保护气氛对06Cr19Ni10钢焊接接头组织和力学性能的影响

魏小华

（衢州职业技术学院，浙江衢州324000）

保护气氛对06Cr19Ni10钢焊接接头组织和力学性能的影响

魏小华

（衢州职业技术学院，浙江衢州324000）

通过富氩气体保护焊方法，采用φ1.2 mm的HCr20Ni10Mn7Mo的奥氏体不锈钢实芯焊丝匹配不同组成保护气体，对12 mm厚压力容器用06Cr19Ni10钢板进行对接焊，研究气体组成对接头成形性能、力学性能及耐晶间腐蚀性能的影响。结果表明，保护气体组成对电弧稳定性和焊缝外观影响不明显，随着保护气体中氧含量的减少，焊缝堆积宽度略有增加，焊缝表面的焊渣明显减少。焊接富氩保护气体中的氧含量对于焊缝熔宽及余高影响不明显，但随着氧含量减少，熔深明显减小。保护气体为φ（O）28%+φ（Ar）92%和φ（O）22%+φ（Ar）98%时所得的焊接接头具有良好的综合力学性能，而保护气体为φ（O）25%+φ（Ar）95%时接头强度能够满足要求，但弯曲性能不达标。保护气体为φ（O）28%+φ（Ar）92%和φ（O）25%+φ（Ar）95%时所得的焊接接头耐晶间腐蚀性能均不合格，保护气体为φ（O2）2%+φ（Ar）98%时接头耐腐蚀性能能够满足要求。

06Cr19Ni10钢；保护气体；力学性能；晶间腐蚀

0 前言

随着我国经济的不断发展，对天然气等能源的消费需求越来越大。液化天然气是一种能方便地储存和运输的清洁能源，但天然气液化后存储温度很低，因此对存储和运输的压力容器提出了更高的要求，随着存储容量的提高和存储温度的进一步降低，也对低温压力容器用钢提出了苛刻的要求[1]。06Cr19Ni10钢是一种国产奥氏体不锈钢，对应的美国ASME标准牌号为S30408，在GB24511-2009《承压设备用不锈钢钢板及钢带》中牌号为06Cr19Ni10，因其优良的耐腐蚀性能和冷热加工成型性能，以及良好的低温力学性能和焊接性能，被广泛用于低温压力容器的制造[2-3]。西安轨道交通装备有限责任公司采用6 mm厚国产06Cr19Ni10钢，运用埋弧焊方法成功试制了液化天然气-162℃低温液体汽车运输半挂罐车内壁罐[4]。由于压力容器要承受内部压力作用，具有封头、壳体、接管等复杂结构，为保证容器的密封性和整体性能，一般必须通过焊接工艺来组装完成，而获得性能优良的焊接接头是充分发挥06Cr19Ni10钢优异性能的关键[5]。通常该类奥氏体不锈钢采用富氩气体保护焊的方法进行焊接，同时为了改善熔池流动性，提高焊缝成形性能，在保护气体中加入少量活性气体，由于焊缝晶间腐蚀是奥氏体不锈钢焊接的一个重要问题，因此为避免增碳而造成晶间腐蚀，一般不使用CO2，而加入少量的O2[6]。本研究采用富氩气体保护焊的方法，设计了不同氧含量的富氩混合气体，分析气体组成对接头成形性能、力学性能及耐晶间腐蚀性能的影响，为06Cr19Ni10钢焊接保护气体的选用提供参考。

1 试验材料及方法

试验母材采用国产06Cr19Ni10奥氏体不锈钢板，板厚12 mm，钢板供货状态为热轧，显微组织为奥氏体+少量铁素体，化学成分见表1。

表1 06Cr19Ni10化学成分Tab.1 Chemical composition of test material %

如图1所示，焊接试板坡口形式为双面V型坡口，坡口角度60°，中间留钝边1 mm。焊接材料选用牌号为HCr20Ni10Mn7Mo的奥氏体不锈钢实芯焊丝，焊丝直径1.2 mm，该焊丝具有较高的锰含量，因此具有较低的热裂纹倾向。选用不同氧含量的富Ar混合气体作为保护气进行焊接，气体流量16 L/min，焊前不预热，焊后不进行热处理，具体焊接工艺参数如表2所示。

观察三种气体组成的焊接试板焊缝成形及接头形貌，并根据GB/T2650-2008要求对接焊试板进行取样并制成标准试样，利用微机控制电液伺服万能试验机检测焊接接头的拉伸性能。检测焊缝的耐晶间腐蚀性能，并对焊缝金属中Cr、Ni、C等合金元素进行化学分析。

