節(jié)鎳耐熱不銹鋼S30815的焊接工藝研究

王圣達(dá) 徐強(qiáng)

摘 要：S30815是一種全奧氏體耐熱合金，鎳含量在11%以內(nèi)，利用先進(jìn)的控制技術(shù)加入Si、N等合金元素及稀土元素Ce，使其具有優(yōu)良的耐高溫氧化及腐蝕的能力，很高的蠕變強(qiáng)度，對(duì)熱應(yīng)力有極佳的抵抗性。通過(guò)對(duì)其焊接性進(jìn)行分析，制定合理的SMAW焊接施工方案，并依照NB/T47014-2011標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，得到合適的工藝參數(shù)范圍，確定WPS。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用AVESTA 253MA AC/DC焊條能獲得外觀良好、性能合格的優(yōu)質(zhì)焊縫。

關(guān)鍵詞：耐熱不銹鋼；焊接性；焊接線能量

1、引言

耐熱不銹鋼由于具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、高溫抗氧化性和高溫耐腐蝕性，廣泛的應(yīng)用于發(fā)電鍋爐粉煤燃燒器、熱回收器、馬弗爐、蒸餾器、回轉(zhuǎn)窯及鍋爐壓力容器中。普通的奧氏體耐熱不銹鋼一般鎳含量在13%以上，如309S（23Cr-13Ni），310S（25Cr-20Ni），而S30815（21Cr-11Ni）的鎳含量在11%以內(nèi)，大幅度縮減了貴金屬鎳的含量。與耐熱鎳基合金INCOLOY 800（21Cr-32Ni）、INCONEL 601（23Cr-60Ni）相比，S30815的節(jié)鎳優(yōu)勢(shì)更為明顯。雖然S30815的化學(xué)成分中只含有21%的Cr和11%的Ni，但通過(guò)加入氮元素和稀土元素Ce，使其具有良好的抗氧化性及高溫蠕變強(qiáng)度并具有全奧氏體組織，使用溫度可達(dá)到850℃～1100℃。由于S30815含鎳量低，耐硫侵蝕能力較強(qiáng)，其晶間氧化和硫化深度僅為309S和310S奧氏體鋼的1/2。此外S30815還具有較好的抗高溫滲碳與高溫滲氮的性能。因此在很多高溫設(shè)備應(yīng)用上，S30815可以代替含有更高鉻鎳合金的鋼種及價(jià)格昂貴的鎳基合金。

我公司（遼寧華榮重工）承建的回轉(zhuǎn)窯（遼寧潔鎂）項(xiàng)目中，回轉(zhuǎn)窯窯體采用了山西太鋼生產(chǎn)的耐熱不銹鋼S30815，在國(guó)內(nèi)尚屬首例，國(guó)際上較早完成開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的也只有瑞典的Avesta Sheffield AB、Sandvik及美國(guó)Rolled Alloys等幾家公司。國(guó)內(nèi)對(duì)S30815的焊接工藝及相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)更少，因此施工前必須對(duì)該合金的焊接工藝操作要點(diǎn)進(jìn)行研究。

2.焊接性分析

S30815（化學(xué)成分見(jiàn)表1）是全奧氏體不銹鋼，鎳含量雖低，但通過(guò)加入強(qiáng)奧氏體化形成元素——氮元素，獲得了穩(wěn)定的全奧氏體組織，同時(shí)還改善了S30815的高溫蠕變性能。

稀土元素Ce以及硅的加入，使得S30815在高溫時(shí)仍有極佳的耐氧化性。氮、碳、稀土元素和堿金屬氧化物的結(jié)合使其與鎳基合金一樣具有同樣良好的抗氧化性能及高溫蠕變強(qiáng)度。S30815的常溫力學(xué)性能見(jiàn)表2。

根據(jù)S30815的化學(xué)成分分析，S30815的鉻鎳含量較低，因此對(duì)焊接熱裂紋的敏感程度不會(huì)像其他耐熱奧氏體不銹鋼一樣明顯，應(yīng)具有較好的焊接性。查閱相關(guān)資料S30815可采用鎢極氬弧焊（TIG）、熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）、焊條電弧焊（SMAW）、埋弧焊（SAW）等方法焊接。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、成本價(jià)格、采購(gòu)難易程度選用焊條電弧焊（SMAW）。

3.焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》、NB/T47015-2011《壓力容器焊接規(guī)程》、NB/T47016-2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)》

3.1焊材選用

根據(jù)S30815的化學(xué)成分、力學(xué)性能、焊接性能等因素，同時(shí)查閱相關(guān)資料采用AVESTA 253MA AC/DC焊條。其熔敷金屬化學(xué)成分見(jiàn)表3，力學(xué)性能見(jiàn)表4。

3.2坡口

試件規(guī)格150×400×18mm——2件，X型坡口。

3.3焊前準(zhǔn)備

施焊前用不銹鋼絲刷清理坡口及兩側(cè)至少30mm范圍內(nèi)母材表面的油、水、銹、積渣等有害雜質(zhì)，必要時(shí)采用丙酮清洗。當(dāng)焊件溫度為-20℃～0℃時(shí)，應(yīng)在始焊處100mm范圍內(nèi)預(yù)熱到15℃以上。

3.4施焊

焊接過(guò)程中為避免有益合金元素的燒損，應(yīng)采用小規(guī)范，短弧快速不擺動(dòng)的施焊技術(shù)，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表5。由于S30815耐熱不銹鋼的熱膨脹系數(shù)高，熱導(dǎo)率低，為防止過(guò)熱，必須嚴(yán)格控制焊接線能量，焊接線能量不應(yīng)超過(guò)15KJ/cm。同時(shí)也必須控制道間溫度不得超過(guò)100℃。

4.檢驗(yàn)與試驗(yàn)

4.1檢驗(yàn)

按JB/T4730.2-2005對(duì)焊縫進(jìn)行100%RT檢測(cè)，質(zhì)量等級(jí)為AB級(jí)，檢測(cè)結(jié)果為I級(jí)合格。

4.2試驗(yàn)

按NB/T47016-2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)》進(jìn)行試驗(yàn)，拉伸試樣2件，側(cè)彎試樣4件。抗拉強(qiáng)度分別為734Mpa和732Mpa，彎曲角度均為180°。試驗(yàn)結(jié)果合格。

5.結(jié)論

5.1 采用AVESTA 253MA AC/DC焊條焊接S30815奧氏體耐熱不銹鋼的焊接性良好，成形美觀，質(zhì)量能達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.2 施焊過(guò)程中要嚴(yán)格控制線能量及道間溫度，避免焊縫過(guò)熱，減少有益元素氮和稀土元素鈰的燒損，保證其高溫性能。

參考文獻(xiàn)

[1]NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》

[2]NB/T47015-2011《壓力容器焊接規(guī)程》

[3]NB/T47016-2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)》

[4]ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范》第IX卷

[5]韓肇俊.3種新型奧氏體耐熱不銹鋼評(píng)述介紹.沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)

[6]《電焊條選用指南》

（作者身份證號(hào)碼：1 21031119860208061X；2 210302197311240977）