20g與Gr5Mo管異種接頭的焊修

石偉

前言：我廠南催化裝置兩器;再生器、反應器（基體為20g鋼），用U形管（材質為Cr5Mo）連接。規格為φ426x16mm;工作溫度500-550C;介質：催化劑。

原焊接縫是用E5015焊接，經兩年內運行后，在Cr5Mo側熔合區出現貫穿性裂紋。停工檢修時，試管的焊縫切除。發現兩側的基體金屬均有不同程度的碳化。經技術主管部門研究認為兩側基體金屬出現上述變化，按等強度選用焊材則很難保證焊接質量，而確定選用奧氏體焊材焊接。

為保證裝置長、滿、優安全運行，特就此類異種鋼焊接的一些特殊問題;如母材對焊縫金屬的稀釋;在毗鄰母材熔合區形成過渡層和擴散層;焊接應力分布及影響等方面分析焊接裂紋形成機理。制定合理焊接工藝，獲得符合質量要求的焊接接頭。

關鍵詞：20g+Cr5Mo、異種鋼焊接、舍弗勒圖

一、20g與CrSMo鋼焊接問題分析

20g與CrSMo鋼是兩種組織、成份與性質均不相同的鋼種，它們焊接在一起時，其接頭是由兩種母材與奧氏體熔敷金屬三者熔合而成。這樣就產生了與焊接同鋼時所不同的一系列新問題。

1、焊縫金屬的稀釋

20g鋼是不含合金元素的碳素結構鋼，而Cr5Mo是中合金珠光體耐熱鋼。焊接時，選用Cr-Ni型奧氏體焊條時，會出現母材對焊縫金屬合金成份的沖淡作用。由于這種稀釋結果，會使焊縫金屬奧氏體形成元素含量降低，在焊縫中形成馬氏體組織，降低接頭質量，引起裂紋產生，為減小母材對焊縫金屬的稀釋作用，應嚴格控制母材的熔合比。

用舍弗勒圖對焊縫金屬進行分析，確定熔合比，來獲得予想焊縫組織，十分重要，其方法如下：

①按母材化學成份，分別折算出其Cr、Ni當量（見表一）和奧氏體不銹鋼焊條的Cr、Ni當量（見表二）.并在圖上找出相應的成份。

①點m與s點，將其連成直線，其中點a，是兩種母材在不開坡口，不加填充金屬，直接焊接，母體熔合比為50%時的焊縫組織。由圖一可知，所取得的焊縫組織是純馬氏體組織，是不符接裂要求的。

②把a點看作待焊母材成份，而焊材成份（25-13型奧氏體不銹鋼焊條），在圖上成份點為b點。

具有a點成份的母體與b點成份焊條，熔合而成焊縫金屬的組織在a-b線段上，其組織百分比，決定于母材的熔合比，a-b線段上d點為臨界點，a-d處于馬氏體區，奧氏體+馬氏體區、奧氏體區之間，這對焊縫抗裂性不利。而d-b段處于奧氏體區、奧氏體+鐵素休雙相組織區，這個區間，是理想的焊縫組織區間。為使焊縫組織處于d-b區間，只能靠控制熔合比來實現。

③以選用焊材成份b點為始點，將b-a分成10份，以確定熔合比，由圖一知，只有熔合比小于40%（即兩側母材在焊縫中分別占20%）時，焊縫才能得到雙相組織。

2、熔合區過渡層的形成

由于20g、Cr5Mo鋼與焊縫金屬成份差異很大。且施焊時，熔化的焊材金屬與兩側母材金屬在熔池內部和邊緣混合程度不同，中熔池靠近焊縫邊緣存在一個很窄范圍的“不完全混合區”，其化學成份有很大的不均勻性。事實上，焊縫在熱源作用下，熔化的母材和焊條金屬的熔池的內部和邊緣成份受溫度影響，邊緣液態金屬溫度低，流動性差，高溫停留時間短，這樣母材金屬所占成份就越大。所以在靠近熔合線母材對焊縫稀釋作用就越強烈;過渡層內Cr、Ni含量就越少，這樣焊縫中Cr、Ni含量也相對減少。

