珠光體與奧氏體異種鋼的焊接特性研究

劉天佐 張國棟 孟祥澤

摘 要：針對電站鍋爐部件珠光體與奧氏體異種鋼焊接問題，從焊縫過渡層和熔合區擴散層的形成機理、焊接接頭的應力狀態等方面進行了全面的分析與探討，研究了焊接材料的選用、焊接參數的確定、焊接方法的選擇原則，并應用舍夫勒組織圖，分析過渡層的焊縫組織，提出了焊接材料材料選擇、焊接工藝參數制定以及焊后熱處理措施。最后，通過實際案例，詳細介紹了珠光體與奧氏體異種鋼焊接過程以及服役過程中出現的問題。

關鍵詞：珠光體與奧氏體異種鋼;焊接特性;鎳基焊材;焊接方法

中圖分類號：TG147 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）07-0102-03

0 前言

在電站鍋爐部件中，由于各部位的受熱溫度不同，經常遇到珠光體鋼和奧氏體鋼的焊接問題，異種鋼焊接較同種鋼焊接要復雜的多，因此它對部件的使用安全性影響也比較突出。雖然對異種鋼焊接接頭早期破壞的原因和處理進行了大量的研究，然而就異種鋼焊接整體來說還有待于進一步深入研究。

1 珠光體與奧氏體異種鋼焊接性分析

1.1 焊縫過渡層和熔合區擴散層的形成機理[1-2]

珠光體與奧氏體異種鋼焊接屬于典型的異種鋼焊接，其焊縫主要是由兩種不同類型的母材以及焊接材料熔化形成的。由于珠光體母材相比奧氏體母材來說，其成分中含有較少的合金元素，且合金元素的含量較低，因此，其對整個焊縫的合金成分具有明顯的稀釋作用，從而導致使形成的焊縫中的奧氏體形成元素含量明顯不足，焊縫極易產生淬硬的馬氏體組織，使得焊接過程中容易導致焊縫存在裂紋，降低了焊縫的服役性能。

在焊縫熱循環的作用下，珠光體鋼和奧氏體鋼由于焊縫稀釋作用，導致焊縫兩側的熔化的金屬和焊接材料的混合程度存在較大的差別。在焊縫近母材一側，由于母材的冷卻作用，導致熔化金屬的溫度降低較快，從而使熔化的母材和焊接材料不能充分混合均勻，導致焊縫近母材一側處母材成份占比較大，該部分與焊縫的成分存在較大差別，即所謂的焊縫過渡層。由于過渡層珠光體鋼占有較大的比例，過渡層中Cr、Ni含量不足，結果可能形成高硬度的馬氏體脆性層，使得接頭在焊接過程中以及服役期間極易導致熔合區發生脆性破壞，降低焊接接頭的使用性能。其中，對焊縫中的馬氏體脆性層的寬度影響最大的是Ni含量，隨著Ni含量的增加，馬氏體脆性a層寬度將減少。因此，為減少脆性層，可選Ni含量高的填充材料。

珠光體與奧氏體鋼異種鋼焊接時，通常焊縫金屬也應該為奧氏體組織，而珠光體鋼的含碳量較奧氏體焊縫的高，碳化物形成元素較少，而奧氏體鋼則正好相反。因此，在焊接熱循環的作用下，焊縫兩側的擴散層將會呈現不一樣的特點，即珠光體鋼焊縫一側為脫碳軟化層，奧氏體鋼焊縫一側則是典型的高硬度的黑色增碳硬化層。

從目前研究結果來看，影響擴散層形成的因素主要有以下幾點：

（1）焊縫的熱處理工藝。從目前研究結果來看，焊接過程的線能量大小對擴散層的形成沒有明顯影響，即使采用較大的線能量，焊縫也不一定會出現明顯的擴散層。但是，焊后的熱處理工藝對擴散層的形成有著明顯的影響。當焊縫在加熱到一定溫度并保溫一段時間后，擴散層開始形成并發展。隨著加熱溫度升高，擴散層逐漸變寬，在800℃時寬度達到最大值，同時，隨著加熱時間的增加，擴散層的寬度也增加。因此，珠光體鋼與奧氏體鋼焊接接頭一般不建議進行焊后熱處理。（2）化學成分對擴散層的影響。研究表明，影響擴散層形成的化成成分主要有碳化物的形成元素、碳元素的含量以及Ni元素等。如果焊縫中的合金元素和碳的親和力越大，數量越多，則焊縫中珠光體母材一側的擴散層就越寬，但這種影響隨著碳化物形成元素達到一定含量后，如果再增加其含量的話，焊縫中的擴散層就不再加寬。此外，在珠光體母材中添加含有一定數量的Cr、Mo、V、Ti等碳化物形成元素時，反而能有效抑制焊縫中的擴散層的形成。雖然有研究表明，母材與焊縫中碳濃度差不是造成碳從珠光體鋼向焊縫遷移的主要原因，但是母材中的碳含量越高，擴散層寬度也相應的增加。另外，鎳元素可以強化鐵素體并細化珠光體，從而降低了碳化物的穩定性和結合力。因此，焊縫中提高鎳含量，能有效抑制擴散層的形成。

