四川不锈钢管报道：20合金铸件焊接性分析及工艺措施的选择

四川不锈钢管：依据奥氏体不锈钢抗腐蚀性能的取向性，20合金是抗硫酸、亚硫酸及其盐类腐蚀的理想材料。因该材料中有高含量的镍及较高含量的铬，钼，铜等化学元素，焊接时易产生焊缝凝固裂纹、近焊缝区液化裂纹、焊接残余应力及热影响区晶粒粗大而增加晶间腐蚀和应力腐蚀的风险，但只要工艺选择合适，焊接质量是完全可以保证的。

 化学成分与各元素质量分数的不同，对奥氏体不锈钢抗耐酸腐蚀性能是有取向性的：铬，钒，硅等元素，对抗HNO3类氧化性酸的腐蚀性能是有利的；镍，铜等元素，对抗HCl或硫酸类还原性酸的腐蚀性能是有利的；钼含量在2%～3%，在各类酸中，特别是还原性酸中，能明显地表现出良好的抗腐蚀性能。根据奥氏体不锈钢材料抗酸腐蚀性能的取向性，选取了适用于硫酸、亚硫酸及其盐类腐蚀环境，有抗腐蚀性能的20合金材料作为试验材料，其试验过程如下。

一、试验母材及规格

 20合金材料，在美国ASME—2010标准中的牌号为SA-351CN7M，公称成分28Ni-19Cr-Cu-Mo，机加工时的铸件为固溶热处理状态，其组织为纯奥氏体，化学成分和力学性能分别见表。试板加工及组对尺寸按图的要求进行，机加工后表面粗糙度要求达到6.3μm以上。

二、焊接方法

焊接方法采用常用的焊条电弧焊（SMAW）。

三、焊接材料的选择

根据AWSD1.6/D1.6M：2007《不锈钢结构焊接规范》的推荐，焊接材料选择牌号为E320LR-16，规格为准3.2mm，其化学成分和力学性能见表。

四、焊接性分析与工艺选择

 1. 焊接性分析

   根据母材选定的焊接材料，以表中给出的化学成分，按下列公式（1）及公式（2）：w（Cr）eq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb（%），（1）w（Ni）eq=Ni+30C+30N+0.5Mn（%），（2）计算出选定焊材焊缝金属的铬当量w（Cr）eq值为22.1%，镍当量w（Ni）eq值为35.0%，依据1973版“戴龙焊缝组织图”可知：焊缝组织应当为纯奥氏体。因此该焊缝具有一般奥氏体不锈钢焊缝组织的特点：焊接接头的晶间腐蚀倾向、使用过程中的应力腐蚀开裂、接头焊接过程中的热裂等问题。由于此次评定选择的焊接材料为E320LR-16，其w（C）0.013%，小于产生晶间腐蚀倾向的下限w（C）0.03%，常温下焊缝组织处于稳定状态，故焊接时焊缝金属导致晶间腐蚀倾向的几率是很小的，也就是说，焊缝金属从选材时就不具备产生晶间腐蚀倾向应同时满足的3个条件，即晶粒粗大、腐蚀介质环境及在450～850℃温度区间长时间停留而导致碳化物（w（C）＞0.03%）析出。但因母材的w（C）0.055%，这就导致母材奥氏体组织在常温下处于不稳定状态，因此在焊接时，应采取避免焊缝及热影响区组织的晶粒粗大和过热或过烧的措施，来减少整个焊接接头晶间腐蚀倾向的风险。20合金铸件和E320LR-16的焊接材料中含有比普通奥氏体不锈钢材料高出3～4倍含量的Ni及较高含量的Cr，Mo，Cu等元素，从而可以推断：由于焊接接头热导率比普通奥氏体不锈钢材料小、线膨胀系数比普通奥氏体不锈钢材料大和较高的电阻率，因此焊接时很容易导致焊接接头的过热或过烧，从而导致焊缝金属在凝固期间易形成方向性强的、晶粒粗大的树枝状奥氏体结晶体，这就有利于Ni与S，P，Sn，Si，N，O之类元素，在树枝晶之间形成低熔点共晶，即液态薄膜，促使焊接接头产生焊缝凝固裂纹、近焊缝区液化裂纹等微热裂纹的生成；同时又因焊接接头的线膨胀系数比普通不锈钢较大、热导率小，导致焊接接头残留较大的焊接应力，因此增大了焊接接头在使用过程中应力腐蚀开裂的倾向；同时20合金焊缝又具有镍基合金焊缝组织的特点，焊接时金属液体流动性差，因此焊缝成形不易控制，在焊缝及热影响区容易产生微热裂纹等倾向。所以在选择焊接工艺措施时，应通过适当途径来避免因焊接接头的过热或过烧而导致的焊缝凝固裂纹、近焊缝区液化裂纹等微热裂纹和晶粒粗大，以减少焊接接头的晶间腐蚀倾向和降低残余应力，来规避焊接接头晶间腐蚀、热裂纹和应力腐蚀开裂的风。