對照舍弗勒圖，過渡層區是由奧氏體+馬氏體組成，其寬度決定于焊條的類型。如馬氏體區寬度較大時，則會顯著降低接頭韌性，使用時，在應力作用下，將出現局部脆斷，所以應選用Cr、Ni含量較高的A302、A307焊接較為穩妥。因鎳是否墨化元素，能降低碳化物穩定性并能削弱碳化物形成元素對碳的親合力，改提高焊條Ni含量，可減小擴散層，是抑制熔合區擴散過程有效手段，以達減少過渡寬度。

3、熔合區碳擴散的形成和影響

由于接頭是由20g+奧氏體焊縫金屬+Cr5Mo組成，加之母材碳含量較高，合金元素含量較低（碳化物形成元素低），焊縫金屬則相反，這樣在熔合區處形成碳化物、形成元素的濃度差。后果是使母材形成脫碳層而軟化，而焊縫金屬因增碳而硬化。如接頭長期在350-550℃條件下工作時，熔合區將出現顯著碳擴散，碳自母材向焊縫擴散，致成時效，誘發裂紋產生。

為減輕碳遷移和碳過渡層寬度，應提高奧氏體形成元素和有足夠的碳化物形成元素鉻、鉬等元素含量，把碳固定在穩定的碳化物中。而另一方面向焊縫添加增加碳活度系數元素，使已遷移到焊縫熔合區中的碳擴散開。據有關資料證明。焊縫中含有一定量的Ni，不但能防止熔合區的碳化層，還能減少碳遷移過渡層，但不宜過高，否則會產生熱裂紋。

4、殘余應力的狀態與影響

奧氏體焊縫金屬線膨脹系數較母材大，加之兩種母材的熱物理性能不同，焊接溫度在上、下部分不對稱，在20-600C范圍內其膨脹系數相差較大;

奧氏體焊縫金屬為：（16-18.70）x10-6K-1;

Cr5Mo為：（10.30-14.15）x10-6K-1;;

20g為（10.9-14.68）x10-6K-1;

所以焊后出現較大的殘余應力。

有關資料得知，奧氏體焊縫金屬膨脹數較20g、Cr5Mo大30-50%，而導熱系數卻只有20g、Cr5Mo的50%在焊接時會產生很大熱應力，特別是在溫度變化速度較快時，由于熱應力引起熱沖擊力，象合金鋼淬火-樣，易引起開裂，此外，在交變溫度下，由于20g抗氧化性差，易氧化形成缺口，在反復熱應力作用下，缺口沿薄弱的脫碳層擴散，形成熱疲勞縫紋沿脫碳層擴展，導致接頭在短期內破壞。

此類接頭在高溫時，借助松馳過程能夠降低焊接應力，但在冷卻時又出現新的殘余應力，故而這類接頭焊后熱處理并不能消除應力。只能引起應力重新分布，但分而特征不變。綜上所述。知由上述因素影響，致使焊縫產生縫紋，特采用下述焊接工藝。

二、焊接工藝

1、焊接方法選擇：

焊接方法的選擇，除考慮生產率和具體焊接條件下，還應考慮熔合比的影響，按制熔合比，以降低母材對焊縫的稀釋。據有關資料知：焊接方法對熔合比的影響。見表三。

采用涂料焊條手工電弧焊是最佳選擇。因其方便靈活，不受焊件形狀、空間位置限制又可通過操作手法調節線能量和焊接熱輸入，控制母材熔深，達到控制熔合比目的。

2、焊條的選擇

①利用含弗勒圖確定焊縫金屬組織成份

而含鎳量不于10%，小于19%的A302、A307焊條，將熔合比控制在30-40%范圍內，焊縫組織為奧氏體，奧氏體+鐵素體雙相組織，見圖1的b-d線段。其抗熱裂性好，是理想焊材。

②從抑制熔合區碳擴散考慮焊材選用

因碳擴散是此類異種接頭薄薄弱環節，它對常溫和高溫瞬時機械性能影響不大，但卻降低接頭持久強度約10-20%，故提高焊材的奧氏體形成元素含量，是抑制熔合區碳擴散有效手段。

