厚板奥氏体不锈钢焊接技术研究现状

李海新 张琳琳 张 婧 杜永鹏 杨振林 殷子强

(山东省科学院海洋仪器仪表研究所 山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东 青岛 266001)



厚板奥氏体不锈钢焊接技术研究现状

李海新 张琳琳 张 婧 杜永鹏 杨振林 殷子强

(山东省科学院海洋仪器仪表研究所 山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东 青岛 266001)

随着厚板奥氏体不锈钢应用的日益广泛，厚板奥氏体不锈钢焊接技术受到越来越多的关注。结合厚板奥氏体不锈钢的焊接性，对厚板奥氏体不锈钢焊接技术的研究成果及发展现状进行了详细分析，重点介绍了常规电弧焊、埋弧焊、窄间隙焊、电子束焊接和激光焊在焊接厚板奥氏体不锈钢时的研究情况，包括焊接工艺制定、焊材选择、焊接参数选取及焊接质量评价等，并提出了目前厚板奥氏体不锈钢焊接存在的问题及今后的发展方向，对厚板奥氏体不锈钢焊接技术的未来发展具有重要意义。

奥氏体不锈钢 厚板 焊接

0 序 言

奥氏体不锈钢由于具有优良的高温热强性、抗高温氧化性以及良好的耐腐蚀性能，在石油化工设备、压力容器、机械设备、核电工业等领域得到广泛应用。在实际工程应用中，奥氏体不锈钢结构件主要通过焊接成型，因此其焊接质量一直备受关注。随着现代化工业的迅速发展，对奥氏体不锈钢焊接结构的承受载荷能力、工作强度和使用寿命要求越来越高，因此许多结构部件需要使用大厚度奥氏体不锈钢板，且对其焊接接头质量提出了更高的要求。针对以上问题，文中对厚板奥氏体不锈钢的焊接性进行分析，对其焊接技术研究现状进行概括和总结，并提出厚板奥氏体不锈钢焊接存在的问题，对其未来研究方向的确定和更广泛应用的获得具有重要意义。

1 奥氏体不锈钢焊接性能分析

奥氏体不锈钢具有良好的焊接性能， 但焊接时仍然存在焊接热裂纹、脆化、晶间腐蚀和应力腐蚀等问题，且由于奥氏体不锈钢导热性差(其热导率约为碳钢的1/3)，线膨胀系数大(比碳钢大50%)，导致焊接应力和焊接变形大，给厚板奥氏体不锈钢的焊接带来很大困难。经验表明，厚板奥氏体不锈钢的焊接主要有以下几个方面的问题[1]：①板材厚度大，其焊接接头拘束度大，导致焊后接头中有较大焊接残余应力产生，进而发展为焊接裂纹；②由于奥氏体存在柱状晶方向性强的特点， S，P等杂质容易偏析，且容易发生晶格的聚集，导致焊接时易产生焊接裂纹；③在对厚板奥氏体不锈钢进行多层焊焊接时，碳化铬在500～800 ℃温度范围内沿晶界析出，形成贫铬区，极易产生热裂纹。

因此，为了确保厚板奥氏体不锈钢的焊接质量，必需采取合理的焊接工艺，严格按照焊接规范施焊。目前厚板奥氏体不锈钢的焊接主要采用焊条电弧焊、钨极氩弧焊、埋弧焊、窄间隙焊、电子束焊接和激光焊等。

2 奥氏体不锈钢焊接技术研究现状

2.1 常规电弧焊

这里所说的常规电弧焊主要指焊条电弧焊、钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊。焊条电弧焊是国内用于奥氏体不锈钢焊接的主要方法，其焊接时应根据母材的化学成分选择焊条，所选择奥氏体不锈钢焊条的化学成分类型应与母材相同，焊条中的铬镍含量不低于母材，含碳量不高于母材。焊条电弧焊属于手工焊接，焊接效率低、劳动强度大，且受干扰因素较多，焊接质量难以保证。钨极氩弧焊用于焊接奥氏体不锈钢时，适用于8 mm厚度以下的板结构，特别适用于厚度为3 mm以下的薄板，焊接厚件时，一般用作打底焊，对于管子的焊接直径一般要求为60 mm以下。熔化极气体保护焊可以用于厚板的焊接，但用其焊接奥氏体不锈钢板时，焊缝窄而高，焊缝成形差，因此应用少。

