李海新 張琳琳 張 婧 杜永鵬 楊振林 殷子強(qiáng)

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所 山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266001)

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厚板奧氏體不銹鋼焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀

李海新 張琳琳 張 婧 杜永鵬 楊振林 殷子強(qiáng)

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所 山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266001)

隨著厚板奧氏體不銹鋼應(yīng)用的日益廣泛，厚板奧氏體不銹鋼焊接技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。結(jié)合厚板奧氏體不銹鋼的焊接性，對厚板奧氏體不銹鋼焊接技術(shù)的研究成果及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)分析，重點(diǎn)介紹了常規(guī)電弧焊、埋弧焊、窄間隙焊、電子束焊接和激光焊在焊接厚板奧氏體不銹鋼時(shí)的研究情況，包括焊接工藝制定、焊材選擇、焊接參數(shù)選取及焊接質(zhì)量評價(jià)等，并提出了目前厚板奧氏體不銹鋼焊接存在的問題及今后的發(fā)展方向，對厚板奧氏體不銹鋼焊接技術(shù)的未來發(fā)展具有重要意義。

奧氏體不銹鋼 厚板 焊接

0 序 言

奧氏體不銹鋼由于具有優(yōu)良的高溫?zé)釓?qiáng)性、抗高溫氧化性以及良好的耐腐蝕性能，在石油化工設(shè)備、壓力容器、機(jī)械設(shè)備、核電工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在實(shí)際工程應(yīng)用中，奧氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件主要通過焊接成型，因此其焊接質(zhì)量一直備受關(guān)注。隨著現(xiàn)代化工業(yè)的迅速發(fā)展，對奧氏體不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)的承受載荷能力、工作強(qiáng)度和使用壽命要求越來越高，因此許多結(jié)構(gòu)部件需要使用大厚度奧氏體不銹鋼板，且對其焊接接頭質(zhì)量提出了更高的要求。針對以上問題，文中對厚板奧氏體不銹鋼的焊接性進(jìn)行分析，對其焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行概括和總結(jié)，并提出厚板奧氏體不銹鋼焊接存在的問題，對其未來研究方向的確定和更廣泛應(yīng)用的獲得具有重要意義。

1 奧氏體不銹鋼焊接性能分析

奧氏體不銹鋼具有良好的焊接性能， 但焊接時(shí)仍然存在焊接熱裂紋、脆化、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕等問題，且由于奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱性差(其熱導(dǎo)率約為碳鋼的1/3)，線膨脹系數(shù)大(比碳鋼大50%)，導(dǎo)致焊接應(yīng)力和焊接變形大，給厚板奧氏體不銹鋼的焊接帶來很大困難。經(jīng)驗(yàn)表明，厚板奧氏體不銹鋼的焊接主要有以下幾個(gè)方面的問題[1]：①板材厚度大，其焊接接頭拘束度大，導(dǎo)致焊后接頭中有較大焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生，進(jìn)而發(fā)展為焊接裂紋；②由于奧氏體存在柱狀晶方向性強(qiáng)的特點(diǎn)， S，P等雜質(zhì)容易偏析，且容易發(fā)生晶格的聚集，導(dǎo)致焊接時(shí)易產(chǎn)生焊接裂紋；③在對厚板奧氏體不銹鋼進(jìn)行多層焊焊接時(shí)，碳化鉻在500～800 ℃溫度范圍內(nèi)沿晶界析出，形成貧鉻區(qū)，極易產(chǎn)生熱裂紋。

因此，為了確保厚板奧氏體不銹鋼的焊接質(zhì)量，必需采取合理的焊接工藝，嚴(yán)格按照焊接規(guī)范施焊。目前厚板奧氏體不銹鋼的焊接主要采用焊條電弧焊、鎢極氬弧焊、埋弧焊、窄間隙焊、電子束焊接和激光焊等。

