奧氏體中碳合金鑄鋼管的焊接工藝

鄒東　朱寧　羅貴賓　唐立新

摘 要：針對(duì)ZG40Cr24Ni9Si2NRe奧氏體中碳合金鑄鋼管焊后產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象，通過分析其焊接特點(diǎn)，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的要求，研究選擇合適焊接材料，制定合理的焊接工藝及措施，成功解決了ZG40Cr24Ni9Si2NRe中碳合金鑄鋼管的焊接問題，達(dá)到了使用性能要求。

關(guān)鍵詞：中碳合金鑄鋼；焊接工藝及措施；奧氏體

中圖分類號(hào)：TG457.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）07-0061-02

1 引言

攀鋼礦業(yè)選礦廠為改善環(huán)保，將使用皮帶輸送磨選礦的工藝流程改為管道輸送。因磨選礦后的物料中含有硬度較大的鐵粒及石英等，且溫度較高，又具有一定的腐蝕性，在泵的作用下，物料在管道內(nèi)運(yùn)行過程中，對(duì)管道內(nèi)壁有著沖刷、撞擊作用，使管內(nèi)壁易于被磨損。根據(jù)優(yōu)化改進(jìn)要求，選擇了奧氏體耐熱、耐磨合金鑄鋼管（材質(zhì)ZG40Cr24 Ni9Si2 NRe，規(guī)格有Ф273×16mm和Ф325×16mm兩種）；焊接材料選擇鉻、鎳含量略高于母材的A302或A307奧氏體焊條，并按奧氏體材料的焊接工藝進(jìn)行焊接，但焊接后發(fā)現(xiàn)部分焊縫中或熱影響區(qū)有裂紋產(chǎn)生，這樣給焊接帶來了困難。所以，需分析研究選擇合適的焊接材料和制定合理的工藝措施，來保證奧氏體中碳合金鑄鋼管的焊接質(zhì)量和性能要求。

2 焊接性分析

（1）奧氏體耐熱、耐磨合金鑄鋼ZG40Cr24Ni9Si2NRe的主要化學(xué)成分和機(jī)械性能表1和表2所示，其金相組織為奧氏體+少量碳化物+少量鐵素體（鐵素體含量小于5%），碳化物在高溫狀態(tài)下增加了耐磨性。鋼中加有少量的N可提高熱強(qiáng)性，添加稀土Re可起到提高高溫抗氧化性以及脫氧和改善組織的作用。（2）焊縫中易產(chǎn)生熱裂紋。由于ZG40Cr24 Ni9Si2NRe鋼含碳量及合金元素含量較高，焊縫凝固結(jié)晶時(shí)，固-液相溫度區(qū)間大，結(jié)晶偏析傾向嚴(yán)重，焊接時(shí)易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，具有較大的熱裂紋敏感性，由于碳、錳含量較高，因此熱裂紋傾向較大。（3）熱影響區(qū)易產(chǎn)生冷裂紋。因ZG 40Cr24Ni9Si2NRe中碳高合金鑄鋼的淬透性好，在快速冷卻時(shí)，焊接熱影響區(qū)容易出現(xiàn)硬脆的馬氏體組織，增大了焊接接頭的冷裂紋傾向。母材含碳量越高，淬硬性越大，而奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的起始溫度Ms點(diǎn)又較低，在低溫下形成的馬氏體難以產(chǎn)生自回火效應(yīng)。由于在馬氏體中碳含量較高過飽和，硬度和脆性更大，冷裂紋敏感性也更突出。（4）由于ZG40Cr24Ni9Si2NRe鋼的線膨脹系數(shù)是碳素鋼的1.6倍，體積收縮率和線收縮率較大，在焊接熱循環(huán)過程中會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力。另由于熔化焊的熔合比不易控制，如果選擇的焊接材料與母材的線膨脹系數(shù)的差異大時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)疊加形成更大的應(yīng)力，易使焊縫和熱影響區(qū)開裂。（5）晶間腐蝕是鉻鎳奧氏體型鋼焊接時(shí)的主要問題。產(chǎn)生晶間腐蝕的敏化溫度區(qū)為加熱溫度在450℃～850℃范圍，在此溫度區(qū)內(nèi)停留時(shí)間過長(zhǎng)，就易產(chǎn)生晶間腐蝕。雖然ZG40Cr24Ni 9Si2NRe鋼中添加有稀土合金錸，能起到一定改善和穩(wěn)定組織的作用，但在敏化溫度區(qū)停留時(shí)間過長(zhǎng)也易產(chǎn)生晶間腐蝕。

