06Cr19Ni10的焊接工藝研究

陳文學 康猛 姜殿忠 王富民

06Cr19Ni10亞穩定型奧氏體不銹鋼不僅具有優良的抗氧化性能和耐腐蝕性能，而且具有優良的塑韌性和優良的冷加工性能，其次06Cr19Ni10鋼還有良好的低溫力學性能，由于其基本上不存在脆性轉變，常在低溫下使用，被廣泛用于制造低溫儲罐、管道和深冷狀態下運行的壓力容器等。為了滿足設計及工程的要求，在生產前依據NB/T47014—2011的相關要求對06Cr19Ni10進行工藝評定試驗，通過各項試驗數據驗證06Cr19Ni10材料的焊接工藝，是否能夠滿足-196℃低溫工況下的安全使用。

1. 母材性能分析

（1）化學成分 母材化學成分如表1所示。S和P在各類鋼種都會增加結晶裂紋傾向，是極易偏析的元素，S和P在鋼中能形成多種低熔點共晶，使結晶過程中極易形成液態薄膜，因此S和P是最為有害的雜質。本次采購時嚴格按標準控制了06Cr19Ni10鋼的S和P含量。由表1可以看出，該材料各元素含量均符合標準的規定，且對有害元素S、P的控制比較低，避免產生裂紋，同時有利于提高低溫韌性。

（2）母材力學性能 對母材進行室溫拉伸試驗和低溫夏比沖擊試驗，拉伸試驗按標準GB/T228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》進行，取樣2件；沖擊試驗按GB/T229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行，取樣3件。具體力學性能數據如表2所示。

表1 06Cr19Ni10母材化學成分 （質量分數） （%）

表2 母材的力學性能

（3）母材焊接性分析 06Cr19Ni10不銹鋼具有較高的變形能力并且不可淬硬，所以焊接性良好。對于06Cr19Ni10在工藝方面可能出現的主要問題是焊接接頭熱裂紋和高溫加熱碳化物脆化；在使用方面可能出現的主要問題是焊接接頭的耐腐蝕性能下降和低溫沖擊韌性的下降。

采取的主要工藝措施如下：

第一，保證待焊區潔凈度，減少母材和焊縫中的有害雜質含量，防止偏析和低熔點共晶物的形成。

第二，降低焊縫含碳量，防止焊縫晶間腐蝕。

第三，調整焊縫金屬化學成分，使焊縫金屬具有一定量的鐵素體，既能避免熱裂紋的產生，又能確保焊縫金屬的低溫韌性，同時還可以防止晶間腐蝕。

第四，采用較小的熱輸入和層間溫度，減小熔池過熱，增大冷卻速度，防止粗晶，縮短熱影響區在敏化溫度區間（450～850℃）的停留時間，以防止晶間腐蝕。

第五，減小橫向擺寬，合理安排焊接順序；避免強力組裝和應力集中，減小焊接應力。

第六，合理設計坡口，減小熔合比；并盡量減少焊縫的工藝缺陷。

2. 焊接工藝評定試驗

（1）焊材選擇 對于在低溫工況下工作的奧氏體不銹鋼，應保證焊接接頭在使用溫度的低溫沖擊韌性，結合該材料的化學成分、力學性能的匹配原則，該試驗選用了φ3.2mm的A107焊條進行試驗，焊條標準執行NB/T 47018.2—2011。熔敷金屬的化學成分和力學性能等均符合相關標準的規定，具體情況如表3、表4所示。

（2）坡口形式 試件采用平板對接，帶鈍邊X形坡口，角度60°±2°，鈍邊1mm，組對間隙3mm，如圖1所示。

圖1 接頭示意

（3）焊接參數 試件采用焊條電弧焊施焊，設備型號ZXG F300—1，選用φ3.2mm、A107焊條，焊前經300℃烘焙1h，放入恒溫桶內隨用隨取。嚴格控制電弧長度，避免空氣進入熔池，形成氣孔缺陷。試件的焊接參數如表5所示。最大焊接熱輸入控制在15kJ/cm，層間溫度控制在40～100℃，焊縫厚度控制在4mm以下。