2 奧氏體不銹鋼焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 常規(guī)電弧焊

這里所說的常規(guī)電弧焊主要指焊條電弧焊、鎢極氬弧焊和熔化極氣體保護(hù)焊。焊條電弧焊是國內(nèi)用于奧氏體不銹鋼焊接的主要方法，其焊接時(shí)應(yīng)根據(jù)母材的化學(xué)成分選擇焊條，所選擇奧氏體不銹鋼焊條的化學(xué)成分類型應(yīng)與母材相同，焊條中的鉻鎳含量不低于母材，含碳量不高于母材。焊條電弧焊屬于手工焊接，焊接效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，且受干擾因素較多，焊接質(zhì)量難以保證。鎢極氬弧焊用于焊接奧氏體不銹鋼時(shí)，適用于8 mm厚度以下的板結(jié)構(gòu)，特別適用于厚度為3 mm以下的薄板，焊接厚件時(shí)，一般用作打底焊，對于管子的焊接直徑一般要求為60 mm以下。熔化極氣體保護(hù)焊可以用于厚板的焊接，但用其焊接奧氏體不銹鋼板時(shí)，焊縫窄而高，焊縫成形差，因此應(yīng)用少。

Tabatabaeipour等人[2]采用焊條電弧焊和氣體保護(hù)鎢極氬弧焊對25 mm厚度316L不銹鋼進(jìn)行了焊接，坡口角度60°，鈍邊2 mm，并對兩種方法所得焊縫組織進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)焊縫組織均為柱狀晶組織，且晶粒垂直于焊縫熔合線生長。通過超聲檢測發(fā)現(xiàn)，與鎢極氬弧焊焊接接頭相比，焊條電弧焊焊接接頭中更易出現(xiàn)焊接缺陷。

中國石油大學(xué)的孫曉娜等人[3]采用焊條電弧焊對板厚為60 mm的SUS304奧氏體不銹鋼板進(jìn)行了多層焊接，坡口形式為雙U形坡口，正反面交替施焊，可以防止焊接時(shí)工件發(fā)生嚴(yán)重變形，由于多道焊的反復(fù)加熱，厚板奧氏體不銹鋼焊縫的組織由粗大等軸的柱狀晶奧氏體以及沿柱狀晶分布的δ鐵素體組成。

冷小冰等人[4]對厚度為8 mm的304不銹鋼管進(jìn)行焊接試驗(yàn)，試驗(yàn)采用平位置焊接，焊件之間不留間隙、不開坡口，使用不銹鋼活性焊接可以一次焊透，并能實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，突破了傳統(tǒng)管道焊接的焊接工藝，具有高效率、低耗材和低成本的特點(diǎn)。

周桂芬[5]采用氬弧焊打底，焊條電弧焊蓋面方法實(shí)現(xiàn)了大徑厚壁奧氏體不銹鋼管道的焊接，采用的焊接材料為ER308L焊絲和E308L-15焊條。氬弧焊打底需焊接三層，為了保證焊接質(zhì)量，進(jìn)行第一層焊條電弧焊時(shí)需要充氬氣保護(hù)。焊接時(shí)需嚴(yán)格控制層間和道間溫度，使之低于80 ℃。焊后采用無損檢驗(yàn)及力學(xué)性能測試，得出所制定的焊接工藝合理、可行。

寶鈦集團(tuán)[6]對直徑為φ133 mm，厚度為11 mm的1Cr18Ni9Ti不銹鋼厚壁管進(jìn)行全位置焊接，焊接工藝為：手工鎢極氬弧焊打底，MAG焊填充及蓋面，MAG焊采用(CO2+Ar)混合氣體保護(hù)，采用立向上的水平固定全位置焊接。焊接材料分別為直徑2.5 mm和1.0 mm的308L焊絲。焊后進(jìn)行外觀檢驗(yàn)、無損檢驗(yàn)及性能檢驗(yàn)，焊接效果和焊接質(zhì)量均良好，且焊接效率較高，焊接質(zhì)量顯著優(yōu)于焊條電弧焊。

2.2 埋弧焊

埋弧焊時(shí)電弧在焊劑層下燃燒，因此其焊接質(zhì)量穩(wěn)定，同時(shí)還具有成形美觀、焊接效率高等優(yōu)點(diǎn)。但埋弧焊熱輸入量大，焊接熔池體積較大，焊后冷卻速度慢，合金元素及雜質(zhì)易發(fā)生偏析，且由于奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱性差，熱膨脹系數(shù)大，在埋弧焊局部加熱條件下焊接接頭會受到拉應(yīng)力作用，導(dǎo)致焊縫中產(chǎn)生熱裂紋。埋弧焊焊接奧氏體不銹鋼適用于中厚板，有規(guī)則的長直縫和直徑較大的環(huán)縫，且相同焊縫數(shù)量多，還只限于平焊位置。埋弧焊焊接奧氏體不銹鋼焊接材料的選用，要求焊絲中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得高于母材，鉻鎳含量比母材高。