 2.工艺措施选择

（1）母材熔炼时，采取特定的工艺措施把C含量控制在不超过0.03%的范围内，或在熔炼过程中适当地加入一些铌或钛等控碳元素，使母材组织在常温处于稳定状态。

（2）选择焊接材料时，优选超低碳的、低残留元素的、并含铌或钛等控碳元素的焊接材料，使焊缝组织在常温处于稳定状态。

（3）焊接时尽量保证焊缝金属中的有益元素（铬，镍，钼，铜等）的质量分数与母材匹配或略高于母材的，同时避免对“抗腐蚀性能”起负作用的其他杂质元素渗入。

（4）在焊接方法及焊接材料确定的前提下，对于焊接工艺参数应选择“小电流、短弧焊、快速多层多道焊”的软规范参数，即小热输入、多层多道焊技术。

（5）焊接前一般不需要预热，但当焊件母材的温度低于15℃时，应在始焊处两侧100mm左右宽度范围内加热至15～20℃，以避免阴冷潮湿的环境气体冷凝产生气孔。

（6）焊接引弧时，应采用回焊引弧或引弧板过渡焊接引弧技术；焊接到接头处时，应采用回焊引弧技术，以保证接头处饱满、光滑过渡；收弧时，应采用来回绕弧技术填满弧坑，以保证弧坑处饱满，避免产生弧坑裂纹。

（7）应严格控制层间和道间温度在较低的温度范围，所推荐的层间和道间温度均不超过100℃，以避免焊缝金属和热影响区过热或过烧，保证焊缝金属和热影响区金属在冷却到室温并清理干净后，再进行层间或道间的焊接，焊接结束后其焊缝金属和热影响区表面以呈现出银白光亮色或金黄色为宜。（8）焊接结束时应采取快速冷却措施，尽量避免焊接接头在450～850℃温度区间长时间停留，必要时可以采取浇水，或其他强制冷却的措施，来缩短焊接接头在敏感温度区间的停留时间。4.3辅助工艺措施及规范参数选择焊接前，坡口表面及边缘15～20mm范围内经液体渗透（PT）检测确认无裂纹、气孔、缩松等表面缺陷后，按图1所示尺寸进行组对。焊接时清除坡口表面及其边缘15～20mm范围内的油污、渗透剂等影响焊接质量的杂质，使其露出金属光泽，并保证焊接接头始焊处的预热温度在15℃以上。当环境温度低于15℃时，考虑采取措施在始焊处100mm范围内预热到15℃以上，待充分排出渗透到母材内的渗透剂、冷凝水等污物后随即开始焊接。焊条使用前在320℃/h的条件下进行烘干。用焊条保温桶存放，在焊接现场，焊条保温桶要求一直处于通电保温关闭状态，随时取用，随时关闭，严禁处于敞口储存。对于在4h之内未使用完的焊条，应重新进行烘干。然后按表5的焊接工艺参数进行焊接。焊接时，焊条不摆动，且层间温度及道间温度均控制在100℃以下，每道焊接结束后，随即采用吸水率大的棉质湿抹布覆盖其焊缝表面进行强制冷却，同时采取浇水措施使抹布始终保持湿漉漉状态。每焊接3～5层后，进行一次液体渗透（PT）检测，一旦出现缺陷，只有修复合格后才能继续焊接。层间和道间清理，采用专用工具清理，避免铁离子污染。背面采用角磨机清根，按表5的工艺参数，采用焊接2层填满坡口的工艺措施。5无损检测焊件冷却到室温后，按ASME—2013第Ⅴ卷、第2章及第6章［7］的要求，分别进行外观目视（VT）、射线（RT）及液体渗透（PT）检测，其结果符合ASME—2013第Ⅸ卷QW-194，QW-191.1.2.2及QW-195.2.2的要求；同时也满足相关产品技术标准规范的规定。

