06Cr13换热钢管与06Cr19Ni10管板焊材选择试验研究

张莹莹，纪 强，王 娜，张 岚

（1. 辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁 抚顺 113001； 2. 抚顺化工机械设备制造有限公司，辽宁 抚顺 113122）

06Cr13为铁素体不锈钢，使用温度在室温到600 ℃左右，塑性、韧性和耐蚀性介于碳素钢与奥氏体不锈钢之间，Ni元素含量较少可降低生产成本，焊接过程不易产生热裂纹，抗晶间腐蚀及 cl-腐蚀能力优于奥氏体不锈钢。如今，国内 06Cr13换热钢管的使用较少，换热管的材质主要为碳素钢、低合金钢和奥氏体不锈钢，对于弱腐蚀性或没有腐蚀性的介质，换热管的选择一般按照使用温度来划分，低于400 ℃时为碳素钢（如10），高于400 ℃时为低合金钢（如15CrMo），碳素钢及低合金钢中合金元素少，耐蚀性较差，价格低廉，对于强腐蚀介质一般选用奥氏体不锈钢，使用温度范围大（室温至 700 ℃），合金元素丰富，耐蚀性强，可广泛应用在高温及强腐蚀介质等苛刻条件下，成本较高，但若使用奥氏体不锈钢代替06Cr13，这样不但对奥氏体不锈钢造成浪费，同时还会降低换热管在某些腐蚀介质中的耐蚀性能、减少换热设备的使用寿命，那么，如何既能满足换热器使用环境的要求、保证其在服役期内安全可靠运行，又可以降低生产成本就值得我们深入的研究。因此，本试验选取06Cr13换热钢管与06Cr19Ni10管板进行GTAW管头自动焊接，使用ER316L、ER309L及ERNiCr-3三种不同的焊材，通过焊接试验拟定合理的焊接工艺参数，分析研究06Cr13换热钢管与06Cr19Ni10管板平缝的焊接性，这对06Cr13换热钢管的推广具有十分重要的意义[1-5]。

1 试验材料及工艺

1.1 试验材料

试验采用管板焊接型式，选用的试验材料分别为06Cr13换热钢管、06Cr19Ni10不锈钢管板和ER316L、ER309L及ERNiCr-3焊丝，它们的力学性能及化学成分如表1和表2所示。

1.2 试件组对

换热器管板平缝的接头型式如图1所示，先用点固焊的方法对管板与管子进行固定，焊接位置为12点和6点方位。

图1 换热器管板接头型式Fig.1 The joint form of heat exchange tube

表1 材料的力学性能Table 1 Mechanical property of the material

表2 材料的化学成分Table 2 Chemical composition of the material

1.3 焊接工艺参数

选用 GTAW 管头自动焊接，工艺参数主要包括：预热时间、衰减时间、焊接速度、送丝速度、基值电流、峰值电流和电压，它们都直接影响焊接材料与母材的融合及焊缝的形成，对焊接接头的质量起重要作用(表3）。

2 检 测

2.1 宏观检测

试件焊接后进行目视检测，焊缝外观无裂纹、咬边、气孔及夹渣等缺陷，焊肉饱满，成型良好，焊后原始表面有金属色氧化薄膜，用不锈钢刷部分清理后可以全部去除，露出银白色金属光泽，符合评定要求。

2.2 渗透检测

渗透检测是利用毛细作用原理检查表面开口缺陷的方法，焊后要待试件温度降为室温时才能进行，使用ER316L和ER309L焊丝焊后的试件经着色法渗透检测后无任何缺陷，技术等级AB级合格，符合JB/T4730.2 -2005《承压设备无损检测第5部分：渗透检测》的规定，使用 ERNiCr-3焊丝焊后的试件存在大量裂纹如图2所示，试验结果不合格。

图2 管板焊后裂纹（ERNiCr-3焊丝填充）Fig.2 cracks of welding (ERNiCr-3 filled)

表3 焊接工艺参数Table 3 Welding parameters

2.3 金相检测及熔深测量

将渗透检测合格的试件表面清洗干净进行解剖，试件剖面均无裂纹、气孔及夹渣等缺陷，熔深分 别 为 2.62 mm(ER316L 焊 丝 填 充)、2.68 mm(ER309L焊丝填充)。试件剖面依次用砂纸和抛光机磨光，直至磨痕清除干净，使之成为光滑、无痕的镜面，打磨时尽量用力均匀以减少划痕，后清洗要先用清水冲洗，再用酒精擦拭去除残留的磨料、抛光剂等杂物，选取的侵蚀剂为苦味酸盐酸酒精溶液，擦拭约1分半钟后将试样冲洗干净、吹干。通过Leica显微镜放大200倍观察到的显微组织如图3、4所示，熔合区和焊缝清晰可见，焊缝组织均匀，无微型裂纹，管板焊接情况良好。

