奥氏体中碳合金铸钢管的焊接工艺

邹东　朱宁　罗贵宾　唐立新

摘 要：针对ZG40Cr24Ni9Si2NRe奥氏体中碳合金铸钢管焊后产生裂纹的现象，通过分析其焊接特点，结合生产现场的要求，研究选择合适焊接材料，制定合理的焊接工艺及措施，成功解决了ZG40Cr24Ni9Si2NRe中碳合金铸钢管的焊接问题，达到了使用性能要求。

关键词：中碳合金铸钢；焊接工艺及措施；奥氏体

中图分类号：TG457.11 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）07-0061-02

1 引言

攀钢矿业选矿厂为改善环保，将使用皮带输送磨选矿的工艺流程改为管道输送。因磨选矿后的物料中含有硬度较大的铁粒及石英等，且温度较高，又具有一定的腐蚀性，在泵的作用下，物料在管道内运行过程中，对管道内壁有着冲刷、撞击作用，使管内壁易于被磨损。根据优化改进要求，选择了奥氏体耐热、耐磨合金铸钢管（材质ZG40Cr24 Ni9Si2 NRe，规格有Ф273×16mm和Ф325×16mm两种）；焊接材料选择铬、镍含量略高于母材的A302或A307奥氏体焊条，并按奥氏体材料的焊接工艺进行焊接，但焊接后发现部分焊缝中或热影响区有裂纹产生，这样给焊接带来了困难。所以，需分析研究选择合适的焊接材料和制定合理的工艺措施，来保证奥氏体中碳合金铸钢管的焊接质量和性能要求。

2 焊接性分析

（1）奥氏体耐热、耐磨合金铸钢ZG40Cr24Ni9Si2NRe的主要化学成分和机械性能表1和表2所示，其金相组织为奥氏体+少量碳化物+少量铁素体（铁素体含量小于5%），碳化物在高温状态下增加了耐磨性。钢中加有少量的N可提高热强性，添加稀土Re可起到提高高温抗氧化性以及脱氧和改善组织的作用。（2）焊缝中易产生热裂纹。由于ZG40Cr24 Ni9Si2NRe钢含碳量及合金元素含量较高，焊缝凝固结晶时，固-液相温度区间大，结晶偏析倾向严重，焊接时易产生结晶裂纹，具有较大的热裂纹敏感性，由于碳、锰含量较高，因此热裂纹倾向较大。（3）热影响区易产生冷裂纹。因ZG 40Cr24Ni9Si2NRe中碳高合金铸钢的淬透性好，在快速冷却时，焊接热影响区容易出现硬脆的马氏体组织，增大了焊接接头的冷裂纹倾向。母材含碳量越高，淬硬性越大，而奥氏体转变为马氏体的起始温度Ms点又较低，在低温下形成的马氏体难以产生自回火效应。由于在马氏体中碳含量较高过饱和，硬度和脆性更大，冷裂纹敏感性也更突出。（4）由于ZG40Cr24Ni9Si2NRe钢的线膨胀系数是碳素钢的1.6倍，体积收缩率和线收缩率较大，在焊接热循环过程中会产生较大的应力。另由于熔化焊的熔合比不易控制，如果选择的焊接材料与母材的线膨胀系数的差异大时，产生的应力会叠加形成更大的应力，易使焊缝和热影响区开裂。（5）晶间腐蚀是铬镍奥氏体型钢焊接时的主要问题。产生晶间腐蚀的敏化温度区为加热温度在450℃～850℃范围，在此温度区内停留时间过长，就易产生晶间腐蚀。虽然ZG40Cr24Ni 9Si2NRe钢中添加有稀土合金铼，能起到一定改善和稳定组织的作用，但在敏化温度区停留时间过长也易产生晶间腐蚀。

所以焊接ZG40Cr24Ni9Si2NRe钢焊接接头既要防止热裂纹和冷裂纹产生，还要防止产生晶间腐蚀。工艺上要严格控制热输入量的大小，冷却速度不宜过快或过慢，选择的焊接材料物理、化学性能应满足要求等，须通过多方面综合考虑来研究制定焊接工艺和措施。

3 焊接材料选择

针对ZG40Cr24Ni9Si2NRe钢的焊接，选择了强度和化学成分都相匹配的A102SiN奥氏体不锈钢焊条，它具有良好的操作性能，熔敷金属在1150℃具有良好的力学性能及耐腐蚀性能，并获得非凡的工艺性能和物理性能。A102SiN焊条熔敷金属的化学成分和机械性能表3、表4所示。

4 焊接工艺及措施

4.1 焊前准备

（1）准备直流焊接电源和一把带圆头的小锤（重0.5Kg，圆头直径R=5mm）。（2）焊前在待焊焊缝的周围300mm范围内进行低温预热。用氧-乙炔焰均匀预热到80℃～100℃，以控制焊接过程中焊缝和热影响区的冷却速度不宜过快。

4.2 焊接要点

（1）采取直流反极性，短弧焊。选择Φ3.2mm焊条，焊接电流控制在110～125A范围内；焊接速度等控制在13～20 cm/min，以控制热输入量不宜过大或过小。焊接工艺参数表5所示。（2）由于所焊接的管径较大、较厚，焊接时宜采取分散对称焊接，可使应力分布较均匀防止产生应力集中，以防出现裂纹。（3）焊接过程采取多层多道焊。每焊完一根焊条后立即用带有圆头的小锤在焊道表面进行敲击，先锤击焊道中间再锤击焊道两侧熔合处，达到布满麻点为止，使焊缝产生部分塑性变形来抵消焊缝的部分收缩变形，消除焊缝部分应力。（4）待焊道及周围的温度空冷降至预热温度范围时再焊下一根焊条。多道焊的后一焊道应压住前一焊道的1/3，以使焊层表面平展。注意每焊道间的接头处应错开20mm左右，收弧时填满弧坑；焊道与母材的结合部位应熔合良好，并与母材圆滑过渡。

5 焊后检验

（1）焊接完成后外观检查焊缝表面无气孔、夹渣、裂纹、咬边等缺陷，焊缝余高均小于4.0mm范围内，焊缝与母材熔合部位过渡较圆滑，符合外观标准要求。（2）焊缝经Ⅹ射线探伤均在Ⅱ级以上标准，未发现有内部裂纹缺陷，检验合格。

6 结语

（1）奧氏体中碳合金铸钢焊接工艺上，采取低温预热和控制热输入量的措施，对防止焊接接头产生裂纹和晶间腐蚀的问题效果好。（2）ZG40Cr24Ni9Si2NRe钢管道安装焊接后，现已使用近一年时间，未发现焊接接头处有裂纹和磨穿现象，耐磨效果十分明显，即使有轻微振动，焊缝也没有出现疲劳、断裂现象，确保了奥氏体中碳合金铸钢管焊接接头的使用性能和要求。

参考文献

[1]中国机械工程学会焊接学会编.焊接手册（第二卷.材料的焊接）[M].北京：机械工业出版社，2001.

[2]中国特钢企业协会不锈钢分会编.不锈钢实用手册[M].北京：中国科学技术出版社，2003.

[3]吴燕生.焊接冶金学及金属材料焊接[M].辽宁：大连理工大学出版社，2010.

[4]冯剑，金宁宁，徐杰，滕国荣.稀土耐磨合金管道焊接工艺[J].现代焊接，2012，（6）：55.