X5CrNi18-10奧氏體不銹鋼焊接工藝研究

粟世富 惠銘鈺

（1.無錫漢英機器制造有限公司，江蘇 無錫 214000；2.無錫順華工程設計有限公司，江蘇 無錫 214000）

鋼號EN10088-2 X5CrNi18-10 奧氏體不銹鋼為歐標《通用耐腐蝕鋼的薄鋼板∕鋼板和帶鋼的技術交貨條件》中的鋼號，相當于我國S30408 鋼號，該鋼號具有良好的耐腐蝕性能、冷加工性能、焊接工藝性能，高的持久強度，良好的耐腐蝕性能和組織穩定性，冷變形能力非常高，在國際上廣泛使用，其中編號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存類容器，在壓力容器制造行業站主要地位。

1 奧氏體不銹鋼的焊接特點

1.1 晶間腐蝕產生的機理簡述

晶間腐蝕是局部腐蝕的一種，表征為晶粒邊界附近發生有選擇性的腐蝕現象。起先從金屬表面出現，后沿金屬晶粒間的分界面向金屬內部擴展緩慢腐蝕的過程。使晶粒間的結合能力降低，隨后沿著晶界脫離開來，大大降低金屬的機械強度，鋼質變脆不能經受敲擊，這種在晶粒之間產生的腐蝕現象，當受到拉應力作用時就會沿晶界斷裂開來，是奧氏體不銹鋼中最危險的一種破壞形式，其破壞區域分別作用在焊接接頭的熱影響區，焊縫區和過熱區的“刀蝕”。晶間腐蝕多與晶界層的“貧鉻”現象有關系。

奧氏體不銹鋼具有耐腐蝕的必要條件是Cr 的質量分數必須大于12%，當室溫時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，金屬晶粒內部過飽和固溶的碳原子會逐步向邊界擴散，并與Cr 結合在晶間形成碳化鉻，并沿晶界沉淀析出，結果就使晶界附近的含Cr 量大為減少，又由于鉻原子擴散速率比碳小得多來不及補充消耗的鉻，當晶粒邊界的Cr的含量低于極限值Wcr＜12%時，就形成所謂的“貧鉻區”，該過程稱為“敏化現象”；在腐蝕介質的作用下貧鉻區就會不再抗大氣耐腐蝕的能力，從而就產生了不銹鋼晶間腐蝕。但是奧氏體不銹鋼不是任何時候都產生晶間腐蝕，它與鋼的加熱溫度和加熱時間有關，晶界貧鉻的金屬在650～850℃再次加熱稱為穩定化處理，由于加熱過程促使Cr原子的均勻擴散，于是貧鉻層消失了；而加熱溫度繼續升高，溫度超過850℃時，晶粒內的鉻擴散能力提高很多，使晶格中有足夠的鉻擴散到晶界中，與碳原子結合成面心結構組織，兩者在晶界內都不會形成貧鉻區，晶間腐蝕發生條件無法形成腐蝕停止。因此說450～850℃為產生晶間腐蝕的危險溫度，晶間腐蝕的“危險溫度區”或稱“敏化溫度區”就是上面描述的區間范圍，其中在650℃時是交變溫度點，兩種情況相互疊加最為危險。

焊接時，處焊接溫度場區450～850℃之間的焊縫兩側熱影響區為危險的溫度區地帶，非常容易發生晶間腐蝕，這也是焊接接頭熱影響區腐蝕嚴重的主要原因，如果，焊接過程中在危險溫度停留時間過程，既焊接速度過慢，則熱影響區變寬，容易出現更多的敏化區間。反之，如焊接接頭短暫停留在危險溫度區，產生的敏化區域就越少，接頭抗晶間腐蝕的能力就能大大提高。所以奧氏體不銹鋼在焊接時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，焊后或焊接過程中焊縫邊上澆水冷卻。由于奧氏體不銹鋼在冷卻過程中不會產生馬氏體相變而產生淬硬組織，所以快速冷卻不會產生使接頭產生淬硬的馬氏體組織而使焊縫變脆現象。