Tabatabaeipour等人[2]采用焊条电弧焊和气体保护钨极氩弧焊对25 mm厚度316L不锈钢进行了焊接，坡口角度60°，钝边2 mm，并对两种方法所得焊缝组织进行了对比，发现焊缝组织均为柱状晶组织，且晶粒垂直于焊缝熔合线生长。通过超声检测发现，与钨极氩弧焊焊接接头相比，焊条电弧焊焊接接头中更易出现焊接缺陷。

中国石油大学的孙晓娜等人[3]采用焊条电弧焊对板厚为60 mm的SUS304奥氏体不锈钢板进行了多层焊接，坡口形式为双U形坡口，正反面交替施焊，可以防止焊接时工件发生严重变形，由于多道焊的反复加热，厚板奥氏体不锈钢焊缝的组织由粗大等轴的柱状晶奥氏体以及沿柱状晶分布的δ铁素体组成。

冷小冰等人[4]对厚度为8 mm的304不锈钢管进行焊接试验，试验采用平位置焊接，焊件之间不留间隙、不开坡口，使用不锈钢活性焊接可以一次焊透，并能实现单面焊双面成形，突破了传统管道焊接的焊接工艺，具有高效率、低耗材和低成本的特点。

周桂芬[5]采用氩弧焊打底，焊条电弧焊盖面方法实现了大径厚壁奥氏体不锈钢管道的焊接，采用的焊接材料为ER308L焊丝和E308L-15焊条。氩弧焊打底需焊接三层，为了保证焊接质量，进行第一层焊条电弧焊时需要充氩气保护。焊接时需严格控制层间和道间温度，使之低于80 ℃。焊后采用无损检验及力学性能测试，得出所制定的焊接工艺合理、可行。

宝钛集团[6]对直径为φ133 mm，厚度为11 mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢厚壁管进行全位置焊接，焊接工艺为：手工钨极氩弧焊打底，MAG焊填充及盖面，MAG焊采用(CO2+Ar)混合气体保护，采用立向上的水平固定全位置焊接。焊接材料分别为直径2.5 mm和1.0 mm的308L焊丝。焊后进行外观检验、无损检验及性能检验，焊接效果和焊接质量均良好，且焊接效率较高，焊接质量显著优于焊条电弧焊。

2.2 埋弧焊

埋弧焊时电弧在焊剂层下燃烧，因此其焊接质量稳定，同时还具有成形美观、焊接效率高等优点。但埋弧焊热输入量大，焊接熔池体积较大，焊后冷却速度慢，合金元素及杂质易发生偏析，且由于奥氏体不锈钢导热性差，热膨胀系数大，在埋弧焊局部加热条件下焊接接头会受到拉应力作用，导致焊缝中产生热裂纹。埋弧焊焊接奥氏体不锈钢适用于中厚板，有规则的长直缝和直径较大的环缝，且相同焊缝数量多，还只限于平焊位置。埋弧焊焊接奥氏体不锈钢焊接材料的选用，要求焊丝中碳的质量分数不得高于母材，铬镍含量比母材高。

贾欣等人[7]采用埋弧焊工艺对55 mm厚304不锈钢板进行焊接，试验选用ER308L焊丝和SJ601焊剂， 所获得焊缝与母材结合良好，焊缝中无晶间腐蚀倾向和裂纹等缺陷产生，通过焊后微观组织分析发现焊缝中没有严重的晶粒粗化现象，通过焊接工艺评定得出，各项性能均符合相关要求。

黄磊等人[8]采用自动埋弧焊技术对大庆甲醇厂改造工程中入塔器预热器壳体所采用的0Cr18Ni9奥氏体不锈钢厚板进行了焊接，壳体厚度为32 mm，具体焊接方法是：焊剂垫埋弧自动焊焊接内坡口，悬空焊埋弧自动焊焊接外坡口。自动焊焊材采用H0Cr21Ni10(焊丝)+HJ260(焊剂)，焊后经无损检测，所用环、纵焊缝均100%合格，完全符合质量要求。

