粟世富 惠銘鈺

（1.無(wú)錫漢英機(jī)器制造有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000；2.無(wú)錫順華工程設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000）

鋼號(hào)EN10088-2 X5CrNi18-10 奧氏體不銹鋼為歐標(biāo)《通用耐腐蝕鋼的薄鋼板∕鋼板和帶鋼的技術(shù)交貨條件》中的鋼號(hào)，相當(dāng)于我國(guó)S30408 鋼號(hào)，該鋼號(hào)具有良好的耐腐蝕性能、冷加工性能、焊接工藝性能，高的持久強(qiáng)度，良好的耐腐蝕性能和組織穩(wěn)定性，冷變形能力非常高，在國(guó)際上廣泛使用，其中編號(hào)X-至少一種合金元素平均含量≥5%，5-為含碳量小于0.5%，CrNi18-10 表示CrNi 含量為18%和10%。X5CrNi18-10 主要用于各種對(duì)碳鋼和低合金鋼有腐蝕的容器，良好純度的容器及食品加工儲(chǔ)存類容器，在壓力容器制造行業(yè)站主要地位。

1 奧氏體不銹鋼的焊接特點(diǎn)

1.1 晶間腐蝕產(chǎn)生的機(jī)理簡(jiǎn)述

晶間腐蝕是局部腐蝕的一種，表征為晶粒邊界附近發(fā)生有選擇性的腐蝕現(xiàn)象。起先從金屬表面出現(xiàn)，后沿金屬晶粒間的分界面向金屬內(nèi)部擴(kuò)展緩慢腐蝕的過(guò)程。使晶粒間的結(jié)合能力降低，隨后沿著晶界脫離開(kāi)來(lái)，大大降低金屬的機(jī)械強(qiáng)度，鋼質(zhì)變脆不能經(jīng)受敲擊，這種在晶粒之間產(chǎn)生的腐蝕現(xiàn)象，當(dāng)受到拉應(yīng)力作用時(shí)就會(huì)沿晶界斷裂開(kāi)來(lái)，是奧氏體不銹鋼中最危險(xiǎn)的一種破壞形式，其破壞區(qū)域分別作用在焊接接頭的熱影響區(qū)，焊縫區(qū)和過(guò)熱區(qū)的“刀蝕”。晶間腐蝕多與晶界層的“貧鉻”現(xiàn)象有關(guān)系。

奧氏體不銹鋼具有耐腐蝕的必要條件是Cr 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須大于12%，當(dāng)室溫時(shí)碳在奧氏體中的溶解度很小，約為0.02～0.03%，而一般奧氏體不銹鋼中的碳含量都大于此值，奧氏體鋼處于450～650℃時(shí)，金屬晶粒內(nèi)部過(guò)飽和固溶的碳原子會(huì)逐步向邊界擴(kuò)散，并與Cr 結(jié)合在晶間形成碳化鉻，并沿晶界沉淀析出，結(jié)果就使晶界附近的含Cr 量大為減少，又由于鉻原子擴(kuò)散速率比碳小得多來(lái)不及補(bǔ)充消耗的鉻，當(dāng)晶粒邊界的Cr的含量低于極限值Wcr＜12%時(shí)，就形成所謂的“貧鉻區(qū)”，該過(guò)程稱為“敏化現(xiàn)象”；在腐蝕介質(zhì)的作用下貧鉻區(qū)就會(huì)不再抗大氣耐腐蝕的能力，從而就產(chǎn)生了不銹鋼晶間腐蝕。但是奧氏體不銹鋼不是任何時(shí)候都產(chǎn)生晶間腐蝕，它與鋼的加熱溫度和加熱時(shí)間有關(guān)，晶界貧鉻的金屬在650～850℃再次加熱稱為穩(wěn)定化處理，由于加熱過(guò)程促使Cr原子的均勻擴(kuò)散，于是貧鉻層消失了；而加熱溫度繼續(xù)升高，溫度超過(guò)850℃時(shí)，晶粒內(nèi)的鉻擴(kuò)散能力提高很多，使晶格中有足夠的鉻擴(kuò)散到晶界中，與碳原子結(jié)合成面心結(jié)構(gòu)組織，兩者在晶界內(nèi)都不會(huì)形成貧鉻區(qū)，晶間腐蝕發(fā)生條件無(wú)法形成腐蝕停止。因此說(shuō)450～850℃為產(chǎn)生晶間腐蝕的危險(xiǎn)溫度，晶間腐蝕的“危險(xiǎn)溫度區(qū)”或稱“敏化溫度區(qū)”就是上面描述的區(qū)間范圍，其中在650℃時(shí)是交變溫度點(diǎn)，兩種情況相互疊加最為危險(xiǎn)。

