06Cr19Ni10的焊接工藝研究

陳文學(xué) 康猛 姜殿忠 王富民

06Cr19Ni10亞穩(wěn)定型奧氏體不銹鋼不僅具有優(yōu)良的抗氧化性能和耐腐蝕性能，而且具有優(yōu)良的塑韌性和優(yōu)良的冷加工性能，其次06Cr19Ni10鋼還有良好的低溫力學(xué)性能，由于其基本上不存在脆性轉(zhuǎn)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(tài)下運行的壓力容器等。為了滿足設(shè)計及工程的要求，在生產(chǎn)前依據(jù)NB/T47014—2011的相關(guān)要求對06Cr19Ni10進(jìn)行工藝評定試驗，通過各項試驗數(shù)據(jù)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(xué)成分 母材化學(xué)成分如表1所示。S和P在各類鋼種都會增加結(jié)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(jié)晶過程中極易形成液態(tài)薄膜，因此S和P是最為有害的雜質(zhì)。本次采購時嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，且對有害元素S、P的控制比較低，避免產(chǎn)生裂紋，同時有利于提高低溫韌性。

（2）母材力學(xué)性能 對母材進(jìn)行室溫拉伸試驗和低溫夏比沖擊試驗，拉伸試驗按標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》進(jìn)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(jìn)行，取樣3件。具體力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 06Cr19Ni10母材化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 母材的力學(xué)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(xiàn)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(xiàn)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(qū)潔凈度，減少母材和焊縫中的有害雜質(zhì)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(diào)整焊縫金屬化學(xué)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(chǎn)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(qū)在敏化溫度區(qū)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(yīng)力集中，減小焊接應(yīng)力。

第六，合理設(shè)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(yīng)保證焊接接頭在使用溫度的低溫沖擊韌性，結(jié)合該材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能的匹配原則，該試驗選用了φ3.2mm的A107焊條進(jìn)行試驗，焊條標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行NB/T 47018.2—2011。熔敷金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能等均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)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(shù) 試件采用焊條電弧焊施焊，設(shè)備型號ZXG F300—1，選用φ3.2mm、A107焊條，焊前經(jīng)300℃烘焙1h，放入恒溫桶內(nèi)隨用隨取。嚴(yán)格控制電弧長度，避免空氣進(jìn)入熔池，形成氣孔缺陷。試件的焊接參數(shù)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(cè)各20mm范圍內(nèi)的水分、鐵銹、油污及氧化物等有害雜質(zhì)必須清理干凈，直至出現(xiàn)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(yīng)采用小電流、短電?。ū苊釴侵入）、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(yán)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(rèn)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(xiàn)氣孔缺陷。

第五，各層焊道的接頭應(yīng)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(xì)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(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行JB/T4730.2—2005，檢測比例100%，試件達(dá)到了Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)。檢測后標(biāo)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(zhǔn)確性和真實性。

表3 熔敷金屬的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 熔敷金屬的力學(xué)性能

表5 焊接參數(shù)

第二，力學(xué)性能試驗。力學(xué)性能試驗執(zhí)行NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)果如表6~表8所示。由表8數(shù)據(jù)可知，焊接接頭的焊縫區(qū)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(guī)范標(biāo)準(zhǔn)（AKV≥27J，即側(cè)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(guī)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(qū)是熱影響區(qū)。

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(jìn)行彎曲試驗，彎曲后試樣用10倍放大鏡觀察，試驗結(jié)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(jié)果合格；焊接接頭微觀測，焊縫、熱影響區(qū)、母材三區(qū)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(jié)果

表7 接頭硬度試驗結(jié)果 （HV10）

表8 沖擊試驗結(jié)果

表9 晶間腐蝕試驗結(jié)果

圖2 接頭宏觀斷面

圖3 金相組織（100×）

3. 生產(chǎn)驗證

（1）實際產(chǎn)品檢驗情況 首臺膨脹節(jié)焊接時嚴(yán)格執(zhí)行了焊接工藝評定合格的焊接工藝，焊條電弧焊焊縫經(jīng)100%RT檢測，未見裂紋缺陷，合格率100%。產(chǎn)品總成后按產(chǎn)品設(shè)計圖樣技術(shù)要求，對首件產(chǎn)品進(jìn)行了水壓強度試驗和氣密性檢驗，均未發(fā)現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。

（2）產(chǎn)品售后跟蹤 經(jīng)售后跟蹤，該產(chǎn)品在線上運行情況良好，能夠滿足膨脹節(jié)在該管系復(fù)雜工況下的使用要求。

4. 結(jié)語

（1）06Cr19Ni10具有良好的低溫韌性，焊接性優(yōu)良，焊前不需預(yù)熱，選用國產(chǎn)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(qū)域是熱影響區(qū)，低溫韌性最薄弱的是焊縫區(qū)，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(guān)于深冷低溫條件下焊縫金屬鐵素體含量的范圍，標(biāo)準(zhǔn)中并沒有規(guī)定，國內(nèi)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(jìn)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(jìn)一步的研究。