賈欣等人[7]采用埋弧焊工藝對55 mm厚304不銹鋼板進(jìn)行焊接，試驗(yàn)選用ER308L焊絲和SJ601焊劑， 所獲得焊縫與母材結(jié)合良好，焊縫中無晶間腐蝕傾向和裂紋等缺陷產(chǎn)生，通過焊后微觀組織分析發(fā)現(xiàn)焊縫中沒有嚴(yán)重的晶粒粗化現(xiàn)象，通過焊接工藝評定得出，各項(xiàng)性能均符合相關(guān)要求。

黃磊等人[8]采用自動(dòng)埋弧焊技術(shù)對大慶甲醇廠改造工程中入塔器預(yù)熱器殼體所采用的0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼厚板進(jìn)行了焊接，殼體厚度為32 mm，具體焊接方法是：焊劑墊埋弧自動(dòng)焊焊接內(nèi)坡口，懸空焊埋弧自動(dòng)焊焊接外坡口。自動(dòng)焊焊材采用H0Cr21Ni10(焊絲)+HJ260(焊劑)，焊后經(jīng)無損檢測，所用環(huán)、縱焊縫均100%合格，完全符合質(zhì)量要求。

2.3 窄間隙焊接技術(shù)

窄間隙焊接(narrow-gap welding，NGW)技術(shù)是美國巴特爾研究所提出的一種弧焊方法，與其他的弧焊技術(shù)相比，此方法具有無可比擬的優(yōu)越性，此方法主要采用U形或I形坡口，焊縫截面積大幅減小，需要的焊縫填充材料較少，可以大大提高焊接效率，此外焊接線能量小，能很好的改善組織和力學(xué)性能。因此，NGW技術(shù)是厚板焊接的理想選擇。高效率和高質(zhì)量的NGW技術(shù)在奧氏體不銹鋼的焊接中已經(jīng)得到應(yīng)用，特別是有利于厚度超過20 mm的厚板焊接。對比焊條電弧焊，NGW技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高的焊接質(zhì)量、短的焊接工期、可控制的焊接全過程等現(xiàn)代焊接。

核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司[9]采用NGW自動(dòng)焊工藝對壓水堆核電站主回路管道奧氏體不銹鋼大口徑厚壁管進(jìn)行了焊接研究，并對焊接工藝進(jìn)行評定，參照標(biāo)準(zhǔn)為RCC-M，通過評定得出焊接工藝符合標(biāo)準(zhǔn)要求。因此采用NGW自動(dòng)焊工藝可行，且具有顯著優(yōu)勢。

韓國科學(xué)技術(shù)學(xué)院[10]采用NGW技術(shù)對核工業(yè)用壁厚為76 mm的316L不銹鋼管進(jìn)行了焊接，所用焊接設(shè)備為鎢極氬弧焊GTAW焊機(jī)，填充焊絲為0.9 mm直徑的308L，通過對接頭微觀組織和疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)焊接接頭殘余應(yīng)力分布規(guī)律的研究，得出熔合區(qū)為典型的蜂窩樹枝狀結(jié)構(gòu)，殘余應(yīng)力分析表明焊縫內(nèi)部區(qū)域受最大拉應(yīng)力，因此其疲勞裂紋擴(kuò)展速度最快，焊縫中間區(qū)域受最大壓應(yīng)力。

近年來新興起的超窄間隙焊接(ultra-narrow gap welding，UNGW)技術(shù)，采用I形坡口對接焊，與常規(guī)窄間隙焊接相比，所用間隙寬度更小，一般都在6 mm以下，且為單道多層焊，具有比常規(guī)NGW技術(shù)更小的焊接變形和殘余應(yīng)力，以及更加優(yōu)良的焊接接頭性能和更高的焊接效率，這對于改善奧氏體不銹鋼厚壁工件接頭的耐蝕性和力學(xué)性能具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

