碳鋼和奧氏體不銹鋼管道焊材選用研究分析

李蔥聰

（陜西省興平市陜西柴油機(jī)重工有限公司工藝研究所，陜西興平 713105）

碳鋼和奧氏體不銹鋼管道焊材選用研究分析

李蔥聰

（陜西省興平市陜西柴油機(jī)重工有限公司工藝研究所，陜西興平 713105）

現(xiàn)如今，機(jī)械設(shè)備制造安裝行業(yè)中碳鋼和奧氏體不銹鋼異種鋼焊接日漸增多，雖可在不增加投資經(jīng)費(fèi)情況下大大提升安全系數(shù)，但異種鋼焊接的不足也日漸突出，這主要與焊材選擇不當(dāng)有極大關(guān)聯(lián)。為此，深入研究了異種鋼焊接的材料選用，做到科學(xué)選材，保證焊接工作順利正常開(kāi)展。

碳鋼；奧氏體不銹鋼；焊材

在工業(yè)高速發(fā)展的新階段，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，焊接作為機(jī)械設(shè)備制造安裝行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)和重要環(huán)節(jié)也在不斷的創(chuàng)新和發(fā)展?，F(xiàn)如今，碳鋼與奧氏體不銹鋼之間異種鋼焊接在日漸增多，但其焊接缺陷也在日漸突出。碳鋼與奧氏體不銹鋼因其各自化學(xué)成分、冶金性能、物理性能等各方面的差異，易造成合金元素稀釋而引發(fā)脆性組織，造成明顯的焊接缺陷，影響焊接施工。只有通過(guò)選擇合適的焊接方法和焊接材料，控制焊接工藝，方可獲得綜合性能良好的異種鋼焊接接頭。為此，本文深入研究異種鋼焊接的特點(diǎn)及原則選擇更好更合適的焊接材料，保證焊接施工的正常進(jìn)行。

1 異種鋼焊接的特性

因奧氏體不銹鋼與碳鋼在化學(xué)成分、力學(xué)性能、物理性能及冶金相組織等方面上存在自身特有性質(zhì)，兩種鋼材料焊接過(guò)程中可產(chǎn)生各種問(wèn)題。為此，在實(shí)際焊接操作中，應(yīng)充分考慮以下幾點(diǎn)特性：

1.1 碳遷移擴(kuò)散

長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境下，在進(jìn)行焊接或熱處理時(shí)，奧氏體不銹鋼與碳鋼界面四周可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，碳隨之集中向一側(cè)發(fā)生擴(kuò)散、遷移，最終導(dǎo)致奧氏體不銹鋼某一側(cè)發(fā)展為增碳層而硬化，碳鋼單一側(cè)則發(fā)展為脫碳層并逐步軟化。這樣焊接時(shí)接頭受力容易引起應(yīng)力集中，從而降低接頭高溫持久強(qiáng)度和韌性。

1.2 熔合區(qū)塑性

異種鋼焊接過(guò)程中，奧氏體接近熔合區(qū)的焊縫金屬有一個(gè)0.2~0.6mm寬的低塑性帶，其組織結(jié)構(gòu)與化學(xué)成分均有異于焊縫部分，在此過(guò)程中熔合區(qū)寬度可隨著焊條種類發(fā)生改變。一般情況下，低碳鋼使用焊條Cr25Ni20，該區(qū)域?qū)挾鹊鸟R氏體區(qū)約寬10μm，馬氏體與奧氏體綜合區(qū)寬25μm；若使用焊條Cr19Ni9，馬氏體區(qū)約寬50μm，馬氏體與奧氏體綜合區(qū)寬100μm；若焊條為Cr25Ni13，馬氏體區(qū)、馬氏體與奧氏體綜合區(qū)寬介于上兩個(gè)數(shù)值之間。而熔合區(qū)馬氏體區(qū)可影響接頭實(shí)際沖擊韌性。

1.3 金屬稀釋

異種鋼焊接時(shí)，基體金屬可發(fā)生熔化而導(dǎo)致焊縫金屬稀釋，且本身金屬稀釋密度可隨著熔化程度變化。過(guò)度稀釋會(huì)影響焊縫金屬性質(zhì)，發(fā)展為具一定脆性的馬氏體組織，并可能出現(xiàn)明顯裂紋，而影響焊接操作。

