鉻鉬鋼與不銹鋼的焊接工藝

無(wú)錫不銹鋼板廠家無(wú)錫漢能不銹鋼2020年1月6日訊 近年來(lái)異種鋼焊接應(yīng)用十分廣泛，在航空航天、石油化工、機(jī)械行業(yè)等行業(yè)應(yīng)用越來(lái)越多。但由于異種鋼在化學(xué)成分、冶金相容性、物理性能和化學(xué)性能等方面存在較大差異，在焊接過程中會(huì)出現(xiàn)合金元素的遷移、化學(xué)成分、金相組織的不均勻，還會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力、焊接變形，出現(xiàn)焊接裂紋等，降低焊接接頭的力學(xué)性能。

本文針對(duì)12Cr2Mo1鉻鉬鋼和S30408不銹鋼的異種鋼焊接接頭，進(jìn)行焊接性分析，選擇合適的焊接方法、焊接材料和焊接工藝參數(shù)，并進(jìn)行焊后熱處理，根據(jù)NB/T47014《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，分析異種鋼焊接接頭的力學(xué)性能，制定焊接作業(yè)指導(dǎo)書，用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

12Cr2Mo1為低合金耐熱鋼，具有良好的耐高溫和抗氫性能，主要用于制造加氫裝置的反應(yīng)器和熱交換器等設(shè)備中，   12Cr2Mo1的鉻和鉬能顯著提高鋼的淬硬性，在一定的冷卻速度下，焊縫金屬和熱影響區(qū)內(nèi)可能形成對(duì)冷裂敏感的顯微組織。含有大量的Cr、Mo等強(qiáng)碳化物形成元素，使接頭的過熱區(qū)具有不同程度的再熱裂紋敏感性。在350-550℃溫度區(qū)間長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，當(dāng)有害殘余金屬總含量超過容許極限時(shí)，發(fā)生的漸進(jìn)的脆變現(xiàn)象。

S30408為奧氏體不銹鋼，兩種鋼材之間化學(xué)成分、金相組織、物理性能和化學(xué)性能等方面有較大差異，焊接時(shí)容易出現(xiàn)以下問題。

在焊接過程中，焊縫金屬會(huì)受到12Cr2Mo1熔敷金屬的稀釋作用，在緊靠12Cr2Mo1一側(cè)熔合區(qū)的焊縫金屬中，形成和焊縫金屬成分不同的過渡層，母材合金含量越大，稀釋率越大，熔合比越大，稀釋率也越大。12Cr2Mo1一側(cè)過渡層可能會(huì)因稀釋而產(chǎn)生脆性馬氏體組織。.

高溫下，由于鉻元素與碳原子的親和能力很強(qiáng)，易形成碳化鉻的化合物，在焊接過程中，12Cr2Mo1一側(cè)因貧鉻而使碳原子脫離形成脫碳區(qū)，進(jìn)而軟化，晶粒粗大，脆性增大，抗腐蝕能力下降，而S30408一側(cè)因富含鉻而使碳原子向其遷移形成增碳層，進(jìn)而硬化，晶粒變細(xì)，性能變好。

1.3 焊接應(yīng)力

由于兩種材料的熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)不同，焊接過程中，高溫區(qū)產(chǎn)生熱應(yīng)力，并且該熱應(yīng)力無(wú)法消除，使焊縫和熔合區(qū)附近產(chǎn)生附加拉應(yīng)力，在冷卻過程中，因收縮不一致產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，導(dǎo)致在12Cr2Mo1側(cè)產(chǎn)生裂紋。

評(píng)定用材料為12Cr2Mo1和S30408不銹鋼，規(guī)格均為400mm×150mm×10mm，兩種材料的化學(xué)成分和如表1所示

為了減少焊縫的稀釋，防止產(chǎn)生冷裂紋和再熱裂紋，12Cr2Mo1和S30408異種鋼焊接時(shí)，在12Cr2Mo1側(cè)先堆焊鎳基焊材，選用熔合比小、稀釋率低的焊接方法，鎢極氬弧焊和焊條電弧焊的熔合比較小，焊縫成分也比較穩(wěn)定，因此，該異種鋼選用氬弧焊打底，焊條電弧焊蓋面的焊接方法。

采用鎳基焊條ENi6182和鎳基焊絲SNi6082，利用鎳的石墨化作用阻礙形成碳化物，減小過渡層，防止產(chǎn)生脆性的馬氏體組織，進(jìn)一步抑制12Cr2Mo1中的碳遷移。

對(duì)于焊接坡口形式，應(yīng)盡量考慮焊接層數(shù)、填充金屬量、熔合比和焊接殘余應(yīng)力，設(shè)計(jì)的坡口形式及尺寸如圖1所示。

12Cr2Mo1顯微組織為回火貝氏體，S30408顯微組織為奧氏體，12Cr2Mo1具有淬硬性、再熱裂紋傾向和回火脆性，而 S30408具有良好的焊接性，根據(jù)兩種材料的化學(xué)成分、接頭形式、焊接方法和焊接材料等考慮，通過焊接性試驗(yàn)確定，預(yù)熱溫度在200℃左右，焊接的道間溫度控制在100℃之內(nèi)，焊后立即進(jìn)行350℃×2h后熱處理。

焊前，對(duì)坡口及兩側(cè)各200mm之內(nèi)的氧化層、油污、水分、鐵銹等進(jìn)行清理，具體的焊接工藝參數(shù)如表2所示。

焊后消除應(yīng)力熱處理是防止焊接裂紋的重要工藝措施，12Cr2Mo1和S30408異種鋼焊接時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的焊接殘余應(yīng)力，因此，焊后需要進(jìn)行690±10℃×2h的熱處理，以消除焊接殘余應(yīng)力，避免裂紋的產(chǎn)生。

焊接工藝評(píng)定采用NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，對(duì)評(píng)定試板進(jìn)行外觀檢查，表面沒有氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，然后進(jìn)行100%射線檢測(cè)，射線檢測(cè)按照NB/T47013-2013《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》評(píng)定，Ⅱ級(jí)合格。按照NB/T47014-2011標(biāo)準(zhǔn)要求加工試樣，進(jìn)行拉伸、彎曲和沖擊等力學(xué)性能試驗(yàn)，力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表3、表4、表5所示。

由上述數(shù)據(jù)可知，拉伸、彎曲和沖擊試驗(yàn)都合格，說(shuō)明所制定的焊接工藝滿足要求，焊接接頭的性能符合規(guī)定。

（1）采用熔合比小、稀釋率低的氬弧焊打底，焊條電弧焊蓋面的焊接方法，在12Cr2Mo1側(cè)先用焊條電弧焊堆焊鎳基焊材選用鎳基焊絲SNi6082和鎳基焊條ENi6182對(duì)12Cr2Mo1和S30408異種鋼進(jìn)行焊接，通過合理的焊接工藝，獲得了性能符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的焊接接頭。

（2）按照NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》，對(duì)焊接接頭進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，拉伸試樣斷在焊縫上，為韌性斷裂，抗拉強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，彎曲試樣和沖擊式樣滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。