焊接時(shí)，處焊接溫度場(chǎng)區(qū)450～850℃之間的焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)為危險(xiǎn)的溫度區(qū)地帶，非常容易發(fā)生晶間腐蝕，這也是焊接接頭熱影響區(qū)腐蝕嚴(yán)重的主要原因，如果，焊接過(guò)程中在危險(xiǎn)溫度停留時(shí)間過(guò)程，既焊接速度過(guò)慢，則熱影響區(qū)變寬，容易出現(xiàn)更多的敏化區(qū)間。反之，如焊接接頭短暫停留在危險(xiǎn)溫度區(qū)，產(chǎn)生的敏化區(qū)域就越少，接頭抗晶間腐蝕的能力就能大大提高。所以?shī)W氏體不銹鋼在焊接時(shí)快速冷卻是提高接頭耐腐蝕能力的有效措施。工藝措施為快速小電流多道焊接，焊后或焊接過(guò)程中焊縫邊上澆水冷卻。由于奧氏體不銹鋼在冷卻過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生馬氏體相變而產(chǎn)生淬硬組織，所以快速冷卻不會(huì)產(chǎn)生使接頭產(chǎn)生淬硬的馬氏體組織而使焊縫變脆現(xiàn)象。

1.2 熱裂紋產(chǎn)生的原因

熱裂紋是指在高溫下結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生的，而且都是沿晶開(kāi)裂，所以也稱結(jié)晶裂紋。產(chǎn)生于焊縫金屬凝固過(guò)程后期的脆性溫度區(qū)間，此時(shí)焊縫金屬結(jié)晶完成，由于還存在著很薄的液相層在晶粒間，液體金屬塑性很低。冷卻不均勻時(shí)產(chǎn)生比較大的溫差應(yīng)力，在凝固收縮過(guò)程中而產(chǎn)生的拉伸變形超過(guò)臨界值時(shí)，就會(huì)在晶間界沿著晶液與晶相層產(chǎn)生開(kāi)裂。而奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱性能差，線膨脹系數(shù)大，約是低碳鋼的2倍，其電阻率是低碳鋼的4倍；焊接局部加熱、冷卻使焊縫在結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生較大的拉伸應(yīng)力，超過(guò)臨界值后就導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生；另外奧氏體不銹鋼中的Ni與P、S等雜質(zhì)在熔池中易形成低熔共晶，這樣容易出現(xiàn)雜質(zhì)的偏析現(xiàn)象，故含Ni量越高，不銹鋼中熱裂紋傾向就越大，如25-20 型奧氏體不銹鋼；還有奧氏體不銹鋼的液相線與固相線的距離較大，結(jié)晶時(shí)間較長(zhǎng)，且?jiàn)W氏體結(jié)晶的枝晶方向性強(qiáng)，凝固時(shí)柱狀晶粗大使雜質(zhì)偏析現(xiàn)象嚴(yán)重。以上均是產(chǎn)生焊縫熱裂紋、層間裂紋和弧坑裂紋（火口裂紋）的原因。

表1 TP304母材與焊材成分對(duì)照表

表2

防止產(chǎn)生熱裂紋的方法：采用優(yōu)質(zhì)、含雜質(zhì)量少或含有Ti和Nb添加劑的不銹鋼材、焊材，因?yàn)門(mén)i和Nb與C的結(jié)合力比Cr更強(qiáng)，冷卻過(guò)程中先結(jié)晶從而打亂柱狀晶的生長(zhǎng)，使焊縫金屬能獲得良好的雙相體組織即：奧氏體+鐵素體。實(shí)踐證明，從舍弗勒組織圖分析當(dāng)焊縫組織中的鐵素體含量在2%～3%時(shí)，就能足以防止焊縫熱裂紋產(chǎn)生；限制焊縫中雜質(zhì)含量也是一種方法，即控制焊材中的碳、硫、磷等含量進(jìn)入焊縫，能減少Ni 元素與它們結(jié)合而產(chǎn)生偏析，適當(dāng)加入錳能提高氮的溶解度也能大大減少熱裂紋的產(chǎn)生。合理的工藝措施如短弧焊接，低線能量快速多道焊，窄焊道焊接等。