2.3 窄间隙焊接技术

窄间隙焊接(narrow-gap welding，NGW)技术是美国巴特尔研究所提出的一种弧焊方法，与其他的弧焊技术相比，此方法具有无可比拟的优越性，此方法主要采用U形或I形坡口，焊缝截面积大幅减小，需要的焊缝填充材料较少，可以大大提高焊接效率，此外焊接线能量小，能很好的改善组织和力学性能。因此，NGW技术是厚板焊接的理想选择。高效率和高质量的NGW技术在奥氏体不锈钢的焊接中已经得到应用，特别是有利于厚度超过20 mm的厚板焊接。对比焊条电弧焊，NGW技术可以实现高的焊接质量、短的焊接工期、可控制的焊接全过程等现代焊接。

核工业工程研究设计有限公司[9]采用NGW自动焊工艺对压水堆核电站主回路管道奥氏体不锈钢大口径厚壁管进行了焊接研究，并对焊接工艺进行评定，参照标准为RCC-M，通过评定得出焊接工艺符合标准要求。因此采用NGW自动焊工艺可行，且具有显著优势。

韩国科学技术学院[10]采用NGW技术对核工业用壁厚为76 mm的316L不锈钢管进行了焊接，所用焊接设备为钨极氩弧焊GTAW焊机，填充焊丝为0.9 mm直径的308L，通过对接头微观组织和疲劳裂纹扩展时焊接接头残余应力分布规律的研究，得出熔合区为典型的蜂窝树枝状结构，残余应力分析表明焊缝内部区域受最大拉应力，因此其疲劳裂纹扩展速度最快，焊缝中间区域受最大压应力。

近年来新兴起的超窄间隙焊接(ultra-narrow gap welding，UNGW)技术，采用I形坡口对接焊，与常规窄间隙焊接相比，所用间隙宽度更小，一般都在6 mm以下，且为单道多层焊，具有比常规NGW技术更小的焊接变形和残余应力，以及更加优良的焊接接头性能和更高的焊接效率，这对于改善奥氏体不锈钢厚壁工件接头的耐蚀性和力学性能具有独特的优势。

兰州交通大学[11]采用UNGW 对1Cr18Ni9Ti不锈钢进行了焊接，采用I形坡口，坡口间隙为5.5 mm。与常规弧焊方法相比，UNGW方法的热输入很低，可得到晶粒更加细小且奥氏体基体上分布板条状铁素体的焊缝组织，故1Cr18Ni9Ti不锈钢UNGW接头具有接近于母材的力学性能。此外由于低的热输入，还显著减小了接头HAZ处于敏化加热的时间，加快了熔池凝固速度，从而有效抑制了晶界处铬的碳化物析出。同时敏化加热时，晶粒内奥氏体与铁素体两相界面处Cr易实现均匀化，可减少奥氏体晶粒内形成贫Cr层。因此Cr18Ni9Ti不锈钢UNGW接头耐蚀性能优于母材。

2.4 电子束焊接

电子束焊接是在真空环境下焊接表面受到高速电子束的轰击，瞬时熔化、凝固形成焊接接头的焊接方法。采用该方法焊接时，具有深穿透特性，焊缝热影响区小，焊接接头的应力应变小，焊接质量高，是一种适合于厚板奥氏体不锈钢焊接的高效率焊接方法。

上海工程技术大学[12]采用电子束焊接技术对50 mm厚的304不锈钢板进行了焊接，得出焊接接头沿厚度方向存在显微组织和力学性能不均匀性，对焊接接头不同区域位置沿焊缝厚度方向上的冲击韧性和断裂韧性测试发现，焊缝的整体冲击韧性大于母材，沿着焊缝厚度方向，焊缝的冲击吸收能量呈下降趋势。焊缝区的断裂韧性值高于热影响区和母材区。沿焊缝厚度方向，焊缝区断裂韧性变化不大，而冲击韧性是沿着焊缝厚度方向减小。

Madgusudan[13]利用电子束焊接技术研究了AISI304奥氏体不锈钢焊接接头的微观组织和力学性能，得到焊缝边缘为柱状晶组织，焊缝中心区域为细小的等轴晶组织，且由于焊缝中心晶粒细化的作用，焊缝中心的硬度比母材的硬度高。

