低合金铸钢件与奥氏体不锈钢结构件组焊研究及应用

陈得润，李成志，王龙虎，田定琪，郭 宁，周 龙

（共享铸钢有限公司，宁夏银川 750021）

0 引言

随着时代的发展，特别是在“一带一路”倡议下，对机械制造、高端大型设备等行业提出了更高的要求，同时对于金属材料成型技术来讲，也迎来了新的挑战。中国核电首台出口某国家的核电机组配套核电外缸铸件缸体材料为低合金钢，材质为ZG17Cr2Mo1，铸件轮廓尺寸7483mm×4970mm×2560mm，铸件毛重76t。设计人员考虑到该国安装地常年热带潮湿多雨的实际情况，在低合金缸体端设计可满足使用工况性能要求的奥氏体不锈钢结构件作为过渡段，以满足和达到后续在电厂工地现场组装焊缝具有良好的现场安装的可焊性及可操作性。文章通过对奥氏体耐热钢与低合金耐热钢的焊接工艺分析探究，经实际生产应用焊接接头达到标准要求。

本文涉及在大型铸钢件低合金材料上焊接奥氏体不锈钢结构件的焊接工艺研究，其中汽轮机缸体铸件本身的材料为ZG17Cr2Mo1 材料，而其缸体管子一端拟组焊的结构件材料为06Cr19Ni10，其中ZG17Cr2Mo1 为贝氏体组织材料，贝氏体组织是钢中过冷奥氏体的中温(Ms～550℃) 转变产物,α-Fe 和Fe3C 的复相组织，导热性好、熔点高，属于铁磁性材料，线膨胀系数较大，密度大，而06Cr19Ni10 为奥氏体组织材料，无磁性材料，与贝氏体相比，奥氏体的密度小且导热性差，熔点低，线膨胀系数大，比铁素体和渗碳体的平均线性膨胀系数高约一倍。

1 焊接接头的焊接性分析

1.1 汽轮机缸体低合金钢材料

汽轮机缸体铸件材料为ZG17Cr2Mo1，属于低合金耐热钢材料，其化学成分及力学性能见表1和表2。

表1 ZG17Cr2Mo1 化学成分 w/%

表2 ZG17Cr2Mo1 机械性能

1.2 奥氏体不锈钢结构件材料

奥氏体不锈钢结构件材料为06Cr19Ni10，其化学成分及力学性能见表3 和表4。

表3 06Cr19Ni10 化学成分 w/%

表4 06Cr19Ni10 机械性能

1.3 焊接接头分析

1.3.1 热裂纹的产生

奥氏体与低合金CrMo 材料组焊时，由于两种材料线膨胀系数、热导率等差异大，焊缝熔敷金属在凝固结晶过程中，一些低熔点杂质元素聚集在晶界上，由于焊接局部加热和冷却变化较大，因此在焊缝及热影响区在高温承受较大的拉伸引力时有可能产生热裂纹。

1.3.2 过渡区软化和硬化

焊接异种钢时，由于熔合线两侧材料成分差异较大，加热过程中碳元素扩散迁移明显，在靠近低合金侧出现脱碳层而软化，相反在奥氏体焊缝侧增碳，形成增碳层而硬化，降低接头高温持久强度和塑性。

1.3.3 焊接应力与焊接变形

由于两种材料成分组织及物理性能存在明显区别，不同阶段温度的变化对线膨胀系数不一致的母材及焊缝会产生热应力。因此在焊接时，受到迅速冷却和加热，必然产生很大的热应力和变形。

2 实施的工艺参数设计

2.1 工艺用焊接材料

对于奥氏体钢与珠光体等低合金钢材料的异种材料的选材原则，在保证焊接接头使用的条件下，考虑碳迁移对焊缝成分的影响及焊接接头区不产生冷、热裂纹的情况下，焊材宜选用Ni-Cr-Fe 的填充金属进行填充焊接。本结构件设计采用规格为ø2.4mm、型号为ERNiCr-3 氩弧焊打底，焊材ø3.2mm、型号为ENiCrFe-3 焊材填充的方案进行焊接操作。

2.2 焊前预热温度的确定

缸体一端材料ZG17Cr2Mo1，是通过Cr、Mo元素固溶强化的耐热钢，碳当量约为1.02～1.1，空冷状态下为贝氏体+部分马氏体材料，具有较强的淬硬倾向，因此为防止产生焊接冷裂纹，焊接过程中需要较高的预热温度。

接管材料为06Cr19Ni10，属于奥氏体不锈钢，由于奥氏体材料热膨胀系数大，热导率小，具有较高的热裂纹敏感性，在焊缝和热影响区都有可能产生热裂纹，因此奥氏体接管在焊接过程中需要严格控制层间温度，以降低高温时柱状晶组织长大，一般要控制在100℃以下。

