低合金鑄鋼件與奧氏體不銹鋼結構件組焊研究及應用

陳得潤，李成志，王龍虎，田定琪，郭 寧，周 龍

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

0 引言

隨著時代的發展，特別是在“一帶一路”倡議下，對機械制造、高端大型設備等行業提出了更高的要求，同時對于金屬材料成型技術來講，也迎來了新的挑戰。中國核電首臺出口某國家的核電機組配套核電外缸鑄件缸體材料為低合金鋼，材質為ZG17Cr2Mo1，鑄件輪廓尺寸7483mm×4970mm×2560mm，鑄件毛重76t。設計人員考慮到該國安裝地常年熱帶潮濕多雨的實際情況，在低合金缸體端設計可滿足使用工況性能要求的奧氏體不銹鋼結構件作為過渡段，以滿足和達到后續在電廠工地現場組裝焊縫具有良好的現場安裝的可焊性及可操作性。文章通過對奧氏體耐熱鋼與低合金耐熱鋼的焊接工藝分析探究，經實際生產應用焊接接頭達到標準要求。

本文涉及在大型鑄鋼件低合金材料上焊接奧氏體不銹鋼結構件的焊接工藝研究，其中汽輪機缸體鑄件本身的材料為ZG17Cr2Mo1 材料，而其缸體管子一端擬組焊的結構件材料為06Cr19Ni10，其中ZG17Cr2Mo1 為貝氏體組織材料，貝氏體組織是鋼中過冷奧氏體的中溫(Ms～550℃) 轉變產物,α-Fe 和Fe3C 的復相組織，導熱性好、熔點高，屬于鐵磁性材料，線膨脹系數較大，密度大，而06Cr19Ni10 為奧氏體組織材料，無磁性材料，與貝氏體相比，奧氏體的密度小且導熱性差，熔點低，線膨脹系數大，比鐵素體和滲碳體的平均線性膨脹系數高約一倍。

1 焊接接頭的焊接性分析

1.1 汽輪機缸體低合金鋼材料

汽輪機缸體鑄件材料為ZG17Cr2Mo1，屬于低合金耐熱鋼材料，其化學成分及力學性能見表1和表2。

表1 ZG17Cr2Mo1 化學成分 w/%

表2 ZG17Cr2Mo1 機械性能

1.2 奧氏體不銹鋼結構件材料

奧氏體不銹鋼結構件材料為06Cr19Ni10，其化學成分及力學性能見表3 和表4。

表3 06Cr19Ni10 化學成分 w/%

表4 06Cr19Ni10 機械性能

1.3 焊接接頭分析

1.3.1 熱裂紋的產生

奧氏體與低合金CrMo 材料組焊時，由于兩種材料線膨脹系數、熱導率等差異大，焊縫熔敷金屬在凝固結晶過程中，一些低熔點雜質元素聚集在晶界上，由于焊接局部加熱和冷卻變化較大，因此在焊縫及熱影響區在高溫承受較大的拉伸引力時有可能產生熱裂紋。

1.3.2 過渡區軟化和硬化

焊接異種鋼時，由于熔合線兩側材料成分差異較大，加熱過程中碳元素擴散遷移明顯，在靠近低合金側出現脫碳層而軟化，相反在奧氏體焊縫側增碳，形成增碳層而硬化，降低接頭高溫持久強度和塑性。

1.3.3 焊接應力與焊接變形

由于兩種材料成分組織及物理性能存在明顯區別，不同階段溫度的變化對線膨脹系數不一致的母材及焊縫會產生熱應力。因此在焊接時，受到迅速冷卻和加熱，必然產生很大的熱應力和變形。

2 實施的工藝參數設計

2.1 工藝用焊接材料

對于奧氏體鋼與珠光體等低合金鋼材料的異種材料的選材原則，在保證焊接接頭使用的條件下，考慮碳遷移對焊縫成分的影響及焊接接頭區不產生冷、熱裂紋的情況下，焊材宜選用Ni-Cr-Fe 的填充金屬進行填充焊接。本結構件設計采用規格為?2.4mm、型號為ERNiCr-3 氬弧焊打底，焊材?3.2mm、型號為ENiCrFe-3 焊材填充的方案進行焊接操作。

2.2 焊前預熱溫度的確定

缸體一端材料ZG17Cr2Mo1，是通過Cr、Mo元素固溶強化的耐熱鋼，碳當量約為1.02～1.1，空冷狀態下為貝氏體+部分馬氏體材料，具有較強的淬硬傾向，因此為防止產生焊接冷裂紋，焊接過程中需要較高的預熱溫度。

接管材料為06Cr19Ni10，屬于奧氏體不銹鋼，由于奧氏體材料熱膨脹系數大，熱導率小，具有較高的熱裂紋敏感性，在焊縫和熱影響區都有可能產生熱裂紋，因此奧氏體接管在焊接過程中需要嚴格控制層間溫度，以降低高溫時柱狀晶組織長大，一般要控制在100℃以下。

針對以上差異，設計預熱工藝參數如下：低合金鋼鑄件ZG17Cr2Mo1 坡口一側：預熱溫度＞170℃；奧氏體0Cr18Ni10 結構件坡口一側：預熱溫度控制在60～100℃。

