06Cr19Ni10不锈钢的焊接性分析

贾文强

【摘要】06Cr19Ni10属于Cr- Ni型奥氏体不锈钢，其组织为奥氏体（A）+3-5%铁素体（F），

其具有良好的耐腐蚀性、耐高温性、抗氧化性和优良的力学性能；广泛应用于石油、化工、

医疗、航空及核能等工业部门，在此通过对06Cr19Ni10钢的焊接性能分析研究，特提出合

适的焊接工艺。

【關键词】焊接性；焊接热裂纹；焊接工艺；热输入及层间温度

1. 06Cr19Ni10钢的焊接性分析

06Cr19Ni10奥氏体型不锈钢具有面心立方晶格结构，在任何温度下都不会发生相变，对氢脆不敏感，在焊态下其焊接接头也具有良好的塑性和韧性。焊接的主要问题是焊接热裂纹、脆化、晶间腐蚀和应力腐蚀等。此外，因06Cr19Ni10的导热性能差，线膨胀系数大，为此焊接应力和变形较大。

1.1焊接热裂纹

06Cr19Ni10奥氏体型不锈钢较一般结构钢易产生焊接热裂纹，其中以焊缝的结晶裂纹为主，有时在近缝区或多层焊的层间也可能产生液化裂纹。

焊缝的金相组织、化学成分和焊接应力是导致06Cr19Ni10焊接接头产生热裂纹的主要因素。

分析如下：

1.1.1焊缝金相组织的影响 06Cr19Ni10钢对热裂纹的敏感性主要取决于焊缝的金相组织。实践表明，与奥氏体内有少量铁素体的焊缝组织相比，单相奥氏体焊缝组织对热裂纹的表现更为敏感。

a.单相奥氏体的焊缝组织 单相奥氏体的含镍量较高，随着含镍量的增加，奥氏体的稳定化程度提高，对硫、磷、铅等杂质更为敏感，且与某些极限溶解度小的元素，如铝、硅、钛、铌等易形成低溶点共晶，使焊缝金属的实际凝固温度下降，从而增大了结晶温度区间；06Cr19Ni10钢的热导率小，线膨胀系数大，在焊接过程中易形成较大的焊接拉应力；单相奥氏体焊缝易形成方向性较强的粗大柱状晶组织，有利于上述有害元素和杂质的偏析，从而形成连续的晶间液态夹层；在熔池凝固过程中，06Cr19Ni10钢中开始产生拉伸应变的温度高于一般结构钢，且该温度随焊件厚度和焊接线能量的增大而提高，因而金属在脆性温度区积累的应变量增加；在上述各因素的综合影响下，单相奥氏体不锈钢焊接接头呈现出较大的热裂纹敏感性。

b.奥氏体加少量异相的焊缝组织 含镍量[w（Ni）<15%]的奥氏体不锈钢，合金化程度不高，若在焊缝中加入少量的铁素体（5%），则大大提高了焊缝的抗结晶裂纹能力。这是因为少量的铁素体相能阻止奥氏体晶粒的长大，细化并凝固亚晶组织，打乱枝晶的方向性，增加晶界和亚晶界的面积，使液态薄膜更为分散的分布在晶界和亚晶界上，且被铁素体相分割成不连续状，因而减弱了低熔点物质的有害作用，起到冶金净化作用。另外高温铁素体相比单相奥氏体相能固溶更多的杂质，因此减少了有害杂质在焊缝金属组织中的偏析，所以，为了提高低镍奥氏体钢焊缝的抗结晶裂纹性能，通常希望在焊缝内含有体积数为2%-8%的铁素体相。

对于含镍量[w（Ni）>15%]的奥氏体不锈钢则不宜采用双相焊缝来防止结晶裂纹。因为，这类钢含镍量较高，具有稳定的奥氏体组织，要获得铁素体相必须加入较多的铁素体化元素或减少镍含量，这样将造成焊缝与母材的化学成分有很大差异，导致性能与母材不一致，焊缝的塑性和韧性偏低；此外这类钢多属于长期在高温条件下工作的热稳定钢，若钢中有了足够防止结晶裂纹的铁素体相，则不能防止在高温长期工作的σ相析出脆化。所以，对高镍奥氏体不锈钢需要通过别的途径来获得双相组织来改善抗裂性能。