五、力学性能及化学分析

  对完成无损检测的试板，按照相应规范的要求进行力学性能及化学分析试样加工，其力学性能及化学分析检验项目、数量、试样加工检验执行标准见表6。试样加工完成后进行外观形状几何尺寸检查，合格后进行标识移植。

 1. 力学性能试验

  在室内温度为19℃，空气相对湿度为27%的环境条件下，力学性能检验结果见表，试验结果全部合格，其中弯曲试样拉伸表面完好，无缺陷。

 2. 金相试验

  按标准GB/T19869.1—2005的要求加工试样，试样包括焊缝金属、热影响区和母材，其规格尺寸为70mm×20mm×18mm。

  a.宏观金相试验

   试样打磨抛光后经王水溶液腐蚀，当其观察面清晰显示出熔合线、热影响区和各层焊道痕迹时，在正常光照条件下，用5～10倍放大镜进行宏观金相观察。如图所示，焊缝金属、热影响区及母材区域均无裂纹、未焊透、气孔，熔敷金属与母材熔合良好，其结果符合QW-183的要求。

  b.微观金相试验

  经宏观金相检测完成后的观察面上，在电子显微镜下至少放大200倍后，进行微观金相观察，母材金相组织照片如图3所示，其组织均为单相的、固熔状态的弥散相奥氏体组织。焊缝组织如图4所示，其组织为典型的单相奥氏体铸态组织、Fe及Cr-Ni-Mo-Cu晶间化合物组成。热影响区的组织如图所示的该区域内的组织与母材的组织基本一致。经观察，在整个焊接接头区域内：未发现有对焊接性能有影响的显微裂纹、沉淀物出现及异常组织，其结果合格。

 3.硬度试验

金相试验后按标准GB/T4340—2009的要求进行维氏硬度试验。在试验温度为24℃，空气相对湿度为24.2%室内环境条件下，按图所示的位置进行检测，维氏硬度（HV）检测结果见表。结果显示母材、热影响区和焊缝金属的硬度值均无异常分布，热影响区宽度在6.0～8.5mm的范围内。

 4. 晶间腐蚀试验

  取自于稀释区以外的焊缝金属晶间腐蚀试样，其规格尺寸为70mm×10mm×4mm，经外观及尺寸检查合格后，按GB/T4334.5—2000标准的要求，φ（酸）10%电解浸蚀法进行晶间腐蚀试验，结果为：拉伸表面均完好无损，试样表面未发生晶间腐蚀现象。

 5.化学分析

  试验对未被稀释的焊缝金属进行化学分析，结果见表，焊缝金属化学成分满足ASME第Ⅱ卷C篇SFA-5.4标准中E320LR的要求。

六、结论

 1. 奥氏体不锈钢材料的抗腐蚀性能，因所含化学成分及百分比含量的不同，其是有取向性的。

 2. 焊接材料优选超低碳焊条E320LR或焊丝ER320LR．以避免20台金焊接的过程中产生焊缝凝固裂纹、近焊缝区液化裂纹等徽热裂纹。

 3. 在选择工艺参数时，应优选软规范，即热输入小的规范，以削弱焊缝及热影响区金属过热或过烧，从而避免增大接头的晶间和应力腐蚀风险。

 4. 20合金的焊接接头，只要工艺措施选择合适，其一样与母材具有同等抗强酸腐蚀的性能。

 5. 20合金焊接易于产生微热裂纹的内因是母材和焊接材料化学成分中有高含量的镍，以及较高含量的铬，铜及钼等元素；外因是由于工艺措施的选择不当而导致焊接接头的过热或过烧。