图1 06Cr19Ni10钢气体保护焊坡口示意Fig.1 Groove of the 06Cr19Ni10 steel for MIG welding

表2 06Cr19Ni10钢气保焊工艺参数Tab.2 MIG welding parameters of 06Cr19Ni10 steel

2 试验结果及分析

2.1 保护气体组成对焊缝成形的影响

分析1#、2#、3#三种不同组成保护气氛的堆焊接头焊缝成形，如图2所示。在纯氩气中加入少量的氧气有利于获得稳定的焊接电弧和良好的焊缝成形，三条焊缝成形均匀，大颗粒飞溅较少，氧含量的变化对电弧稳定性和焊缝外观影响不明显，但随着保护气体中氧含量的减少，焊缝堆积宽度略有增加，焊缝表面的焊渣明显减少。

观察1#、2#、3#三种不同组成保护气的堆焊接头横断面形貌，如图3所示，并测量焊缝横断面焊缝形状尺寸，如图4所示。可以看出，1#、2#焊缝的断面形貌基本相同，即随着保护气体中氧含量从8%减少到5%，对焊缝熔宽、熔深及余高影响不大，其中熔深仅减少了约0.3 mm，几乎没有影响；而随着保护气体中氧含量进一步减少到2%时，熔宽几乎不变，但熔深明显减小，较1#和2#的熔深约减小了一半，堆积高度增加了约0.4 mm。发生这种现象的原因是当保护气体中氧含量约为5%时，混合气体的电离能明显降低，电弧区域的能量中用于保护气体电离作用的消耗减少，因而实际对工件的加热能量较氧含量为2%时增加，相当于电弧加热效率提高，从而在熔宽和余高较2%氧含量时几乎不变的情况下，熔深明显增加；而进一步增加氧含量到8%时，焊缝成形则无明显变化，这是因为继续增加氧含量时，熔池区域的氧原子极易与合金元素反应生成化合物，因而增加了氧的消耗，从而使混合气体中有效的氧含量降低，因此实际混合气体的电离能并没有继续降低，电弧对工件的加热效率几乎不受影响，从而几乎不影响焊缝成形，说明氧含量在5%左右时是临界阈值，继续增加氧含量对混合气体电离能的影响较小。也有研究指出，在氩气中添加适量氧化性气体还可以对热输入产生负面影响，有效减小电流对熔深的影响，从而防止焊接过程中的烧穿产生[7]。综上所述，焊接富氩保护气体中的氧含量对焊缝熔宽及余高影响不大，但对熔深有较大影响。

图2 不同保护气体组成的焊缝成形Fig.2 Weld forming with different shielding gas composition

图3 不同保护气体组成的焊缝横截面形貌Fig.3 Weld crosssection morphology with different shielding gas composition

2.2 保护气体组成对接头力学性能影响

检测1#、2#、3#三种不同组成保护气的对接焊接头拉伸和弯曲力学性能，拉伸及弯曲试验结果如图5及表3所示。可以看到三组试样拉伸强度均在660 MPa以上，能够满足06Cr19Ni10焊接接头强度要求，其中1#、2#试样断在焊缝，表明母材和热影响区的强度均高于焊缝金属，而3#试样断在热影响区，表明焊缝强度及母材强度均高于热影响区，即随着保护气体中氧含量减少，焊缝拉伸强度提高。弯曲试验结果表明下，在弯心直径为4倍板厚条件下，1#、3#试样180°弯曲没有出现任何裂纹，而2#试样则在焊缝处出现裂纹，表明1#、3#焊接接头具有良好的塑性储备，而2#焊接接头塑性不达标。综上所述，保护气体为φ（O2）8%+φ（Ar）92%和φ（O2）2%+φ（Ar）98%时所得的焊接接头具有良好的 综合力学性能，而保护气体为φ（O2）5%+φ（Ar）95%时接头强度能够满足要求，但塑性不达标。

图4 保护气体组成对焊缝形状尺寸的影响Fig.4 Effect of shielding gas composition on the weld shape and size

图5 拉伸及弯曲试样Fig.5 Tensile and bending test samples

表3 06Cr19Ni10钢焊接接头拉伸、弯曲性能Tab.3 Tensile and bending properties of the 06Cr19Ni10 steel weld metal

