奥氏体不锈钢换热管的焊接工艺分析与研究

  众所周知，不锈钢焊接时经常出现凝固裂纹和力学性能下降。浙江至德钢业有限公司针对不锈钢换热管与低合金管板的焊接，利用相组分图可以分析和预测焊缝金属的相组分，反映出焊缝金属对凝固裂纹的敏感性和力学性能的状况，再通过试验加以验证，从而制订了合理的焊接工艺，保证了产品焊接质量。奥氏体不锈钢与低合金钢间的焊接时，经常出现焊接冶金方面的问题，以凝固裂纹和力学性能下降为主。凝固裂纹主要是由于焊缝金属中的硫，磷等杂质形成的液态薄膜和焊缝凝固过程中受到拉伸应力共同作用的结果。凝固裂纹的敏感性主要取决于成分，当焊缝金属以FA模式凝固时，在凝固终了阶段同时出现铁素体F和奥氏体A，产生了凹凸不平的晶界，低熔点共晶形成的液态薄膜很难浸润这个边界。力学性能下降主要是由于填充金属被母材过度稀释，焊缝金属中产生硬脆的马氏体组织，造成焊接接头硬度提高而塑韧性降低。在空冷器的管束制造时，通常使用GTAW填充焊丝密封焊＋强度胀接，以保证换热管管板角接头的密封性。我国有些工厂采用了GTAW无填充焊丝密封焊，确实能够提高作业效率，但是不能确保焊接质量。为验证这种焊接工艺的可行性，在此使用不锈钢相组分分析凝固裂纹敏感性和组织成分，同时进行模拟试验和检验，以验证分析结果。

一、母材及焊材性能分析

 1. 化学成分

 不锈钢换热管的材质为SA-213TP304不锈钢，低合金管板的材质为SA-516Gr.485钢，焊材的型号为ER309L。

 2. 力学性能

  在不锈钢换热管相关焊接中，通常比较注重焊接接头的耐腐蚀性，力学性能并不是最重要的要求。一般地，通过拉伸试验验证焊接接头的抗拉强度不低于2种母材抗拉强度最低值中的较小值，通过弯曲试验验证焊接接头的塑性。

二、相组分图分析

  为使焊缝金属的裂纹敏感性和组织成分预测有充足的理论依据，选用Schaeffler相组分图进行分析。通过计算得出：TP304的（Ni）eq＝9.89，（Cr）eq＝18.72%；Gr.485的（Ni）eq＝7.0%，（Cr）eq＝0.56%；ER309L的（Ni）eq＝14.85%，（Cr）eq＝24.12%。填充焊丝时，两侧母材各熔入一半，而填充金属的稀释率约为25％；不填充焊丝时，TP304不锈钢熔入约75％，Gr.485钢熔入约25％。如图1所示，两侧母材连接实线，填充金属与母材中心连接虚线，可得出：填充焊丝时，焊缝金属为约含有5％铁素体的奥氏体组织，其具有良好的抗凝固裂纹能力；无填充焊丝时，焊缝金属将必然存在马氏体组织，假如稀释率提高时将为全马氏体组织，而马氏体为硬脆的组织。

三、结果分析

 1. 焊材的影响

  对比有填充焊丝和无填充焊丝的检验结果，前者焊缝金属的硬度较低而后者很高。这验证了无填充焊丝的焊缝金属存在着大量硬脆的马氏体组织，这与图中Schaeffler相组分图的预测组织成分一致。

 2. 稀释率的影响

 在填充焊丝的焊接接头，Gr.485钢侧的HAZ也存在硬度较高的点，这是由于熔合区的稀释率较高而造成的硬脆组织。焊接工艺参数对填充金属的稀释率有重要影响，当热输入较大而一侧母材熔入过多时，即会造成焊缝组织（图中的圆点）在母材与焊材连线上的位置变化。

 3. 应力的影响

 在无填充焊丝的焊接接头，仅焊接时并没有出现开裂的情况，但是在胀接后就出现了大量开裂。这是由于胀接作业提高了焊接接头部位的应力，而马氏体组织是塑性很差的硬脆组织。

 4. 焊接检验的影响

  在对比试验中，有无填充焊丝的焊缝若不经过胀接作业，皆能够通过无损检测。在焊接检验时，通常较重视无损检测，而忽略微观组织分析和力学性能检查，但后者却往往又是焊接结构质量的关键。由于焊后仅通过无损检测并无法确定其组织和性能，故应加强对焊接过程的质量控制。

四、结论

 在不锈钢换热管相关的焊接工艺分析和制订时，相组分图是可以有效利用的辅助工具。经分析和试验验证：在奥氏体不锈钢换热管与低合金钢管板焊接时，使用不填丝的焊接工艺不能保证焊缝质量；采用填丝焊的焊接工艺时也应控制低合金钢熔入量以保证焊缝质量。