1.2 焊接接頭的應力狀態

珠光體與奧氏體鋼的物理性能存在較大差異，焊接過程中由于熱膨脹系數和導熱系數的較大差異性，導致焊接接頭在焊后存在較大的殘余應力，該殘余應力是焊后熱處理無法消除的。同時，焊接接頭在服役過程中承受循環溫度作用下的冷卻過程中，由于奧氏體鋼比珠光體鋼收縮變形大，而基體金屬卻束縛過渡層金屬的收縮，從而使過渡層在焊縫方向上承受較大的拉應力。如果過渡層存在淬硬的馬氏體組織，很容易產生裂紋。

2 珠光體與奧氏體異種鋼焊接特性研究

2.1 焊接材料的選用

珠光體與奧氏體異種鋼焊接時，焊縫及熔合區的組織和性能主要取決于焊接材料。為了獲得良好的焊接性和接頭的使用性能，應盡量選用接近或高于奧氏體鋼的焊接材料，另外，焊接材料的選擇必須防止焊縫中馬氏體組織的形成。尤其，對于焊接接頭服役溫度超過425℃的環境中，焊接采用應當選用鎳基焊材。為此，應根據舍夫勒組織圖（見圖1）對焊縫的成分和組織作出粗略的估算或預測，應選擇奧氏體化能力強的焊接材料材料，減少焊縫中馬氏體過渡層的寬度，盡量采用鎳基焊材材料，通過增加焊縫中Ni的含量，抑制焊縫中中碳的擴散，改變接頭的應力分布。另外，在不影響使用性能的前提下，為提高焊縫抗熱裂能力，使焊縫具有雙相組織。

2.2 焊接方法選擇及焊接參數確定

在珠光體和奧氏體異種鋼焊接時，應選用熔合比小的焊接方法，從而降低母材的稀釋作用，避免焊接裂紋的產生。表1為幾種典型的焊接方法與熔合比的關系。不同的焊接方法其熔合比的變化范圍是不一樣的。從熔合比的大小程度和變化范圍以及焊縫成分的穩定性方面來看，帶極堆焊、非熔化極氣體保護焊以及焊條電弧焊均是珠光體和奧氏體異種鋼焊接選用最多的方法。

另外，焊接電流大小對熔合比影響最大。例如埋弧焊時，熔合比隨著電流變化的幅度存在較大差異。因此，進行珠光體和奧氏體異種鋼焊接時必須對電流進行嚴格的控制。因此，選用埋弧焊進行異種鋼焊接時，由于焊接過程中的強烈的攪拌作用，如果選用恰當的電流條件下，可以得到與焊條電弧焊相同的熔合比，過渡層的寬度甚至可能更窄。

因此，在進行珠光體和奧氏體異種鋼焊接時，應選擇直徑較小的焊條或焊絲，并盡量選擇小電流、大電壓和快速焊，從而獲得較小的熔合比。

另外，在焊接厚度較大且結構較為復雜的部件時，需要在珠光體鋼一側堆焊過渡層，過渡層材料應含有較多的強碳化物形成元素，從而保證焊縫具有較小的淬硬傾向，防止焊接接頭在回火處理或使用過程中因應力過高導致熔合區出現開裂。

3 應用案例

圖2為12Cr1MoVG+TP304H材質的異種鋼接頭金相檢驗圖片。該焊接采用手工氬弧焊工藝進行焊接，使用焊材為鎳基合金焊材ERNiCrMo-3。金相檢驗結果表明，TP304H一側熔合線位置局部區域存在明顯的碳化物顆粒析出，12Cr1MoVG側熔合線處同樣存在明顯的成分偏析區域。

對上述金相檢驗的偏析區域進行顯微維氏硬度試驗，檢測結果如表2所示。結果表明，黑色偏析區域顯微維氏硬度值顯著高于兩側硬度值，甚至達到兩側區域硬度值的兩倍以上。

圖3為材質為SA-213T22+TP304H異種鋼焊接接頭在服役過程中的失效案例。爆口附近無明顯減薄或脹粗，最后瞬斷區有較明顯的宏觀塑性變形;微觀上觀察斷口源區位于外壁側，有較多的啟裂臺階（圖b），呈現出多源啟裂的特征，擴展區仍能看到清晰的疲勞條帶。可見，該斷口為外壁啟裂，向內壁擴展的多源疲勞斷口。綜合現場分析，應為為機械應力和熱應力作用下的疲勞開裂，并最終導致爆管。

參考文獻

[1] 中國機械工程學會焊接學會編.焊接手冊[M].北京：機械工業出版社，2001.

[2] 孫咸.珠光體鋼與奧氏體鋼異種鋼焊接材料的選擇與應用[J].機械制造文摘-焊接分冊，2013（04）：17-22.