耐熱型不銹鋼S31008中厚板的埋弧焊

趙敏

摘要：本文從工程應用的角度，論述了耐熱型不銹鋼S31008?的焊接性，通過選用匹配的焊材、制定合理的工藝參數和技術措施，進行一系列的焊接試驗和實踐。證明了S31008采用埋弧焊焊接的可行性并總結了焊接技術要點。

關鍵詞：S31008不銹鋼;埋弧焊;焊材;坡口形式;線能量

引言

S31008（310S）為奧氏體不銹鋼中的耐熱型不銹鋼，材料標準GB24511-2009《承壓設備用不銹鋼鋼板及鋼帶》，ASME標準SA?240?合金號UNS?S31008，此種材料具有很好的抗氧化性、耐腐蝕性，因為較高百分比的鉻和鎳，使得擁有好得多的蠕變強度，在高溫下能持續作業，具有良好的耐高溫性。因鎳（Ni）、鉻（Cr）含量高，具有良好的耐氧化、耐腐蝕、耐酸堿、耐高溫性能，用途較為廣泛，最高使用溫度可以達到1200℃，連續使用溫度可以達到1150℃。廣泛應用于制造鍋爐、汽輪機、工業爐以及航空、石化等工業部門。

對于S31008不銹鋼的焊接已有一些成熟的經驗，一般主要采用鎢極氬弧焊、手工電弧焊等焊接方法。埋弧焊作為一種高效率、低成本的焊接方法，由于其線能量偏大，用于焊接導熱性差、敏化溫度范圍寬、晶粒易長大的奧氏體不銹

鋼時，對焊縫組織和力學性能都有極為不利的影響。我公司承接一批錐形封頭，材質S31008，厚度為δ30mm。件數較多、焊接工作量較大，工期還比較緊張。為此我公司對于S31008中厚板的埋弧焊接進行了一系列的焊接工藝試驗，通過制定合理的焊接工藝規程和工藝紀律，取得滿意的效果，并成功應用于本公司S31008中厚板錐形封頭對接焊縫的焊接。在保證產品質量的前提下不僅提高了生產效率、節約成本，而且提高了產品焊縫外觀質量。本文從工程應用的角度，介紹了這種材料的焊接性能特點及其使用埋弧焊進行焊接時一些關鍵的焊接技術。

1.材料的焊接性能分析

1.1?材料化學成分分析

S31008（?310S）不銹鋼主要的合金元素：C：0.045%??Si：1.0%????Mn：2.0%?????P：0.028%?????S：0.005%????Cr：25.03%???Ni：20.29%??Mo：0.04%

1.2?31008鋼焊接性

按照公式1、2分別計算出S31008的Creq、Nieq

Creq?=?Cr?+Mo?+1.5Si+0.5Nb（%）?=?26.57%???????????????????（式1）

Nieq=Ni+30C+0.5Mn（%）?=?22.64%??????????????????????????（式2）

Creq/Nieq?≈?1.17

通過計算得出S31008的Creq/Nieq為1.17。當Creq/Nieq?=?1.5～2.0時，熱裂紋傾向最小，此值1.17不符合，所以S31008焊接時比其它材質不銹鋼更容易出現熱裂紋。包括：結晶裂紋、液化裂紋和脆性裂紋。結晶裂紋常出現在焊縫中間及焊縫收弧處，后兩種裂紋主要出現在熱影響區（HAZ）的過熱區，而液化裂紋也可能發生在多層多道焊縫中的焊層間和焊道間的熱影響區中。另外，不銹鋼的焊接關鍵除了保證力學性能外，不得破壞其耐腐蝕的性能。?焊接時必須選用匹配的焊材，制定出合理詳細的工藝規程和嚴格的工藝紀律，并在焊接中嚴格執行，才能保證焊接質量。

2.焊接技術試驗

2.1焊接材料的選擇

焊接材料要選用熔敷金屬的化學成分與母材的化學成分相匹配的焊材。我公司選用焊材：焊條?A402（打底）;?焊絲?H12Cr26Ni21Si（ER310）;焊劑?SJ601

焊絲主要的合金元素：C：0.067%????Si：0.44%?????Mn：2.01%

P：0.013%?????S：0.004%????Cr：26.49%???Ni：20.62%??Mo：0.05%

按照上述公式1、2分別計算出焊絲H12Cr26Ni21Si的Creq、Nieq

Creq?=?Cr?+Mo?+1.5Si+0.5Nb（%）?=?27.2%

Nieq=Ni+30C+0.5Mn（%）?=?23.68%

Creq/Nieq?≈?1.15

通過對比鉻、鎳當量可看出，母材與焊材的Creq、Nieq十分相近，可以排除熔合比對焊縫金屬成份的影響。

焊劑SJ601?是焊接不銹鋼用的堿性燒結焊劑，?與HJ260?焊劑相比，?其熔敷金屬具有不增Si，?不增C，?Cr?及Ni?元素燒損少的特點。此外，?SJ601?焊劑的焊接工藝性能優良，?脫渣容易，?焊縫成形美觀。因此，?選用SJ601?焊劑與H12Cr26Ni21Si?焊絲相匹配可以更好的滿足焊接要求。