另適當提高Ni含量，可顯著降低碳遷移過渡層，但不宜超過19%，否則對抗熱裂性不利。

③提高焊縫金屬抗熱裂的能力

此類異種鋼焊接時，為了避免在焊縫中出現熱裂紋，在不影響使用性能前提下，最好使焊徒中含有3-7%的鐵素體組織。

④從操作工藝穩定性因素考慮：

由于施工現場條件較差，，環境溫度低和相對濕度較大等條件，為避免在焊接熱源作用下，焊徒中氫溶解量增大，致成氫致裂紋起見。我們選用對氫敏感性差和操作穩定性較好的酸性焊條。

綜上所述諸因素。我們選項用A302、A307作為此類異種接頭的焊接材料。

3、坡口型式選擇：

坡口型式對母材熔合比影響較大，焊接層次越多，熔合比越小;坡口含角越大，熔合比越小;U形坡口較V形坡口熔合比小;多層焊時根部焊縫熔合比最大，是產生根部裂紋的主要原因。加之奧氏體焊條熔化后，粘滯性較大，不易疏散，潤濕坡口面。為了能通過焊條擺動，使熔滴落到所要求位置上，應適當加大坡口角度。因U形坡口加工困難，改選用V形坡口，是將坡口含角增至70-80。

4、規范參數

為降低熔合比，盡可能選用小直徑焊條并在保證塔合情況下采用小電流值，減小母材熔深。推薦規范見表四

5、采用予堆焊工藝

在施焊前，于母材自身拘束條件下在兩側母材的坡口面上子先堆焊兩層的堆焊層，如圖五所示。堆焊層的厚度為5-6m為宜，堆焊后修麻成圖五尺寸，目的是使之在母材與焊縫之間形成一個碳遷移和稀釋的緩沖帶。由于予堆焊層存在，這樣坡口面成份，本上與焊條成份相接近。然后再用進行焊接，使碳遷移與稀釋作用得到緩解。

予堆焊時切記采用小電流、窄焊道、小熔深。

6、接管的聯接形式

原接管由于多次焊修、切除變短。為此我們采用加短管方式聯接。先焊接自由拘束狀態下的20g+Cr5Mo管對接口（垂直固定），經檢驗后再焊接20g同鋼種的對接口，這樣焊接優點是：

①便于焊后檢測時發現缺陷返修;

②先焊20g+Cr5Mo接口，可減小裝配時加在焊縫上的徑向切應力（因原管切除后，管徑錯位30mm左右）.

三、原況與新況焊后比較

原工藝焊后經著色與X光檢驗，發現在焊縫部靠20g側熔合線附近出現長短不一的斷續的縱向裂紋，裂紋總長度約為焊縫總長的四分之一左右。剖解后測得裂紋一般深度為5-6mm，局部則深達8mm，且斷面呈銀白色，無氣化跡象，屬冷裂紋。雖幾經焊修，仍出現不同程度裂紋。而采用新的工藝方法，焊后經檢驗未發現有焊接裂紋出現和超標的焊接缺陷，x光攝片為1級。現已經三年運行，效果良好。

四、結論

1.考慮母材對焊平縫稀釋作用，利用合弗勒團確定坪縫金屬組織與母材熔合比。

2.由于此類異種按頭的各自黟脹數差開較大焊后不宜進行熱處理，否則會引起應力重新分布和促使峻的擴散。

3.熔合比不宜大于40%，且焊縫組織中最好有3-7%鐵素體組織，以利抗熱裂。

4.為防止稀釋、碳遷移，采用在母材坡口而上子堆焊工藝，予堆焊層厚不應小于5-6mm為宜，可減緩合金元素與碳在焊縫與素養材間出現濃度差。

5.由于20g、Cr5Mo母材側熔合區會形成過渡層和碳遷移、擴散，致成化學成份不均勻而引起馬氏體兢化。且異相界面因擴散導致碳濃度突變，引起接頭塑性降低。故而適當提高鎳含量能防止或減小脆化層，抑制碳遷移。

6.盡可能避免強制組裝，防止焊接應力與之重疊而降低接頭質量。

參考材料

[1]潘春旭-異種鋼及異種金屬焊接：顯微結構特征及其轉變機理2000年

[2]石油化工異種鋼焊接規程