3 接管組焊工藝、流程及技術措施

本文提供一種低合金鋼材料與奧氏體不銹鋼材料的焊接方法,具體工藝控制路線方案如下。

3.1 結構件對接

在三維劃線平臺通過劃線方式將奧氏體結構件與低合金鑄件對接并在坡口焊縫周邊點焊牢固。點固前將坡口焊縫均勻劃分6～8 等分，然后在劃分區域交接部位兩人同時使用ERNiCr-3 氬弧焊焊絲，對稱焊接，焊接時焊縫長度40～60mm。

3.2 預熱

根據確定好的預熱溫度在距離低合金鋼鑄件內側距離管口端面一側200mm 部位架設半圓形預熱管，且預熱管火焰方向偏向鑄件一側，且與待焊接面呈30°～45°角，防止天然氣火焰直接加熱奧氏體接管，僅通過熱傳導方式將鑄件一側預熱，并使低合金鑄件坡口靠近鑄件一側溫度達到170～180℃。同時在奧氏體結構件坡口一側外采用潮濕的棉布遮蓋，遮蓋厚度大于6mm，實時監控奧氏體接管一側溫度，并根據接管側溫度間歇性在棉布上噴水降溫以達到控制層間溫度的目的。

3.3 打底焊焊接

打底焊焊接時，要求兩人分段對稱打底焊，焊材仍選用ERNiCr-3 氬弧焊焊絲，直至打底焊焊接完成。

3.4 鑄件位置調整

由于兩種材料成分及組織差異大，焊接性完全不同，持續的熱輸入或不合理的預熱方式都將影響焊縫及其兩側液態金屬凝固速度，進而影響焊接質量，因此需要將鑄件側立調整，使坡口焊縫處于立焊位置。

3.5 填充蓋面焊接

采用多層多道焊接順序；焊材采用ENi-CrFe-3。焊接時從管子向上兩人同時對稱分道焊接。采用較小線能量焊接，即小電流低電壓快速焊的焊接參數，每層焊接順序及參數要求如下。

兩人同時先焊接奧氏體結構件坡口一側焊接過渡層，焊前在潮濕棉布一側間歇式降溫，確保奧氏體接管一側溫度低于100℃后立即同時用直徑3.2mm 焊條在奧氏體接管一側不擺動熔敷焊接，焊接工藝參數如下：電流：85A±5A，焊接速度＞130mm/min，層間溫度＜100℃。然后在鑄件坡口一側焊接過渡層，焊接工藝參數如下：電流：95A±10A，焊接速度＞70mm/min，層間溫度＜260℃。最后焊接中間，焊接工藝參數如下：電流：95A±15A，焊接速度＞70mm/min，層間溫度＜160℃。

嚴格遵守“奧氏體接管一側間歇降溫，本體一側高溫預熱后焊接”，即“鑄件低合金接管一側溫度高奧氏體接管一側溫度低”的預熱原則；確保焊接過程圓滑過渡，避免尖角存在。

3.6 焊后熱處理

對于大型低合金鑄鋼件來說，由于大量的焊接易導致焊接殘余應力發生，焊接完成后應進行焊后消應力處理。本方案涉及低合金鋼與奧氏體不銹鋼的結構件焊接，難點在于既要最大限度降低焊縫焊接應力，同時又要防止奧氏體材料在500～850℃加熱時，將Cr 從固溶體中以碳化Cr 的形式析出，造成奧氏體不銹鋼的晶界腐蝕敏感性增大，即產生高溫敏華現象，低合金鋼與奧氏體不銹鋼的結構件坡口焊縫焊接完成后應進行300～400℃保溫3～5h 低溫消應力處理。

3.7 無損檢測

采用以上工藝方案對低合金鑄鋼件與奧氏體接管十二道坡口焊縫進行焊接后，分別參照檢測規范對坡口進行了滲透及射線探傷，根據相應標準對焊接區域進行缺陷評級，全部焊縫均Ⅰ級合格，低合金鑄鋼件與奧氏體接管一次焊接成功率達到100%。

4 結束語

本文通過對比分析奧氏體不銹鋼與低合金鑄鋼材料之間因導熱性和熔點差異大、膨脹系數差異明顯等焊接性差異大且在復雜條件下的異種鋼結構焊焊接件組合焊接方法，克服現有技術的不足，創造性提出了從焊接材料的選用、焊接位置、同一焊縫兩側不同預熱溫度等關鍵控制方案。在不影響低合金鋼淬硬基礎上間歇性提高奧氏體接管一側焊接冷卻速度，有效降低兩種材料焊接的差異性從而減少缺陷產生的幾率，操作工藝簡單?？刹僮餍詮姟嶋H生產中，一次焊補合格率可達98%以上，返修質量提升90%以上，更降低了奧氏體結構件變形導致報廢風險，縮短生產周期，確保鑄件滿足生產需求。證實了該工藝方案措施是有效的，并具有較好的可行性，這為今后低合金鑄鋼件異種鋼結構件焊接提供了很好的借鑒作用。