06Cr13換熱鋼管與06Cr19Ni10管板焊材選擇試驗研究

張瑩瑩，紀 強，王 娜，張 嵐

（1. 遼寧石油化工大學機械工程學院，遼寧 撫順 113001； 2. 撫順化工機械設備制造有限公司，遼寧 撫順 113122）

06Cr13為鐵素體不銹鋼，使用溫度在室溫到600 ℃左右，塑性、韌性和耐蝕性介于碳素鋼與奧氏體不銹鋼之間，Ni元素含量較少可降低生產成本，焊接過程不易產生熱裂紋，抗晶間腐蝕及 cl-腐蝕能力優于奧氏體不銹鋼。如今，國內 06Cr13換熱鋼管的使用較少，換熱管的材質主要為碳素鋼、低合金鋼和奧氏體不銹鋼，對于弱腐蝕性或沒有腐蝕性的介質，換熱管的選擇一般按照使用溫度來劃分，低于400 ℃時為碳素鋼（如10），高于400 ℃時為低合金鋼（如15CrMo），碳素鋼及低合金鋼中合金元素少，耐蝕性較差，價格低廉，對于強腐蝕介質一般選用奧氏體不銹鋼，使用溫度范圍大（室溫至 700 ℃），合金元素豐富，耐蝕性強，可廣泛應用在高溫及強腐蝕介質等苛刻條件下，成本較高，但若使用奧氏體不銹鋼代替06Cr13，這樣不但對奧氏體不銹鋼造成浪費，同時還會降低換熱管在某些腐蝕介質中的耐蝕性能、減少換熱設備的使用壽命，那么，如何既能滿足換熱器使用環境的要求、保證其在服役期內安全可靠運行，又可以降低生產成本就值得我們深入的研究。因此，本試驗選取06Cr13換熱鋼管與06Cr19Ni10管板進行GTAW管頭自動焊接，使用ER316L、ER309L及ERNiCr-3三種不同的焊材，通過焊接試驗擬定合理的焊接工藝參數，分析研究06Cr13換熱鋼管與06Cr19Ni10管板平縫的焊接性，這對06Cr13換熱鋼管的推廣具有十分重要的意義[1-5]。

1 試驗材料及工藝

1.1 試驗材料

試驗采用管板焊接型式，選用的試驗材料分別為06Cr13換熱鋼管、06Cr19Ni10不銹鋼管板和ER316L、ER309L及ERNiCr-3焊絲，它們的力學性能及化學成分如表1和表2所示。

1.2 試件組對

換熱器管板平縫的接頭型式如圖1所示，先用點固焊的方法對管板與管子進行固定，焊接位置為12點和6點方位。

圖1 換熱器管板接頭型式Fig.1 The joint form of heat exchange tube

表1 材料的力學性能Table 1 Mechanical property of the material

表2 材料的化學成分Table 2 Chemical composition of the material

1.3 焊接工藝參數

選用 GTAW 管頭自動焊接，工藝參數主要包括：預熱時間、衰減時間、焊接速度、送絲速度、基值電流、峰值電流和電壓，它們都直接影響焊接材料與母材的融合及焊縫的形成，對焊接接頭的質量起重要作用(表3）。

2 檢 測

2.1 宏觀檢測

試件焊接后進行目視檢測，焊縫外觀無裂紋、咬邊、氣孔及夾渣等缺陷，焊肉飽滿，成型良好，焊后原始表面有金屬色氧化薄膜，用不銹鋼刷部分清理后可以全部去除，露出銀白色金屬光澤，符合評定要求。

2.2 滲透檢測

滲透檢測是利用毛細作用原理檢查表面開口缺陷的方法，焊后要待試件溫度降為室溫時才能進行，使用ER316L和ER309L焊絲焊后的試件經著色法滲透檢測后無任何缺陷，技術等級AB級合格，符合JB/T4730.2 -2005《承壓設備無損檢測第5部分：滲透檢測》的規定，使用 ERNiCr-3焊絲焊后的試件存在大量裂紋如圖2所示，試驗結果不合格。

圖2 管板焊后裂紋（ERNiCr-3焊絲填充）Fig.2 cracks of welding (ERNiCr-3 filled)

表3 焊接工藝參數Table 3 Welding parameters

2.3 金相檢測及熔深測量

將滲透檢測合格的試件表面清洗干凈進行解剖，試件剖面均無裂紋、氣孔及夾渣等缺陷，熔深分 別 為 2.62 mm(ER316L 焊 絲 填 充)、2.68 mm(ER309L焊絲填充)。試件剖面依次用砂紙和拋光機磨光，直至磨痕清除干凈，使之成為光滑、無痕的鏡面，打磨時盡量用力均勻以減少劃痕，后清洗要先用清水沖洗，再用酒精擦拭去除殘留的磨料、拋光劑等雜物，選取的侵蝕劑為苦味酸鹽酸酒精溶液，擦拭約1分半鐘后將試樣沖洗干凈、吹干。通過Leica顯微鏡放大200倍觀察到的顯微組織如圖3、4所示，熔合區和焊縫清晰可見，焊縫組織均勻，無微型裂紋，管板焊接情況良好。