2 板材X5CrNi18-10焊接性

X5CrNi18-10是一種通用性的不銹鋼，它優(yōu)秀的耐腐蝕性，耐熱性能，耐點(diǎn)蝕性能良好，低溫強(qiáng)度和機(jī)械特性，在壓力容器行業(yè)被廣泛應(yīng)用?？傮w來(lái)講，X5CrNi18-10 奧氏體不銹鋼具有較好的可焊性，但由于其具有低的熱導(dǎo)率、高電阻率、高線膨脹系數(shù)，焊接時(shí)容易產(chǎn)生拉應(yīng)力，另外奧氏體焊縫產(chǎn)生方向性很強(qiáng)的柱狀晶，促使有害雜質(zhì)的偏析。因此焊接時(shí)對(duì)熱裂紋較敏感，容易產(chǎn)生弧坑裂紋、液化裂紋；在450～850℃長(zhǎng)時(shí)間停留時(shí)，會(huì)在焊縫、過(guò)熱區(qū)，熱影響區(qū)產(chǎn)生晶間腐蝕；焊縫在650～850℃停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，有可能析出脆硬的金屬間化合物，降低塑性韌性。

3 工藝的制定、試驗(yàn)結(jié)果分析

模擬壓力容器DN500X5 H=800的空氣儲(chǔ)罐，縱環(huán)縫采用氬弧焊打底正接法，焊條電弧焊蓋面反接法，焊接時(shí)焊工蹲在工作臺(tái)上以平焊位置施焊。環(huán)縫是采用滾輪架翻轉(zhuǎn)使保持平焊位置。

a.焊接方法：GTAW+SMAW

b.焊接電源：ZX7-400B（時(shí)代）；。

c.坡口制備：V型坡口32±5°；鈍邊0.5-1.0mm；坡口兩側(cè)內(nèi)、外壁各8mm 處用鋼絲刷打磨出金屬光澤、清除氧化皮除銹，如有油污顏色筆跡等用丙酮或酒精清洗露出光澤。

e.焊接材料選擇：根據(jù)板材的化學(xué)成分和厚度（6mm）及成本因素選用ISO3581-A E19-9-2-R-34、φ3.2mm 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)焊條，焊絲選用ISO 14343-A W19-9-L-3。也可選用國(guó)產(chǎn)A132焊條，但該焊條工藝性能差、外觀成型較難控制。亦可選用進(jìn)口瑞典焊條：E308-17、英國(guó)焊絲：ER308H，但成本高。管材及焊材主要化學(xué)成分含量：見(jiàn)表1。

d.焊接工藝要點(diǎn)：

d.1 由于奧氏體不銹鋼高的電阻率，施焊時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的電阻熱，因此焊接電流需比碳鋼材料小10%～20%，即輸入熱量減少。

d.2 采用小規(guī)模、快焊速、不做或少做橫向擺動(dòng)，盡可能直進(jìn)焊接，如焊道寬度過(guò)大需擺動(dòng)焊接時(shí)，焊條擺幅不得超過(guò)焊條直徑的3倍以上。

d.3 焊工運(yùn)條應(yīng)熟練、手要穩(wěn)，不得在母材上引弧，防止電纜線、地線與工件打弧，如工件產(chǎn)生燒損應(yīng)采取打磨并檢驗(yàn)或補(bǔ)焊。

d.4 點(diǎn)焊：氬弧焊點(diǎn)固3 點(diǎn)每焊點(diǎn)10mm 以上、間隔100mm左右，點(diǎn)固焊前表面充氬保護(hù)1分鐘以上，充氬流量4～6L／min。后按下面工藝參數(shù)見(jiàn)表2進(jìn)行施焊。

d.5 焊接時(shí)層、道間接頭盡量錯(cuò)開(kāi)，微擺動(dòng)焊接，氬弧焊打底應(yīng)一氣呵成，控制層間溫度應(yīng)小于150℃、電焊蓋面時(shí)采用短弧快速焊、微擺動(dòng)焊，收弧時(shí)需回補(bǔ)弧坑，換焊條時(shí)也需要填好弧坑。

d.6熱處理：X5CrNi18-10不銹鋼焊接完成后一般不進(jìn)行后熱和消應(yīng)力熱處理，但當(dāng)溫差較大或者拘束過(guò)大而產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力是，可采用低于下轉(zhuǎn)變溫度（低于300～350℃）延長(zhǎng)保溫時(shí)間來(lái)進(jìn)行消除應(yīng)力或采用高溫（850～900℃）做固溶化處理。

4 結(jié)語(yǔ)

采用上述工藝可以得到性能良好的X5CrNi18-10 焊接接頭。目視檢查合格后進(jìn)行100%射線檢測(cè)，技術(shù)等級(jí)AB 級(jí)，結(jié)果為NB∕T47013.2-2015 Ⅱ級(jí)合格。試驗(yàn)表明上述工藝合格，滿足企業(yè)生產(chǎn)需要，為合格的焊接工藝。