研究表明，使高镍奥氏体不锈钢为γ+C1或γ+B1的双相组织，既提高抗镍性能又不降低焊缝的高温性能。这里C1为一次碳化物，B1为一次硼化物。为了获得γ+C1的双相组织，可适当提高焊缝的含碳量和加入适量的碳化物形成元素铌，使形成NbC，并保持比例W（Nb）/W（C）=10，同时限制含硅量，使Nb/Si=4～8，就能较为有效地减少热裂纹的倾向。在焊缝中加入适量的硼，使之形成硼化物，也起到同样的效果。

1.1.2焊缝化学成分的影响 不锈钢中可能遇到的合金元素在单相奥氏体焊缝和双相焊缝中对结晶裂纹倾向的影响不完全相同。实践表明，对于低镍奥氏体钢焊缝，增加适量的铁素体化元素能显著提高其抗裂性；而增加奥氏体化元素的含量，则热裂纹倾向增大。对于高镍的单相奥氏体不锈钢焊缝，加入适量的Mn、Mo、W、N、V元素均可提高焊缝的抗裂性。

1.1.3焊接应力的影响 焊接应力是引起裂纹的力学因素。奥氏体钢的热导率小，而线膨胀系数大，在焊接热循环的作用下，焊缝在凝固过程就形成较大的焊接内应力，为热裂纹的产生创造了力学条件。

1.2焊接工艺

1.2.1焊接方法

由于06Cr19Ni10钢具有优良的焊接性，几乎所有熔焊方法和部分压焊方法都可以焊接。但从经济技术和实用性方面考虑，最好采用焊条电弧焊、惰性气体保护焊、埋弧焊和等离子弧焊等。

（1）焊条电弧焊 厚度在3mm以上的06Cr19Ni10钢仍以焊条电弧焊为主，因为焊条电弧焊热源集中，热影响区小，焊接变形较小，能适应各种位置和不同板厚的工艺要求；所用焊接设备简单，所用的焊条牌号和规格较多，且配套齐全。但是，焊条电弧焊对根部焊缝的清根要求较高，易产生气孔、夹渣等缺陷；合金元素过渡系数小，与氧亲和力强的元素，如钛、硼、铝等极易烧损。

（2）惰性气体保护焊 分为非熔化极惰性气体保护焊（TIG）和熔化极惰性气体保护焊（MIG）两种，是焊接06Cr19Ni10钢较为理想的焊接方法，由于热源较为集中，又有氩气的冷却作用，其焊接热影响区较窄，晶粒长大倾向小，焊缝致密且焊接缺陷少，故而焊后不需清根；可以实现全位置和机械化焊接。其缺点是焊接设备较复杂，一般须使用直流弧焊电源，成本较高。

TIG（GTAW）焊分为手工和机动焊两种，TIG焊常用于厚度在3mm以下的薄板焊接，在石油、化工行业各种压力容器和压力管道的奥氏体不锈钢管道的对接以及厚板焊缝的打底焊通常都采用这种焊接方法。

MIG焊有自动和半自动两种，对于厚度大于6mm的06Cr19Ni10钢熔滴过渡形式宜采用射流过渡，焊接位置只适用于平焊和横焊两种；薄板焊接宜采用短路过渡，可实现全位置焊接。

（3）埋弧焊 适用于中厚板的焊接，由于此焊接方法工艺参数稳定，焊缝外观成形好，焊缝组织均匀，因而接头的耐蚀性能高。但是埋弧焊的热输入（线能量）大，熔池体积大，冷却速度小，高温停留时间长，均能促进奥氏体钢合金元素的偏析和组织过热倾向，容易导致焊接热裂纹的的产生，另外焊缝表面也容易产生氧化。故而，一般不推荐用埋弧焊。

（4）等离子弧焊 是焊接厚度为12mm以下的06Cr19Ni10钢最为理想的方法。因为等离子弧加热能源集中，利用小孔效应技术可不开坡口，不加填充金属可实现单面焊一次成形，很适合卷制管纵缝的焊接。

1.3热输入及层间温度 06Cr19Ni10钢不能采用太大的焊接热输入（线能量），一般焊接所需的热输入比碳钢低20%～30%。焊接热输入过高会造成焊缝开裂、降低接头的腐蚀性能和力学性能、焊接变形严重。为此，06Cr19Ni10钢一般采用小电流，快速焊，短弧操作和多道焊为宜；焊后一般不进行热处理，为防止焊接热裂纹和铬碳化合物的析出，层间温度通常要求控制在150℃以下。

结束语

为保证焊接质量，通过对以上06Cr19Ni10钢的焊接性分析，在焊接的过程中加以预防和有效的控制，就会获得优质的焊接接头。

参考文献：

[1] 焊接技师手册

[2] NB/T47015-2011