白彬等人[14]采用电子束焊接技术对316L奥氏体不锈钢进行了焊接，并对其焊缝抗氢脆性能进行了研究，发现高温气相充氢会导致电子束焊接接头抗氢脆性能明显下降。这是由于焊缝充氢后内部发生偏析，大量的碳化物在奥氏体晶界处析出，导致晶界处Ni含量降低，而Cr和Mo含量增加，焊缝塑形降低。

耿永亮等人[15]采用电子束焊接技术对30 mm厚0Cr18Ni10Ti奥氏体不锈钢进行焊接，在合适的工艺参数下得到焊接变形小、无内部缺陷、成形良好的接头。焊缝区组织为奥氏体和呈骨架铁素体，接头的硬度分布均匀，无明显弱化区域，焊缝的韧性与母材相比显著提高。

高福洋等人[16]针对16 mm厚奥氏体不锈钢开展了电子束焊接研究，结果表明，采用电子束熔透焊接和散焦盖面工艺，可以获得性能优异的焊接接头。

2.5 激光焊

激光焊所采用的焊接能源为聚集的激光束，因此能量密度高，焊接效率高，焊后应力应变小，具有较高的焊接质量，但由于受激光功率的限制，激光焊的焊接深度一般在10 mm以内[17]，因此对于大厚度的奥氏体不锈钢焊接通常采用高功率光纤激光器和激光-电弧复合焊接方法。

北京工业大学的张国伟等人[18]利用IPG公司YLS-6000光纤激光器及5 mm超窄间隙焊接了60 mm厚304不锈钢板，共焊接20层，焊缝宽度为3.8 mm左右，上下宽度基本一致。焊接接头成形良好，无气孔及侧壁未熔合等缺陷出现。通过焊缝的微观组织分析得出，热影响区晶粒并无明显长大，焊缝组织为柱状奥氏体与铁素体。硬度测试结果为热影响区硬度最高，焊缝与母材硬度相差不大。

龚宏伟等人[19]采用大功率光纤激光器对16 mm厚的304不锈钢进行了焊接，重点研究焊缝成形情况，所采用的激光功率为5～7 kW，焊接速度为10～100 mm/s，采用全覆盖参数试验，结果得出，当焊接速度为50～90 mm/s时，小孔和熔池均比较稳定，熔池金属无外溢情况发生。但当焊接参数超出上述范围时，小孔和熔池不稳定，焊缝成形存在缺陷，如咬边、焊缝隆起等，熔深也发生明显变化。

Kawahito等人[20]采用10 kW光纤激光束对厚度为20 mm的 304奥氏体不锈钢进行焊接，当焊接速度为5 mm/s时，焊接熔深较大为18 mm，但是会有较多缺陷产生，如气孔、驼峰、未填满等。当焊接速度为50 mm/s时，熔深减小为12 mm，在光斑中心处有气孔产生。

T.Jokinen等人[21]采用两种激光焊接技术对厚度为20 mm的304L不锈钢板进行了焊接研究，两种焊接技术分别为3 kW Nd:YAG激光窄间隙多层焊和激光-熔化极气体保护焊(GMAW)复合焊，并对两种激光焊接技术在热核聚变试验堆真空反应器制造中应用的可行性进行评价。

吴世凯等人[22]采用三种不同的激光焊接工艺实现了厚度为10 mm以上的不锈钢板的对接焊，采用的激光器为3.5 kW Slab及20 kW快轴流CO2激光器，三种焊接工艺分别为：万瓦级激光自熔焊、窄间隙激光填丝焊及激光-钨极氩弧(TIG)填丝复合焊。通过对焊后接头的微观组织及力学性能研究得出，焊后焊缝成形良好，无裂纹、气孔等缺陷生成，焊缝热影响区较窄，组织细小，具有良好的力学性能。

3 存在的问题及发展展望

(1)奥氏体不锈钢导热性差，焊接时接头中会产生很大的应力，导致极易产生变形，尤其是大厚板的焊接，因此焊接时选择合适焊接方法和焊接工艺的同时，合适的坡口形式可以有效防止其焊接变形，如X形或双U形坡口的双面交替焊接。

(2)窄间隙焊接是提高厚板奥氏体不锈钢焊接效率和焊接质量的有效方法，但窄间隙焊接时易存在侧壁熔合不良的问题，如果采用旋转电弧窄间隙焊接或磁控窄间隙焊接技术，则可以有效解决侧壁熔合问题。

(3)目前针对奥氏体不锈钢焊接方法和焊接工艺的研究较多，但对其焊接材料的研究相对较少。通过调整焊接材料成分，可以有效调整焊缝组织和焊缝金属合金元素成分，从而减少热裂纹敏感性。因此，对奥氏体不锈钢焊接材料的研究也具有重要意义。

[1] 王 涛.奥氏体不锈钢焊接技术[J].装备制造技术, 2012(5): 242-243+245.