蘭州交通大學(xué)[11]采用UNGW 對1Cr18Ni9Ti不銹鋼進(jìn)行了焊接，采用I形坡口，坡口間隙為5.5 mm。與常規(guī)弧焊方法相比，UNGW方法的熱輸入很低，可得到晶粒更加細(xì)小且奧氏體基體上分布板條狀鐵素體的焊縫組織，故1Cr18Ni9Ti不銹鋼UNGW接頭具有接近于母材的力學(xué)性能。此外由于低的熱輸入，還顯著減小了接頭HAZ處于敏化加熱的時(shí)間，加快了熔池凝固速度，從而有效抑制了晶界處鉻的碳化物析出。同時(shí)敏化加熱時(shí)，晶粒內(nèi)奧氏體與鐵素體兩相界面處Cr易實(shí)現(xiàn)均勻化，可減少奧氏體晶粒內(nèi)形成貧Cr層。因此Cr18Ni9Ti不銹鋼UNGW接頭耐蝕性能優(yōu)于母材。

2.4 電子束焊接

電子束焊接是在真空環(huán)境下焊接表面受到高速電子束的轟擊，瞬時(shí)熔化、凝固形成焊接接頭的焊接方法。采用該方法焊接時(shí)，具有深穿透特性，焊縫熱影響區(qū)小，焊接接頭的應(yīng)力應(yīng)變小，焊接質(zhì)量高，是一種適合于厚板奧氏體不銹鋼焊接的高效率焊接方法。

上海工程技術(shù)大學(xué)[12]采用電子束焊接技術(shù)對50 mm厚的304不銹鋼板進(jìn)行了焊接，得出焊接接頭沿厚度方向存在顯微組織和力學(xué)性能不均勻性，對焊接接頭不同區(qū)域位置沿焊縫厚度方向上的沖擊韌性和斷裂韌性測試發(fā)現(xiàn)，焊縫的整體沖擊韌性大于母材，沿著焊縫厚度方向，焊縫的沖擊吸收能量呈下降趨勢。焊縫區(qū)的斷裂韌性值高于熱影響區(qū)和母材區(qū)。沿焊縫厚度方向，焊縫區(qū)斷裂韌性變化不大，而沖擊韌性是沿著焊縫厚度方向減小。

Madgusudan[13]利用電子束焊接技術(shù)研究了AISI304奧氏體不銹鋼焊接接頭的微觀組織和力學(xué)性能，得到焊縫邊緣為柱狀晶組織，焊縫中心區(qū)域?yàn)榧?xì)小的等軸晶組織，且由于焊縫中心晶粒細(xì)化的作用，焊縫中心的硬度比母材的硬度高。

白彬等人[14]采用電子束焊接技術(shù)對316L奧氏體不銹鋼進(jìn)行了焊接，并對其焊縫抗氫脆性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)高溫氣相充氫會導(dǎo)致電子束焊接接頭抗氫脆性能明顯下降。這是由于焊縫充氫后內(nèi)部發(fā)生偏析，大量的碳化物在奧氏體晶界處析出，導(dǎo)致晶界處Ni含量降低，而Cr和Mo含量增加，焊縫塑形降低。

耿永亮等人[15]采用電子束焊接技術(shù)對30 mm厚0Cr18Ni10Ti奧氏體不銹鋼進(jìn)行焊接，在合適的工藝參數(shù)下得到焊接變形小、無內(nèi)部缺陷、成形良好的接頭。焊縫區(qū)組織為奧氏體和呈骨架鐵素體，接頭的硬度分布均勻，無明顯弱化區(qū)域，焊縫的韌性與母材相比顯著提高。

高福洋等人[16]針對16 mm厚奧氏體不銹鋼開展了電子束焊接研究，結(jié)果表明，采用電子束熔透焊接和散焦蓋面工藝，可以獲得性能優(yōu)異的焊接接頭。

2.5 激光焊

激光焊所采用的焊接能源為聚集的激光束，因此能量密度高，焊接效率高，焊后應(yīng)力應(yīng)變小，具有較高的焊接質(zhì)量，但由于受激光功率的限制，激光焊的焊接深度一般在10 mm以內(nèi)[17]，因此對于大厚度的奧氏體不銹鋼焊接通常采用高功率光纖激光器和激光-電弧復(fù)合焊接方法。