针对以上差异，设计预热工艺参数如下：低合金钢铸件ZG17Cr2Mo1 坡口一侧：预热温度＞170℃；奥氏体0Cr18Ni10 结构件坡口一侧：预热温度控制在60～100℃。

3 接管组焊工艺、流程及技术措施

本文提供一种低合金钢材料与奥氏体不锈钢材料的焊接方法,具体工艺控制路线方案如下。

3.1 结构件对接

在三维划线平台通过划线方式将奥氏体结构件与低合金铸件对接并在坡口焊缝周边点焊牢固。点固前将坡口焊缝均匀划分6～8 等分，然后在划分区域交接部位两人同时使用ERNiCr-3 氩弧焊焊丝，对称焊接，焊接时焊缝长度40～60mm。

3.2 预热

根据确定好的预热温度在距离低合金钢铸件内侧距离管口端面一侧200mm 部位架设半圆形预热管，且预热管火焰方向偏向铸件一侧，且与待焊接面呈30°～45°角，防止天然气火焰直接加热奥氏体接管，仅通过热传导方式将铸件一侧预热，并使低合金铸件坡口靠近铸件一侧温度达到170～180℃。同时在奥氏体结构件坡口一侧外采用潮湿的棉布遮盖，遮盖厚度大于6mm，实时监控奥氏体接管一侧温度，并根据接管侧温度间歇性在棉布上喷水降温以达到控制层间温度的目的。

3.3 打底焊焊接

打底焊焊接时，要求两人分段对称打底焊，焊材仍选用ERNiCr-3 氩弧焊焊丝，直至打底焊焊接完成。

3.4 铸件位置调整

由于两种材料成分及组织差异大，焊接性完全不同，持续的热输入或不合理的预热方式都将影响焊缝及其两侧液态金属凝固速度，进而影响焊接质量，因此需要将铸件侧立调整，使坡口焊缝处于立焊位置。

3.5 填充盖面焊接

采用多层多道焊接顺序；焊材采用ENi-CrFe-3。焊接时从管子向上两人同时对称分道焊接。采用较小线能量焊接，即小电流低电压快速焊的焊接参数，每层焊接顺序及参数要求如下。

两人同时先焊接奥氏体结构件坡口一侧焊接过渡层，焊前在潮湿棉布一侧间歇式降温，确保奥氏体接管一侧温度低于100℃后立即同时用直径3.2mm 焊条在奥氏体接管一侧不摆动熔敷焊接，焊接工艺参数如下：电流：85A±5A，焊接速度＞130mm/min，层间温度＜100℃。然后在铸件坡口一侧焊接过渡层，焊接工艺参数如下：电流：95A±10A，焊接速度＞70mm/min，层间温度＜260℃。最后焊接中间，焊接工艺参数如下：电流：95A±15A，焊接速度＞70mm/min，层间温度＜160℃。

严格遵守“奥氏体接管一侧间歇降温，本体一侧高温预热后焊接”，即“铸件低合金接管一侧温度高奥氏体接管一侧温度低”的预热原则；确保焊接过程圆滑过渡，避免尖角存在。

3.6 焊后热处理

对于大型低合金铸钢件来说，由于大量的焊接易导致焊接残余应力发生，焊接完成后应进行焊后消应力处理。本方案涉及低合金钢与奥氏体不锈钢的结构件焊接，难点在于既要最大限度降低焊缝焊接应力，同时又要防止奥氏体材料在500～850℃加热时，将Cr 从固溶体中以碳化Cr 的形式析出，造成奥氏体不锈钢的晶界腐蚀敏感性增大，即产生高温敏华现象，低合金钢与奥氏体不锈钢的结构件坡口焊缝焊接完成后应进行300～400℃保温3～5h 低温消应力处理。

3.7 无损检测

采用以上工艺方案对低合金铸钢件与奥氏体接管十二道坡口焊缝进行焊接后，分别参照检测规范对坡口进行了渗透及射线探伤，根据相应标准对焊接区域进行缺陷评级，全部焊缝均Ⅰ级合格，低合金铸钢件与奥氏体接管一次焊接成功率达到100%。

4 结束语

本文通过对比分析奥氏体不锈钢与低合金铸钢材料之间因导热性和熔点差异大、膨胀系数差异明显等焊接性差异大且在复杂条件下的异种钢结构焊焊接件组合焊接方法，克服现有技术的不足，创造性提出了从焊接材料的选用、焊接位置、同一焊缝两侧不同预热温度等关键控制方案。在不影响低合金钢淬硬基础上间歇性提高奥氏体接管一侧焊接冷却速度，有效降低两种材料焊接的差异性从而减少缺陷产生的几率，操作工艺简单。可操作性强。实际生产中，一次焊补合格率可达98%以上，返修质量提升90%以上，更降低了奥氏体结构件变形导致报废风险，缩短生产周期，确保铸件满足生产需求。证实了该工艺方案措施是有效的，并具有较好的可行性，这为今后低合金铸钢件异种钢结构件焊接提供了很好的借鉴作用。