1.4 接頭應(yīng)力

除局部加熱產(chǎn)生焊接應(yīng)力之外，因奧氏體鋼本身較差的導(dǎo)熱性、奧氏體不銹鋼與碳鋼兩者較大的線脹系數(shù)，異種鋼焊接可產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力[1]。在交變溫度環(huán)境下的接頭容易形成熱疲勞或熱應(yīng)力，奧氏體不銹鋼與碳鋼兩種材質(zhì)的沿緣界面可產(chǎn)生焊接裂紋。

2 異種鋼材選用的原則及具體操作

2.1 異種鋼材選擇的原則

鋼鐵企業(yè)氧氣管道中，異種鋼的焊接發(fā)展應(yīng)以科學(xué)選擇焊材為前提，而焊接接頭的選擇應(yīng)充分考慮其自身的使用性能、碳遷移、抗熱裂性、焊接應(yīng)力及稀釋作用等多方面因素。具體操作中，可參照舍夫勒組織圖以熔合比進(jìn)行估算，明確奧氏體加鐵素體組織或純奧氏體焊縫成分。如上文提及，碳鋼母材在焊接過(guò)程中可產(chǎn)生不同程度的稀釋作用，18-8型材料不可滿足基本要求；因奧氏體組織，25-20型材料極易出現(xiàn)熱裂紋現(xiàn)象，為此25-13型材料是較合適的選擇。

2.2 異種鋼焊材及焊接方法的選擇

當(dāng)前奧氏體不銹鋼與碳鋼異種鋼焊接的焊條基本都選用適合的25-13型A302；但焊絲的選擇則大多為不適合的0Cr21Ni10（18-8型），這應(yīng)引起著重關(guān)注。一般情況下，奧氏體不銹鋼與碳鋼焊接應(yīng)考慮稀釋及融熔合，選擇稀釋率低、熔合比小的焊接工藝。手工鎢極氬弧焊（GTAW）可受焊接技術(shù)條件、有無(wú)金屬填充的影響，其稀釋率相應(yīng)發(fā)生改變，而熔合比則在10%~100%波動(dòng)；而手工焊條電弧焊（SMAW）相對(duì)比較穩(wěn)定，其熔合比在15%~30%。若稀釋度超過(guò)一半要求，焊縫金屬可發(fā)展為具一定脆性的馬氏體組織，并可能出現(xiàn)明顯裂紋。為此，異種鋼焊接過(guò)程中不僅要科學(xué)控制好熔合比，更應(yīng)選擇高含量Cr-Ni的25-13型1Cr24Ni13焊絲[2]。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，奧氏體不銹鋼與碳鋼異種鋼鋼材焊接材料宜選用A302焊條、25-13型1Cr24Ni309（或13）焊絲。在焊接作業(yè)過(guò)程中實(shí)施交叉立體施工，以防焊材混用，檢查并控制稀釋及熔合比，以防過(guò)度稀釋而出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。

[1] 陳振華，謝長(zhǎng)鴻，郭文光，等.不銹鋼焊縫缺陷的超聲相控陣掃描圖像特征分析[J].失效分析與預(yù)防，2014，9（3）：146-147.

[2] 謝正文，范昕煒，蔣政培，等.奧氏體不銹鋼焊縫的超聲相控陣檢測(cè)及定量分析[J].中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，26（2）：167-168.

Study on Selection of Welding Material for Carbon Steel and Austenitic Stainless Steel Pipeline

Li Cong-cong

Nowadays，the welding of carbon steel and austenitic stainless steel dissimilar steel is increasing in the machinery and equipment manufacturing and installation industry，although the safety factor can be greatly improved without increasing the investment funds.However，the shortage of dissimilar steel welding is becoming more and more prominent.Mainly with improper selection of welding materials have a great relationship.To this end，this article in-depth study of dissimilar steel welding material selection，so that scientific selection，to ensure smooth and normal welding work.

carbon steel；austenitic stainless steel；welding consumables

TG457.6

B

1003–6490（2017）05–0017–01

2017–04–24

李蔥聰（1982—），女，陜西興平人，助理工程師，主要從事柴油機(jī)零部件焊接工藝工作。