節(jié)鎳耐熱不銹鋼S30815的焊接工藝研究

王圣達(dá) 徐強

摘 要：S30815是一種全奧氏體耐熱合金，鎳含量在11%以內(nèi)，利用先進(jìn)的控制技術(shù)加入Si、N等合金元素及稀土元素Ce，使其具有優(yōu)良的耐高溫氧化及腐蝕的能力，很高的蠕變強度，對熱應(yīng)力有極佳的抵抗性。通過對其焊接性進(jìn)行分析，制定合理的SMAW焊接施工方案，并依照NB/T47014-2011標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接工藝評定試驗，得到合適的工藝參數(shù)范圍，確定WPS。試驗結(jié)果表明，采用AVESTA 253MA AC/DC焊條能獲得外觀良好、性能合格的優(yōu)質(zhì)焊縫。

關(guān)鍵詞：耐熱不銹鋼；焊接性；焊接線能量

1、引言

耐熱不銹鋼由于具有優(yōu)良的高溫強度、高溫抗氧化性和高溫耐腐蝕性，廣泛的應(yīng)用于發(fā)電鍋爐粉煤燃燒器、熱回收器、馬弗爐、蒸餾器、回轉(zhuǎn)窯及鍋爐壓力容器中。普通的奧氏體耐熱不銹鋼一般鎳含量在13%以上，如309S（23Cr-13Ni），310S（25Cr-20Ni），而S30815（21Cr-11Ni）的鎳含量在11%以內(nèi)，大幅度縮減了貴金屬鎳的含量。與耐熱鎳基合金INCOLOY 800（21Cr-32Ni）、INCONEL 601（23Cr-60Ni）相比，S30815的節(jié)鎳優(yōu)勢更為明顯。雖然S30815的化學(xué)成分中只含有21%的Cr和11%的Ni，但通過加入氮元素和稀土元素Ce，使其具有良好的抗氧化性及高溫蠕變強度并具有全奧氏體組織，使用溫度可達(dá)到850℃～1100℃。由于S30815含鎳量低，耐硫侵蝕能力較強，其晶間氧化和硫化深度僅為309S和310S奧氏體鋼的1/2。此外S30815還具有較好的抗高溫滲碳與高溫滲氮的性能。因此在很多高溫設(shè)備應(yīng)用上，S30815可以代替含有更高鉻鎳合金的鋼種及價格昂貴的鎳基合金。

我公司（遼寧華榮重工）承建的回轉(zhuǎn)窯（遼寧潔鎂）項目中，回轉(zhuǎn)窯窯體采用了山西太鋼生產(chǎn)的耐熱不銹鋼S30815，在國內(nèi)尚屬首例，國際上較早完成開發(fā)和生產(chǎn)的也只有瑞典的Avesta Sheffield AB、Sandvik及美國Rolled Alloys等幾家公司。國內(nèi)對S30815的焊接工藝及相關(guān)施工經(jīng)驗更少，因此施工前必須對該合金的焊接工藝操作要點進(jìn)行研究。

2.焊接性分析

S30815（化學(xué)成分見表1）是全奧氏體不銹鋼，鎳含量雖低，但通過加入強奧氏體化形成元素——氮元素，獲得了穩(wěn)定的全奧氏體組織，同時還改善了S30815的高溫蠕變性能。

稀土元素Ce以及硅的加入，使得S30815在高溫時仍有極佳的耐氧化性。氮、碳、稀土元素和堿金屬氧化物的結(jié)合使其與鎳基合金一樣具有同樣良好的抗氧化性能及高溫蠕變強度。S30815的常溫力學(xué)性能見表2。

根據(jù)S30815的化學(xué)成分分析，S30815的鉻鎳含量較低，因此對焊接熱裂紋的敏感程度不會像其他耐熱奧氏體不銹鋼一樣明顯，應(yīng)具有較好的焊接性。查閱相關(guān)資料S30815可采用鎢極氬弧焊（TIG）、熔化極氣體保護焊（GMAW）、焊條電弧焊（SMAW）、埋弧焊（SAW）等方法焊接。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點、成本價格、采購難易程度選用焊條電弧焊（SMAW）。

3.焊接工藝評定試驗

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》、NB/T47015-2011《壓力容器焊接規(guī)程》、NB/T47016-2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗》

3.1焊材選用

根據(jù)S30815的化學(xué)成分、力學(xué)性能、焊接性能等因素，同時查閱相關(guān)資料采用AVESTA 253MA AC/DC焊條。其熔敷金屬化學(xué)成分見表3，力學(xué)性能見表4。

3.2坡口

試件規(guī)格150×400×18mm——2件，X型坡口。

3.3焊前準(zhǔn)備

施焊前用不銹鋼絲刷清理坡口及兩側(cè)至少30mm范圍內(nèi)母材表面的油、水、銹、積渣等有害雜質(zhì)，必要時采用丙酮清洗。當(dāng)焊件溫度為-20℃～0℃時，應(yīng)在始焊處100mm范圍內(nèi)預(yù)熱到15℃以上。

3.4施焊

焊接過程中為避免有益合金元素的燒損，應(yīng)采用小規(guī)范，短弧快速不擺動的施焊技術(shù)，焊接工藝參數(shù)見表5。由于S30815耐熱不銹鋼的熱膨脹系數(shù)高，熱導(dǎo)率低，為防止過熱，必須嚴(yán)格控制焊接線能量，焊接線能量不應(yīng)超過15KJ/cm。同時也必須控制道間溫度不得超過100℃。

4.檢驗與試驗

4.1檢驗

按JB/T4730.2-2005對焊縫進(jìn)行100%RT檢測，質(zhì)量等級為AB級，檢測結(jié)果為I級合格。

4.2試驗

按NB/T47016-2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗》進(jìn)行試驗，拉伸試樣2件，側(cè)彎試樣4件。抗拉強度分別為734Mpa和732Mpa，彎曲角度均為180°。試驗結(jié)果合格。

5.結(jié)論

5.1 采用AVESTA 253MA AC/DC焊條焊接S30815奧氏體耐熱不銹鋼的焊接性良好，成形美觀，質(zhì)量能達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.2 施焊過程中要嚴(yán)格控制線能量及道間溫度，避免焊縫過熱，減少有益元素氮和稀土元素鈰的燒損，保證其高溫性能。

參考文獻(xiàn)

[1]NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》

[2]NB/T47015-2011《壓力容器焊接規(guī)程》

[3]NB/T47016-2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗》

[4]ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范》第IX卷

[5]韓肇俊.3種新型奧氏體耐熱不銹鋼評述介紹.沈陽工程學(xué)院學(xué)報

[6]《電焊條選用指南》

（作者身份證號碼：1 21031119860208061X；2 210302197311240977）