓換熱器材質為12Cr2Mo1R（貝氏體型熱強鋼）的接管需與材質為0Cr18Ni10Ti的外部管線完成異種鋼的現場焊接。采用12Cr2Mo1R坡口SMAW堆焊+GTAW打底+SMAW填充工藝方法，按表4實例③中焊接工藝施工，強調12Cr2Mo1R坡口面堆焊時預熱溫度、層間溫度及后熱溫度的控制，在填充焊縫嚴格執行工藝要求，并采用窄焊道、短弧焊等操作技術，依據JB4708—2000標準進行焊接工藝評定，接頭的各項性能滿意。該工藝已經應用于西北鉛鋅冶煉廠生產的多臺裝置上，現場安裝和使用效果理想。

5結語

（1）奧氏體鋼和珠光體鋼異種鋼焊接性的主要問題是：焊縫中馬氏體組織和裂紋傾向，珠光體鋼焊縫一側焊縫熔合區裂紋傾向以及在熔合區珠光體鋼一側脫碳層蠕變裂紋或蠕變破壞。

（2）珠光體鋼與奧氏體鋼異種鋼焊接材料的選擇原則是：盡量選用接近或高于奧氏體鋼的高合金成分，而不是接近珠光體鋼的成分；盡量避免焊縫中馬氏體組織形成，保證接頭獲得良好的使用性能和焊接性。

（3）可供選用的珠光體鋼與奧氏體鋼異種鋼焊接材料種類較多，工藝方法各具特色，無論是焊接方法，還是規范參數，都必須以最小熔合比為目標。

（4）3個典型應用案例表明，這類異種鋼焊接的冶金和工程問題的有效控制，取決于焊接材料的合理選用及正確的工藝方法。新型、高效、自動化焊接材料是頗具推廣應用前景的焊接新材料。參考文獻[1]孫咸.異種鋼焊縫中的熔合區裂紋[J].焊接， 1989（9）： 11-15

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