北京工業(yè)大學(xué)的張國偉等人[18]利用IPG公司YLS-6000光纖激光器及5 mm超窄間隙焊接了60 mm厚304不銹鋼板，共焊接20層，焊縫寬度為3.8 mm左右，上下寬度基本一致。焊接接頭成形良好，無氣孔及側(cè)壁未熔合等缺陷出現(xiàn)。通過焊縫的微觀組織分析得出，熱影響區(qū)晶粒并無明顯長大，焊縫組織為柱狀?yuàn)W氏體與鐵素體。硬度測試結(jié)果為熱影響區(qū)硬度最高，焊縫與母材硬度相差不大。

龔宏偉等人[19]采用大功率光纖激光器對16 mm厚的304不銹鋼進(jìn)行了焊接，重點(diǎn)研究焊縫成形情況，所采用的激光功率為5～7 kW，焊接速度為10～100 mm/s，采用全覆蓋參數(shù)試驗(yàn)，結(jié)果得出，當(dāng)焊接速度為50～90 mm/s時(shí)，小孔和熔池均比較穩(wěn)定，熔池金屬無外溢情況發(fā)生。但當(dāng)焊接參數(shù)超出上述范圍時(shí)，小孔和熔池不穩(wěn)定，焊縫成形存在缺陷，如咬邊、焊縫隆起等，熔深也發(fā)生明顯變化。

Kawahito等人[20]采用10 kW光纖激光束對厚度為20 mm的 304奧氏體不銹鋼進(jìn)行焊接，當(dāng)焊接速度為5 mm/s時(shí)，焊接熔深較大為18 mm，但是會有較多缺陷產(chǎn)生，如氣孔、駝峰、未填滿等。當(dāng)焊接速度為50 mm/s時(shí)，熔深減小為12 mm，在光斑中心處有氣孔產(chǎn)生。

T.Jokinen等人[21]采用兩種激光焊接技術(shù)對厚度為20 mm的304L不銹鋼板進(jìn)行了焊接研究，兩種焊接技術(shù)分別為3 kW Nd:YAG激光窄間隙多層焊和激光-熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)復(fù)合焊，并對兩種激光焊接技術(shù)在熱核聚變試驗(yàn)堆真空反應(yīng)器制造中應(yīng)用的可行性進(jìn)行評價(jià)。

吳世凱等人[22]采用三種不同的激光焊接工藝實(shí)現(xiàn)了厚度為10 mm以上的不銹鋼板的對接焊，采用的激光器為3.5 kW Slab及20 kW快軸流CO2激光器，三種焊接工藝分別為：萬瓦級激光自熔焊、窄間隙激光填絲焊及激光-鎢極氬弧(TIG)填絲復(fù)合焊。通過對焊后接頭的微觀組織及力學(xué)性能研究得出，焊后焊縫成形良好，無裂紋、氣孔等缺陷生成，焊縫熱影響區(qū)較窄，組織細(xì)小，具有良好的力學(xué)性能。

3 存在的問題及發(fā)展展望

(1)奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱性差，焊接時(shí)接頭中會產(chǎn)生很大的應(yīng)力，導(dǎo)致極易產(chǎn)生變形，尤其是大厚板的焊接，因此焊接時(shí)選擇合適焊接方法和焊接工藝的同時(shí)，合適的坡口形式可以有效防止其焊接變形，如X形或雙U形坡口的雙面交替焊接。

(2)窄間隙焊接是提高厚板奧氏體不銹鋼焊接效率和焊接質(zhì)量的有效方法，但窄間隙焊接時(shí)易存在側(cè)壁熔合不良的問題，如果采用旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙焊接或磁控窄間隙焊接技術(shù)，則可以有效解決側(cè)壁熔合問題。

(3)目前針對奧氏體不銹鋼焊接方法和焊接工藝的研究較多，但對其焊接材料的研究相對較少。通過調(diào)整焊接材料成分，可以有效調(diào)整焊縫組織和焊縫金屬合金元素成分，從而減少熱裂紋敏感性。因此，對奧氏體不銹鋼焊接材料的研究也具有重要意義。

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2017-03-03

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305245,51505267)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2014EEP016)；山東省科學(xué)院青年基金項(xiàng)目(2013QN043)；青島市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(15-9-1-53-jch,17-1-1-9-jch)；青島市市南區(qū)科技發(fā)展資金項(xiàng)目(2015-6-029-ZH)。

TG422

李海新，1982年出生，博士，助理研究員。主要從事不銹鋼焊接，水下濕法焊接工藝及焊材研制，異種材料的連接研究工作，已發(fā)表論文10余篇。