2.2焊接工藝參數的選擇

2.2.1坡口形式及尺寸

選擇合理的坡口形式，以控制焊縫組織的合理性。對于用中厚板制造的容器，?常用的坡口形式一般是Y形坡口和雙V形坡口，我們設計為不對稱的雙?V?形坡口。（如圖1所示）

圖1

這種坡口形式有以下幾個優點：?①對焊透有一定的保證;?②坡口加工容易;③焊后變形較小;?④可以節約焊接材料，?提高勞動生產率。

2.2.2工藝參數的確定

通過鉻當量和鎳當量的計算比對得出，S31008不銹鋼焊接時的熱裂紋傾向較大，?應選用小功率的焊接工藝參數和較快的焊接速度，?以避免過熱，?提高其抗裂性。我公司共采用了三種工藝參數分別進行焊接，產生裂紋的情況如表3所示

表3???焊接工藝參數

試板

編號

焊接方法

焊絲直徑

（mm）

電流

（A）

電壓

（V）

焊速（cm/min）

層、道

間溫度（℃）

焊縫裂紋情況

HP01

SMAW定位

SAW焊接

Φ4.0

550～600

36～38

55～60

≤150

焊縫中間產生大量縱向裂紋，裂紋貫穿整個焊道長度，打磨后不易去除

HP02

SMAW定位

SAW焊接

Φ4.0

520～550

32～36

65～70

≤100

焊縫中間產生縱向裂紋，主要集中于收弧部位裂紋較長，打磨深度較深后可去除

HP03

SMAW打底

SAW焊接

Φ4.0

450～500

30～34

70～80

≤100

僅打底焊時收弧部位有細微裂紋，稍加打磨后即可去除

試驗表明，在焊接參數的諸多因素中，焊接速度及焊接電流對裂紋的產生傾向有明顯的影響。焊接電流、焊接電壓、焊接速度三者的關系可用線能量（Q）來表示，

Q=?UI/υ

Q?—?焊接線能量?J/cm

U?—?電弧電壓?v

I??—?電弧電流?A

υ?—??焊接速度?cm/s

焊接線能量越小，焊縫的熱裂傾向就越小，裂紋率越低。而焊接線能量越大，熱裂傾向越大，裂紋率越高。

2.3試樣檢驗結果

試板焊接完畢后，目測外觀無缺陷，無損檢測及力學性能試驗結果如表4所示

表4??無損檢測及力學性能試驗

試板編號

外觀

無損檢測

σb（MPa）

σs（MPa）

冷彎（180°）

HP03

合格

100%RT?Ⅰ級

604

364

合格

焊縫金屬化學成份：C：0.072%????Si：0.89%?????Mn：1.98%

P：0.017%?????S：0.006%????Cr：26.35%???Ni：20.83%??Mo：0.05%

晶間腐蝕試驗：按GB4334.5-2008《不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法》進行晶間腐蝕試驗，彎曲后在10倍放大鏡下觀察外表面，未因晶間腐蝕而產生裂紋。

3.工程焊接實施

根據焊接試驗總結，S31008在應用到產品埋弧焊接操作過程中應注意以下幾點：

3.1由于S31008不銹鋼的線膨脹系數大，?冷卻時焊縫收縮應力大，所以焊接坡口角度不宜過大，推薦按照焊接試驗的坡口型式制備對接坡口。

3.2采用埋弧焊前，宜采用手工電弧焊進行打底焊（1～2）遍，手工電弧打底焊時若發現收弧處有微裂紋，應在正式埋弧焊接前全部清除干凈。埋弧焊時采用多層多道焊（包括蓋面）。

3.3嚴格按照焊接工藝制定的工藝參數范圍進行焊接，采用小電流，快速焊，控制線能量的輸入。控制層、道間溫度不得大于100℃。

3.4焊縫背面清根時，不推薦使用碳弧氣刨，若采用時應嚴格地控制焊接線能量參數并徹底清除表面滲碳層。

3.5建議焊接接頭焊后進行水冷，焊后立即水冷，能使焊接接頭迅速地避開敏化區危險溫度范圍（450～850℃），有效地抑制碳化物和有害相的析出，細化晶粒，提高塑性。

3.6現場焊接過程中材料的保護很重要，應避免碳鋼、銅、低熔點金屬或其他雜質對不銹鋼的污染，嚴禁在材料表面起弧。在非焊接部位應涂耐熱涂料加以保護，以防止焊接和切割過程中的飛濺、弧擊、滲碳、局部過熱等。

采用以上方法我公司共焊接錐形封頭對接焊縫總長約85米，按照JB/T4730.2-2005?進行無損檢測100%RT?Ⅱ級合格，共拍片315張，返修6張，一次探傷合格率達98%以上。

4.結語

通過我公司焊接試驗和實際生產實踐證明，耐熱型不銹鋼S31008完全可以采用埋弧焊進行焊接。關鍵是要根據材料的焊接性和施焊環境選用相匹配的焊材，采用合理的工藝參數，采取相應的技術措施。埋弧焊的采用不僅提高了生產效率，減少了返修工作量，提高了制造施工進度、節約了生產成本，還提高了產品的內在和外觀質量，得到了用戶的好評。

參考文獻：

[1]中國機械工程學會焊接學會編《焊接手冊》第2卷—3版.機械工業出版社，2007.10.

[2]（美）利波爾德（Lippold，J.C.）?等?陳劍虹譯《不銹鋼焊接冶金學及焊接性》?機械工業出版社

[3]劉賢成.厚板不銹鋼壓力容器的埋弧焊工藝.焊接研究與生產.

[4]李亞江.《焊接材料的選用》化學工業出版社，2004.2.

[5]GB/T?4334—2008.金屬和合金的腐蝕——不銹鋼晶間腐蝕試驗方法.中國標準出版社.