（4）注意事項 第一，焊前坡口表面及兩側各20mm范圍內的水分、鐵銹、油污及氧化物等有害雜質必須清理干凈，直至出現金屬光澤。

第二，焊條盡量不擺動，采用窄道焊、多層多道施焊，在保證熔透和熔合良好的條件下，應采用小電流、短電弧（避免N侵入）、快焊速和多層多道焊工藝，并控制層/道間溫度在100℃以下。

第三，焊接過程中嚴格控制焊接熱輸入，最大焊接熱輸入值≤15kJ/cm，宜選擇較小的焊接熱輸入。

第四，每道焊后需認真檢查，徹底清除焊道表面熔渣及各種表面缺陷，尤其是接弧處，避免出現氣孔缺陷。

第五，各層焊道的接頭應錯開30~50mm，接弧處保證熔合。

第六，清渣及消缺工具選用專用的不銹鋼鋼絲刷和角磨機。消缺修磨處不得存在細長狹窄深溝，不要破壞或改變坡口角度。

（5）焊后檢驗及試驗 第一，X射線無損檢測。檢測標準執行JB/T4730.2—2005，檢測比例100%，試件達到了Ⅰ級標準。檢測后標記出缺陷位置，以便避開缺陷取樣，保證彎曲試驗和沖擊試驗的準確性和真實性。

表3 熔敷金屬的化學成分（質量分數） （%）

表4 熔敷金屬的力學性能

表5 焊接參數

第二，力學性能試驗。力學性能試驗執行NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》標準要求，結果如表6~表8所示。由表8數據可知，焊接接頭的焊縫區低溫沖擊韌性相對較低，但試件的焊接接頭沖擊韌性能夠滿足ASME規范標準（AKV≥27J，即側膨脹量≥0.38mm）、GB 150—2011《壓力容器》（AKV≥31J）和SH/T 3525—2004《石油化工低溫鋼焊接規程》（AKV≥31J）的要求。硬度試驗表明，06Cr19Ni10不銹鋼焊接接頭的硬度最高區是熱影響區。

第三，晶間腐蝕試驗。用銅-硫酸銅-16%硫酸溶液對試樣加熱16h后，進行彎曲試驗，彎曲后試樣用10倍放大鏡觀察，試驗結果如表9所示。

第四，金相檢測。焊接接頭宏觀檢測，未見裂紋氣孔、夾渣、未熔合等焊接缺陷，焊縫熔合完好，結果合格；焊接接頭微觀測，焊縫、熱影響區、母材三區顯微組織均為奧氏體+鐵素體（見圖2、圖3）。

表6 焊接接頭拉伸和橫向彎曲試驗結果

表7 接頭硬度試驗結果 （HV10）

表8 沖擊試驗結果

表9 晶間腐蝕試驗結果

圖2 接頭宏觀斷面

圖3 金相組織（100×）

3. 生產驗證

（1）實際產品檢驗情況 首臺膨脹節焊接時嚴格執行了焊接工藝評定合格的焊接工藝，焊條電弧焊焊縫經100%RT檢測，未見裂紋缺陷，合格率100%。產品總成后按產品設計圖樣技術要求，對首件產品進行了水壓強度試驗和氣密性檢驗，均未發現泄漏現象。

（2）產品售后跟蹤 經售后跟蹤，該產品在線上運行情況良好，能夠滿足膨脹節在該管系復雜工況下的使用要求。

4. 結語

（1）06Cr19Ni10具有良好的低溫韌性，焊接性優良，焊前不需預熱，選用國產A107焊條，合理制定焊接工藝，并允許一定量的鐵素體存在，以消弱焊縫的熱裂傾向。按該工藝所獲得的焊接接頭，硬度最高區域是熱影響區，低溫韌性最薄弱的是焊縫區，但在-196℃低溫工況下，抗拉強度、塑性、低溫韌性和耐晶間腐蝕能力等均能夠滿足工程的要求。

（2）關于深冷低溫條件下焊縫金屬鐵素體含量的范圍，標準中并沒有規定，國內外的各種資料上推薦的范圍也不一樣。本次試驗中對鐵素體含量進行了控制和分析，但因本次試驗的局限性，缺少對比分析，所以未做介紹，以后再做進一步的研究。