通过数点法计算出焊缝铁素体含量,依次为23.1%~29.47%（ER316L焊丝填充）、22.7%~29.26%（ER309L焊丝填充）

2.4 硬度检测

以管材为起点，依次取管材、管侧融合线、焊缝、板侧融合线及板材处测量硬度值如图5所示，由图可看出从管材→焊缝→板材硬度呈现为一峰值曲线，焊缝处硬度最大，并且两种焊丝焊缝硬度值接近，硬度检测符合要求。

3 试验结果分析

通过金相观察及数点法计算铁素体含量，可看出两种焊丝的焊缝组织和铁素体含量很相近，这主要由于两种焊丝的焊接试验都选用了平缝的接头型式，焊缝两层分别为自熔和填丝，其熔敷金属的组成见图6。

图3 焊缝组织（ER316L焊丝填充）Fig.3 Organizations of the joint (ER316L filled)

图4 焊缝组织（ER309L焊丝填充）Fig.4 Organizations of the joint (ER309L filled)

图5 维氏硬度曲线Fig.5 The curve of Vickers hardness

图6 焊缝熔敷金属组成图Fig.6 The composition of deposited metal

阴影区域A、B分别为熔入到焊缝中的管子与管板部分，空白C区为填充的焊丝，自熔过程使得焊缝中溶解了大量的06Cr13换热钢管，由于06Cr13换热钢管组织为铁素体，而06Cr19Ni10不锈钢管板和ER316L、ER309L焊丝的组织为奥氏体，所以自熔过程增大了焊缝中铁素体含量如图3、4所示，使焊缝成为γ（奥氏体）-δ（铁素体）双相组织，可以减少 S、P等有害元素在晶界上的分布，割裂晶间液态薄膜的连续性，从而有效防止结晶裂纹的产生。另一方面，由显微组织图可看出，两种焊丝的焊缝组织均为等轴晶粒及树枝晶为主[6]。

ER316L焊丝中加入了铬、镍、钼、锰等合金元素，显著提高了熔敷金属的塑性、韧性及延展性，尤其Mo含量高达2.35%，它可以改变结晶组织的形态，细化晶粒，从而提高焊缝的抗裂性能，减小了使用过程中裂纹出现的风险[7]，而 ER309L与ERNiCr-3中 Mo含量仅为 0.11%及 0.14%，使用ER309L焊接的试件中，靠近管侧熔合线的焊缝处可见部分板条状马氏体如图 4，增大了冷裂纹产生的倾向，这可能是由于焊接过程中线能量过高的缘故，另外，ERNiCr-3为镍基焊丝，72.12%的Ni含量虽然可以提高耐蚀性能并且热膨胀系数与两侧母材较为接近，但同时也降低了熔敷金属的流动性，焊接过程中由于线能量过高，焊缝冷却收缩应力大，最终导致了热裂纹的产生，因此在使用ER309L和ERNiCr-3焊接奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢时，为确保组织性能优良建议尽量降低热输入[2]。

根据以上分析，在平缝接头型式下，使用ER316L焊丝的试件焊缝组织优良，抗裂性能较好，试验所选的ER316L和ER309L焊丝及焊接工艺参数合理。

4 结 论

使用ER316L、ER309L及ERNiCr-3对06Cr13换热钢管与06Cr19Ni10管板进行平缝焊接，PT检测ERNiCr-3焊后试件存在大量裂纹，试验结果不合格，其余两种焊丝的焊缝通过各种宏观及微观方法检测后无裂纹，证明所选焊接参数合理，且ER316L平缝中为奥氏体、铁素体双相组织，抗裂性能好，因此，在进行06Cr13换热钢管与06Cr19Ni10管板平缝焊接时，推荐使用ER316L焊丝。

［1］王建乐. 0Cr13不锈钢板材对接接头的焊接工艺[J].电焊机，2010，40（2）：61-63.

［2］徐驰奔，叶增伟.奥氏体不锈钢焊接特点及工艺[J].科技风，2009，(2)： 64-67.

［3］刘喜惠.压力容器制造过程中的异种钢焊接[J].黑龙江科技信息，2007，10(1): 5.

［4］芮福才.奥氏体不锈钢与铁素体钢的焊接性能分析研究[J].黑龙江电力，2002，24（4）：270-272.

［5］郭富勇，丁雪兴，李永红，张建晓.奥氏体不锈钢304的TIG焊接[J].现代焊接，2010（5）：19-21.

［6］刘会杰.焊接冶金与焊接性[M].北京：机械工业出版社，2008.

［7］周振丰.焊接冶金学（金属焊接性）[M].北京：机械工业出版社，1996.