所以焊接ZG40Cr24Ni9Si2NRe鋼焊接接頭既要防止熱裂紋和冷裂紋產(chǎn)生，還要防止產(chǎn)生晶間腐蝕。工藝上要嚴(yán)格控制熱輸入量的大小，冷卻速度不宜過快或過慢，選擇的焊接材料物理、化學(xué)性能應(yīng)滿足要求等，須通過多方面綜合考慮來研究制定焊接工藝和措施。

3 焊接材料選擇

針對(duì)ZG40Cr24Ni9Si2NRe鋼的焊接，選擇了強(qiáng)度和化學(xué)成分都相匹配的A102SiN奧氏體不銹鋼焊條，它具有良好的操作性能，熔敷金屬在1150℃具有良好的力學(xué)性能及耐腐蝕性能，并獲得非凡的工藝性能和物理性能。A102SiN焊條熔敷金屬的化學(xué)成分和機(jī)械性能表3、表4所示。

4 焊接工藝及措施

4.1 焊前準(zhǔn)備

（1）準(zhǔn)備直流焊接電源和一把帶圓頭的小錘（重0.5Kg，圓頭直徑R=5mm）。（2）焊前在待焊焊縫的周圍300mm范圍內(nèi)進(jìn)行低溫預(yù)熱。用氧-乙炔焰均勻預(yù)熱到80℃～100℃，以控制焊接過程中焊縫和熱影響區(qū)的冷卻速度不宜過快。

4.2 焊接要點(diǎn)

（1）采取直流反極性，短弧焊。選擇Φ3.2mm焊條，焊接電流控制在110～125A范圍內(nèi)；焊接速度等控制在13～20 cm/min，以控制熱輸入量不宜過大或過小。焊接工藝參數(shù)表5所示。（2）由于所焊接的管徑較大、較厚，焊接時(shí)宜采取分散對(duì)稱焊接，可使應(yīng)力分布較均勻防止產(chǎn)生應(yīng)力集中，以防出現(xiàn)裂紋。（3）焊接過程采取多層多道焊。每焊完一根焊條后立即用帶有圓頭的小錘在焊道表面進(jìn)行敲擊，先錘擊焊道中間再錘擊焊道兩側(cè)熔合處，達(dá)到布滿麻點(diǎn)為止，使焊縫產(chǎn)生部分塑性變形來抵消焊縫的部分收縮變形，消除焊縫部分應(yīng)力。（4）待焊道及周圍的溫度空冷降至預(yù)熱溫度范圍時(shí)再焊下一根焊條。多道焊的后一焊道應(yīng)壓住前一焊道的1/3，以使焊層表面平展。注意每焊道間的接頭處應(yīng)錯(cuò)開20mm左右，收弧時(shí)填滿弧坑；焊道與母材的結(jié)合部位應(yīng)熔合良好，并與母材圓滑過渡。

5 焊后檢驗(yàn)

（1）焊接完成后外觀檢查焊縫表面無(wú)氣孔、夾渣、裂紋、咬邊等缺陷，焊縫余高均小于4.0mm范圍內(nèi)，焊縫與母材熔合部位過渡較圓滑，符合外觀標(biāo)準(zhǔn)要求。（2）焊縫經(jīng)Ⅹ射線探傷均在Ⅱ級(jí)以上標(biāo)準(zhǔn)，未發(fā)現(xiàn)有內(nèi)部裂紋缺陷，檢驗(yàn)合格。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）奧氏體中碳合金鑄鋼焊接工藝上，采取低溫預(yù)熱和控制熱輸入量的措施，對(duì)防止焊接接頭產(chǎn)生裂紋和晶間腐蝕的問題效果好。（2）ZG40Cr24Ni9Si2NRe鋼管道安裝焊接后，現(xiàn)已使用近一年時(shí)間，未發(fā)現(xiàn)焊接接頭處有裂紋和磨穿現(xiàn)象，耐磨效果十分明顯，即使有輕微振動(dòng)，焊縫也沒有出現(xiàn)疲勞、斷裂現(xiàn)象，確保了奧氏體中碳合金鑄鋼管焊接接頭的使用性能和要求。

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