1.2 熱裂紋產生的原因

熱裂紋是指在高溫下結晶時產生的，而且都是沿晶開裂，所以也稱結晶裂紋。產生于焊縫金屬凝固過程后期的脆性溫度區間，此時焊縫金屬結晶完成，由于還存在著很薄的液相層在晶粒間，液體金屬塑性很低。冷卻不均勻時產生比較大的溫差應力，在凝固收縮過程中而產生的拉伸變形超過臨界值時，就會在晶間界沿著晶液與晶相層產生開裂。而奧氏體不銹鋼導熱性能差，線膨脹系數大，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、冷卻使焊縫在結晶時產生較大的拉伸應力，超過臨界值后就導致裂紋產生；另外奧氏體不銹鋼中的Ni與P、S等雜質在熔池中易形成低熔共晶，這樣容易出現雜質的偏析現象，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，結晶時間較長，且奧氏體結晶的枝晶方向性強，凝固時柱狀晶粗大使雜質偏析現象嚴重。以上均是產生焊縫熱裂紋、層間裂紋和弧坑裂紋（火口裂紋）的原因。

表1 TP304母材與焊材成分對照表

表2

防止產生熱裂紋的方法：采用優質、含雜質量少或含有Ti和Nb添加劑的不銹鋼材、焊材，因為Ti和Nb與C的結合力比Cr更強，冷卻過程中先結晶從而打亂柱狀晶的生長，使焊縫金屬能獲得良好的雙相體組織即：奧氏體+鐵素體。實踐證明，從舍弗勒組織圖分析當焊縫組織中的鐵素體含量在2%～3%時，就能足以防止焊縫熱裂紋產生；限制焊縫中雜質含量也是一種方法，即控制焊材中的碳、硫、磷等含量進入焊縫，能減少Ni 元素與它們結合而產生偏析，適當加入錳能提高氮的溶解度也能大大減少熱裂紋的產生。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，它優秀的耐腐蝕性，耐熱性能，耐點蝕性能良好，低溫強度和機械特性，在壓力容器行業被廣泛應用?？傮w來講，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率、高電阻率、高線膨脹系數，焊接時容易產生拉應力，另外奧氏體焊縫產生方向性很強的柱狀晶，促使有害雜質的偏析。因此焊接時對熱裂紋較敏感，容易產生弧坑裂紋、液化裂紋；在450～850℃長時間停留時，會在焊縫、過熱區，熱影響區產生晶間腐蝕；焊縫在650～850℃停留時間過長，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、試驗結果分析

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

a.焊接方法：GTAW+SMAW

b.焊接電源：ZX7-400B（時代）；。

c.坡口制備：V型坡口32±5°；鈍邊0.5-1.0mm；坡口兩側內、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：根據板材的化學成分和厚度（6mm）及成本因素選用ISO3581-A E19-9-2-R-34、φ3.2mm 國際標準焊條，焊絲選用ISO 14343-A W19-9-L-3。也可選用國產A132焊條，但該焊條工藝性能差、外觀成型較難控制。亦可選用進口瑞典焊條：E308-17、英國焊絲：ER308H，但成本高。管材及焊材主要化學成分含量：見表1。

d.焊接工藝要點：

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

d.2 采用小規模、快焊速、不做或少做橫向擺動，盡可能直進焊接，如焊道寬度過大需擺動焊接時，焊條擺幅不得超過焊條直徑的3倍以上。

d.3 焊工運條應熟練、手要穩，不得在母材上引弧，防止電纜線、地線與工件打弧，如工件產生燒損應采取打磨并檢驗或補焊。

d.4 點焊：氬弧焊點固3 點每焊點10mm 以上、間隔100mm左右，點固焊前表面充氬保護1分鐘以上，充氬流量4～6L／min。后按下面工藝參數見表2進行施焊。

d.5 焊接時層、道間接頭盡量錯開，微擺動焊接，氬弧焊打底應一氣呵成，控制層間溫度應小于150℃、電焊蓋面時采用短弧快速焊、微擺動焊，收弧時需回補弧坑，換焊條時也需要填好弧坑。

d.6熱處理：X5CrNi18-10不銹鋼焊接完成后一般不進行后熱和消應力熱處理，但當溫差較大或者拘束過大而產生較大殘余應力是，可采用低于下轉變溫度（低于300～350℃）延長保溫時間來進行消除應力或采用高溫（850～900℃）做固溶化處理。

4 結語

采用上述工藝可以得到性能良好的X5CrNi18-10 焊接接頭。目視檢查合格后進行100%射線檢測，技術等級AB 級，結果為NB∕T47013.2-2015 Ⅱ級合格。試驗表明上述工藝合格，滿足企業生產需要，為合格的焊接工藝。