碳鋼和奧氏體不銹鋼管道焊材選用研究分析

  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展。

  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。現(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。

一、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)，兩種鋼材料焊接過程中可產(chǎn)生各種問題。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. 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。

2. 熔合區(qū)塑性

  異種鋼焊接過程中，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10um，馬氏體與奧氏體綜合區(qū)寬25um；若使用焊條Cr19Ni9，馬氏體區(qū)約寬50um，馬氏體與奧氏體綜合區(qū)寬100um；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。

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。

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。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。

二、異種鋼材選用的原則及具體操作

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. 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0Cr21Nil0(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)；而手工焊條電弧焊相對(duì)比較穩(wěn)定，其熔合比在15％～30％。若稀釋度超過一半要求，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。

  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，以防過度稀釋而出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。