管板堆焊的焊接工艺研究

王恒祥

（洛阳隆惠石化工程有限公司，河南洛阳 471012）

管板堆焊的焊接工艺研究

王恒祥

（洛阳隆惠石化工程有限公司，河南洛阳 471012）

介绍了管板堆焊时的工艺特点，进行了可焊性分析，叙述了堆焊过程中遇到的问题；并介绍了成功的堆焊工艺，认为只要认真分析焊接条件和工况，采取合理的工艺措施，就可以得到优质的焊接接头。

堆焊；稀释；金相组织；组织图；低塑性带；迁移扩散；热应力

本文对珠光体钢和奥氏体钢的焊接性进行了论述，通过工艺分析说明在进行堆焊焊接时，只要根据构件的使用条件和工件实际情况进行分析，制定合理的焊接工艺，就可以保证焊接质量。

1 珠光体钢和奥氏体钢焊接中的问题

珠光体钢的碳当量一般较低，它的焊接性较好。奥氏体钢中铬、镍元素含量较高，焊缝中容易产生晶间腐蚀和热裂纹。珠光体钢和奥氏体钢焊接时一般都采用奥氏体金属填充材料，在焊接过程中，容易产生焊缝金属稀释、焊缝的金相组织不均匀、熔合区塑性降低、碳迁移扩散、热应力影响等问题。

1.1 焊缝金属的稀释

1.1.1 焊缝金属的稀释

珠光体钢相对于奥氏体金属填充材料来说，合金元素含量少，因此它们对焊缝金属化学成分有一定的稀释作用，而焊缝金属的成分是由填充金属与母材的成分及熔合比确定的，稀释会导致焊缝金属中奥氏体形成元素减少，使焊缝中出现脆性的马氏体组织而降低焊接接头的质量，严重时甚至可能出现裂纹。熔合比是反映焊缝金属稀释程度的一个重要参数。常见的几种熔合比如表1所示。

1.1.2 焊缝化学成分的计算

由于焊缝金属的稀释作用，我们可以预先评估焊缝金属的化学成分，根据Schaffler组织图确定焊缝金属的金相组织，保证得到优质的焊接接头。对于常见的几种典型的焊接接头，我们可以根据下列公式估算焊缝中合金元素的含量。

表1 珠光体钢与奥氏体钢熔合比与接头形式、焊接方法的关系

①堆焊焊缝（见图1）。

图1 堆焊焊缝

②单层对接焊缝和对接接头根部焊缝及多层焊缝（见下页图2）。

图2 单层对接焊缝

式中：X基1、X基2，被焊金属中元素的含量；k，坡口一边与另一边的熔合比，k=F基1/F基2。

式中：X缝n+1，n+1层中合金元素的含量；X缝n，n层中合金元素的含量。

1.2 焊缝金相组织的不均匀性

由于珠光体钢和奥氏体钢焊接时采用奥氏体填充金属，我们可借助Schaffler组织图对焊缝金相组织进行预先估计。用奥307焊条焊接低碳钢与1Cr18Ni9Ti为例，A307熔敷金属的化学成分见表2，金相组织分析见图3。

表2 A307的化学成分 %

图3 Schaffler组织图

图3中，低碳钢（P点）的熔合比为50%，奥氏体钢1Cr18Ni9Ti（a点）的熔合比为60%，基体金属熔化、搅拌后的成分在b点，A307的成分为c点，bc上粗线段为根部焊缝的成分和组织状态。从上面的分析，我们不难看出，焊缝的组织状态是在粗线段的区域内，其金相组织是处于变化状态和不均匀的。

1.3 熔合区塑性降低

在进行珠光体钢和奥氏体钢焊接时，奥氏体焊缝靠近管板熔合线存在一个窄的低塑性带，低塑性带的化学成分和组织均不同于焊缝的其它部位，宽度一般为0.2～0.6 mm，位置在熔合区靠熔合线的边缘，熔合区低塑性马氏体组织的存在将明显降低接头的冲击韧性。

低塑性带的宽度与焊缝中含镍量成反比，一般认为，焊缝中镍含量低于5%～6%时，会出现马氏体组织。所以我们在进行异种钢焊接时，尽量选用高铬、镍元素含量的填充金属，甚至选用纯镍基填充金属，将低塑性带的宽度降低到最少。