通過數點法計算出焊縫鐵素體含量,依次為23.1%~29.47%（ER316L焊絲填充）、22.7%~29.26%（ER309L焊絲填充）

2.4 硬度檢測

以管材為起點，依次取管材、管側融合線、焊縫、板側融合線及板材處測量硬度值如圖5所示，由圖可看出從管材→焊縫→板材硬度呈現為一峰值曲線，焊縫處硬度最大，并且兩種焊絲焊縫硬度值接近，硬度檢測符合要求。

3 試驗結果分析

通過金相觀察及數點法計算鐵素體含量，可看出兩種焊絲的焊縫組織和鐵素體含量很相近，這主要由于兩種焊絲的焊接試驗都選用了平縫的接頭型式，焊縫兩層分別為自熔和填絲，其熔敷金屬的組成見圖6。

圖3 焊縫組織（ER316L焊絲填充）Fig.3 Organizations of the joint (ER316L filled)

圖4 焊縫組織（ER309L焊絲填充）Fig.4 Organizations of the joint (ER309L filled)

圖5 維氏硬度曲線Fig.5 The curve of Vickers hardness

圖6 焊縫熔敷金屬組成圖Fig.6 The composition of deposited metal

陰影區域A、B分別為熔入到焊縫中的管子與管板部分，空白C區為填充的焊絲，自熔過程使得焊縫中溶解了大量的06Cr13換熱鋼管，由于06Cr13換熱鋼管組織為鐵素體，而06Cr19Ni10不銹鋼管板和ER316L、ER309L焊絲的組織為奧氏體，所以自熔過程增大了焊縫中鐵素體含量如圖3、4所示，使焊縫成為γ（奧氏體）-δ（鐵素體）雙相組織，可以減少 S、P等有害元素在晶界上的分布，割裂晶間液態薄膜的連續性，從而有效防止結晶裂紋的產生。另一方面，由顯微組織圖可看出，兩種焊絲的焊縫組織均為等軸晶粒及樹枝晶為主[6]。

ER316L焊絲中加入了鉻、鎳、鉬、錳等合金元素，顯著提高了熔敷金屬的塑性、韌性及延展性，尤其Mo含量高達2.35%，它可以改變結晶組織的形態，細化晶粒，從而提高焊縫的抗裂性能，減小了使用過程中裂紋出現的風險[7]，而 ER309L與ERNiCr-3中 Mo含量僅為 0.11%及 0.14%，使用ER309L焊接的試件中，靠近管側熔合線的焊縫處可見部分板條狀馬氏體如圖 4，增大了冷裂紋產生的傾向，這可能是由于焊接過程中線能量過高的緣故，另外，ERNiCr-3為鎳基焊絲，72.12%的Ni含量雖然可以提高耐蝕性能并且熱膨脹系數與兩側母材較為接近，但同時也降低了熔敷金屬的流動性，焊接過程中由于線能量過高，焊縫冷卻收縮應力大，最終導致了熱裂紋的產生，因此在使用ER309L和ERNiCr-3焊接奧氏體不銹鋼與鐵素體不銹鋼時，為確保組織性能優良建議盡量降低熱輸入[2]。

根據以上分析，在平縫接頭型式下，使用ER316L焊絲的試件焊縫組織優良，抗裂性能較好，試驗所選的ER316L和ER309L焊絲及焊接工藝參數合理。

4 結 論

使用ER316L、ER309L及ERNiCr-3對06Cr13換熱鋼管與06Cr19Ni10管板進行平縫焊接，PT檢測ERNiCr-3焊后試件存在大量裂紋，試驗結果不合格，其余兩種焊絲的焊縫通過各種宏觀及微觀方法檢測后無裂紋，證明所選焊接參數合理，且ER316L平縫中為奧氏體、鐵素體雙相組織，抗裂性能好，因此，在進行06Cr13換熱鋼管與06Cr19Ni10管板平縫焊接時，推薦使用ER316L焊絲。

［1］王建樂. 0Cr13不銹鋼板材對接接頭的焊接工藝[J].電焊機，2010，40（2）：61-63.

［2］徐馳奔，葉增偉.奧氏體不銹鋼焊接特點及工藝[J].科技風，2009，(2)： 64-67.

［3］劉喜惠.壓力容器制造過程中的異種鋼焊接[J].黑龍江科技信息，2007，10(1): 5.

［4］芮福才.奧氏體不銹鋼與鐵素體鋼的焊接性能分析研究[J].黑龍江電力，2002，24（4）：270-272.

［5］郭富勇，丁雪興，李永紅，張建曉.奧氏體不銹鋼304的TIG焊接[J].現代焊接，2010（5）：19-21.

［6］劉會杰.焊接冶金與焊接性[M].北京：機械工業出版社，2008.

［7］周振豐.焊接冶金學（金屬焊接性）[M].北京：機械工業出版社，1996.