2.3 保护气体组成对焊缝腐蚀性能的影响

检测1#、2#、3#三种不同组成保护气的焊缝金属耐晶间腐蚀性能，并测定了焊缝中Cr、Ni、C三种元素的含量，结果如表4所示。由表4可知，1#、2#焊缝的耐晶间腐蚀性能均不合格，3#焊缝的耐晶间腐蚀性能符合要求。不锈钢之所以有较好的耐腐蚀性能与钢中Ni、Cr元素的加入有很大关系，其含量的多少直接关系到钢的耐蚀性，特别是Cr元素的含量对于耐晶间腐蚀性能更为重要，研究表明晶间腐蚀的发生就是因为Cr的碳化物晶界生成，造成晶界Cr含量的消耗，从而使晶界的Cr含量较晶内低，造成晶界较晶内更易发生腐蚀。从三组焊缝的检测结果来看，焊缝金属中的Cr、Ni元素含量相差很小，但C元素的含量则差别较大，随着保护气体中氧含量的减少，焊缝中C元素含量明显降低。由于常温下C在奥氏体中的溶解度较小，1#、2#焊缝中C元素含量较高，在Ni、Cr含量相近的条件下，C含量越高，在高温下与C发生反应生成M23C6等碳化物消耗了大量的Cr元素，因此这两组焊缝的晶间腐蚀性能不合格，而3#焊缝的C含量只有0.03%，基本能固溶于奥氏体中，仅少量的碳化物形成，因在3#焊缝中的Cr含量较1#、2#高，此表现出较好的耐晶间腐蚀性能。综上所述，保护气体为φ（O2）8%+φ（Ar）92%和φ（O2）5%+φ（Ar）95%时所得的焊接接头耐晶间腐蚀性能均不合格，而保护气体为φ（O2）2%+φ（Ar）98%时接头耐腐蚀性能能够满足要求。

表4 06Cr19Ni10钢焊缝金属合金元素含量及耐腐蚀性能Tab.4 Elements content and the corrosion resistance of 06Cr19Ni10 steel weld metal

3 结论

（1）保护气体组成中的氧含量对焊缝熔宽及余高影响不大，但对于熔深有较大影响，随着氧含量减少，熔深明显减小。（2）保护气体为φ（O2）8%+ φ（Ar）92%和φ（O2）2%+φ（Ar）98%时所得的焊接接头具有良好的综合力学性能，而保护气体为φ（O2）5%+φ（Ar）95%时接头强度能够满足要求，但塑性指标不达标。（3）随着保护气体中氧含量的减少，焊缝金属中的Cr、Ni元素含量几乎不受影响，但焊缝中C元素含量明显降低。（4）保护气体为φ（O）28%+ φ（Ar）92%和φ（O2）5%+φ（Ar）95%时所得的焊接接头耐晶间腐蚀性能均不合格，而保护气体为φ（O2）2%+φ（Ar）98%时接头耐腐蚀性能能够满足要求。

[1]颜丙锁，马红广，汪春标，等.LNG储罐中9Ni低温钢焊接[J].焊管，2013，36（2）：29-31.

[2]张文建.奥氏体不锈钢低温容器应变强化研究[D].广州：华南理工大学，2011.

[3] 于启湛，丁成钢，史春元.低温用钢的焊接[M].北京：机械工业出版社，2009.

[4] 李永军.06Cr19Ni10不锈钢低温容器埋弧焊焊接工艺评定[A].第四届数控机床与自动化技术高层论坛论文集[C].陕西：陕西省机械工程学会，2013.

[5]王立跃，王小平.06Cr19Ni10与Q345R焊条电弧焊焊接工艺[J].热加工工艺，2013，42（7）：189-190.

[6] 殷树言.气体保护焊工艺基础[M].北京：机械工艺出版社，2007.

[7]蒋俊.富氨气体保护焊在压力容器设备上的应用研究[D].南京：南京理工大学，2012.

Effect of shielding gas composition on the morphology and mechanical properties of welded joint for 06Cr19Ni10 steel

WEI Xiaohua
（Quzhou College of Technology，Quzhou 324000，China）

Through the rich argon shielding gas welding method，the φ1.2 mm austenitic stainless steel solid core welding wires HCr20Ni10Mn7Mo are used to match different shielding gases to weld the 06Cr19Ni10 steel plates for the 12 mm thickness pressure vessel，and the effect of gas composition on forming properties，mechanical properties and intergranular corrosion resistance of welded joints are studied in this paper.The results show that the shielding gas composition has little influence on the arc stability and weld appearance，as the oxygen content in shielding gas decreases，the weld width increases slightly，and the welding slag on weld surface reduces significantly.The oxygen content in rich argon shielding gas has little influence on the weld width and reinforcement，while the penetration depth decreases obviously as the oxygen content reduces.When the shielding gas is φ（O）28%+φ（Ar）92%or φ（O）22% +φ（Ar）98%，the welded joints obtain good comprehensive mechanical properties，and when the shielding gas is φ（O2）5%+φ（Ar）95%，the welded joints strength can satisfy，but the bending performance does not meet the requirements.When shielding gases is φ（O2）8% +φ（Ar）92%or φ（O2）5%+φ（Ar）95%，the welded joints intergranular corrosion properties are not qualified，and the joint corrosion performance can meet the requirements as the shielding gas is φ（O2）2%+φ（Ar）98%.

06Cr19Ni10 steel；shielding gas；mechanical properties；intergranular corrosion

TG407

：A

：1001-2303（2015）10-0150-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.34

2014-12-10

浙江省公益性技术应用研究计划项目（2011C21074）；衢州市科技局项目（2013Y016）；衢州市2014年度指导性科技项目（2014046）

魏小华（1978—），男，河南人，副教授，硕士，主要从事汽车运用技术及机械制造技术的研究。