1.4 碳的迁移扩散

1.4.1 碳的迁移扩散

珠光体钢和奥氏体钢的焊接接头，在焊后热处理或高温下使用时，由于含铬量差别较大，在高温条件下铬作为强碳化物形成元素，促使珠光体钢中的碳向奥氏体钢中扩散迁移，结果在珠光体钢侧产生脱碳层导致软化，而在相邻的奥氏体钢侧产生增碳层导致硬化。温度是影响碳迁移的重要因素，有关资料表明，在低于425℃的条件下，这种异质接头的碳迁移扩散现象不十分明显。

1.4.2 碳迁移扩散对高温性能的影响

碳的迁移扩散对接头的常温和高温瞬间强度的不良影响比较小，但对持久强度的影响较大，而且断裂部位大部分发生在熔合线脱碳层上。随着碳迁移扩散的发展，接头在熔合区发生脆性断裂的倾向增大。在高温下长期运行时，在脱碳层还容易产生晶间腐蚀。

1.4.3 减少碳迁移扩散的措施

有关资料表明，焊缝金属中含铬量从0.6%增加到5%时，对珠光体钢脱碳层宽度的影响较为显著，进一步提高含铬量，则影响比较小；当焊缝金属中含镍量提高到25%时，脱碳层宽度显著减小，同时也减小了焊缝金属中增碳层的宽度。

1.5 热应力影响

奥氏体钢的热膨胀系数比珠光体钢大30%～50%，导热系数却只有珠光体钢的1/3。这两种材质的焊接接头，在焊后冷却、热处理及使用中，都会在熔合线产生热应力。当这种异质接头在周期性加热和冷却条件下工作，或在温度变化较大的环境下工作时，接头会承受较大的热交变应力，在沿熔合线珠光体钢一侧就会产生热疲劳裂纹，最终导致接头失效。但当接头工作在温度稳定、开停频率较低的工况下，热应力的影响不明显。

2 焊接工艺分析

为了掌握在珠光体钢16MnR表面堆焊奥氏体钢的焊接工艺，得到合理的工艺参数，我们对焊接失败的管板焊接工艺进行了分析。

2.1 16MnR管板表面堆焊1Cr18Ni9Ti焊接工艺分析

16 MnR管板厚度为125 mm，堆焊层厚度为8 mm，接头型式见图4，焊接方法为埋弧自动焊接，填充金属为H1Cr24Ni13、Φ4，化学成分见表3。

图4 16MnR与1Cr18Ni9Ti焊接接头型式

表3 化学成分表 %

2.1.1 焊缝化学成分的计算

在堆焊焊缝的第一层焊道中，熔化的基体金属约占35%，由于它们的导热系数不同，它们之间的熔合比也不相同，16MnR约占50%，H1Cr24Ni13约占50%。根据公式（1）计算根部焊缝的化学成分。

焊缝的化学成分：

①焊接工艺参数（见表4）

表4 焊接工艺参数表

②相图分析

通过计算，按熔合比30%计，底层焊缝的化学成分落在A+M区。

③工艺措施

在改进工艺的同时，我们又采取措施降低热应力，将一次焊接的焊缝长度缩短，采取了短段、交叉方向的焊接措施，降低了焊接裂纹出现的几率。

2.2 结论

16MnR采用A307采用焊条电弧焊工艺堆焊焊接，可以保证接头质量。

根据焊缝的化学成分计算出铬当量、镍当量：

铬当量=Cr+1.5Si+Mo+0.5Nb=11.605

镍当量=Ni+30C+0.5Mn=11.775

根据Schaffler组织图，可以看出，采用埋弧自动焊工艺时，底层焊缝组织落在M区，所以造成焊接失败。

2.1.2 工艺试验

为了改进焊接工艺，保证焊接接头性能，我们对失败的工艺进行了分析，认为主要是底层焊接时熔合比过大造成的，所以决定采用焊条电弧焊工艺。

3 结束语

进行珠光体钢的奥氏体成分堆焊时，一定要对熔合比进行控制，降低珠光体钢成分的熔入比例，提高焊缝组织中的Cr、Ni含量，要根据异种钢焊接时热应力比较大的情况，缩短一次焊接的焊缝长度，也可采用镍含量大于25%的填充金属（如A507），甚至采用纯Ni基填充金属，将熔合区的低塑性带的宽度降低至最小，保证接头的强度和抗裂性能。

TG44

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1003-3467（2010）09-0051-03

2010-04-09

王恒祥（1966-），男，工程师，从事石油化工设备制造安装，E-mail：zjylww@163.com。