[2] Tabatabaeipour S M, Honarvar F. A comparative evaluation of ultrasonic testing of AISI 316L welds made by shielded metal arc welding and gas tungsten arc welding processes[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2010, 210(8): 1043-1050.

[3] 孙晓娜, 雷 毅, 张 鹰. 厚板奥氏体不锈钢焊缝显微组织分析[J].金属热处理, 2006, 31(10): 21-23.

[4] 冷小冰, 梁文武, 张瑞华, 等. 厚壁304不锈钢管A-TIG焊[J].电焊机, 2010, 40(4): 39-42.

[5] 周桂芬. 不锈钢厚壁管焊接工艺试验研究[J]. 热加工工艺, 2013, 42(23): 199-201.

[6] 刘国庆.1Cr18Ni9Ti不锈钢厚壁管全位置焊[J].金属加工(热加工)，2009(14):53-55.

[7] 贾 欣, 周全法, 李振华, 等. 奥氏体不锈钢厚板焊接工艺试验研究[J]. 焊接, 2012(10): 60-64.

[8] 黄 磊, 郭晓春, 李 波. 奥氏体不锈钢厚板埋弧自动焊工艺[J].化工装备技术, 2002, 23(1): 34-36.

[9] 王海东, 任 伟, 裴月梅, 等. 压水堆核电站主回路管道窄间隙自动焊工艺研究[J]. 电焊机, 2010, 40(8): 21-27.

[10] Jang C H J, Cho P Y, Kim M, et al. Effects of microstructure and residual stress on fatigue crack growth of stainless steel narrow gap welds[J]. Materials and Design, 2010, 31(4): 1862-1870.

[11] 郑韶先, 杜宝峰, 韩峰. 1Cr18Ni9Ti不锈钢超窄间隙焊接接头组织与性能分析[J]. 稀有金属材料与工程, 2015, 44(10): 2454-2458.

[12] 陈倩倩. 厚板不锈钢电子束焊接接头断裂力学性能研究[D].上海:上海工程技术大学硕士学位论文, 2015.

[13] Madhusudan Reddy G, Srinivasa Rao K. Microstructure and mechanical properties of similar and dissimilar stainless steel electron beam and friction welds[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2009(45): 875-888.

[14] 白 彬, 张鹏程, 邹党生. 316L不锈钢抗氢脆性能研究[J]. 机械工程材料, 2002, 26(5): 18-20+36.

[15] 耿永亮, 蒋 鹏, 刘希林, 等. 30 mm厚不锈钢电子束焊接接头组织与性能[J]. 电焊机, 2016, 46(7): 50-54.

[16] 高福洋, 孙建刚, 蒋 鹏. 奥氏体不锈钢电子束焊接接头组织与性能研究[J]. 焊接技术, 2016, 45(8): 6-9.

[17] Jokinen T, Kujanpaa V. High power Nd:YAG laser welding in manufacturing of vacumm vessel of fusion reactor[J]. Fusion Engineering and Design, 2003, 69(1-4): 349-353.

[18] 张国伟, 肖荣诗. 60 mm厚304不锈钢板窄间隙光纤激光焊接接头组织性能研究[J]. 中国激光, 2014, 41(8): 0803007-1-6.

[19] 龚宏伟, 冷晓春. 304不锈钢大功率光纤激光焊成形研究[J]. 光学仪器, 2014, 26(3): 243-246.

[20] Kawahito Y, Mizutani M, Katayama S. High quality welding of stainless steel with 10 kW high power fibre laser[J]. Science and Technology of Welding and Joining, 2009, 14(4): 288-294.

[21] Jokinen T, Kujanpaa V. High power Nd:YAG laser welding in manufacturing of vacumm vessel of fusion reactor[J]. Fusion Engineering and Design, 2003, 69:349-353.

[22] 吴世凯, 肖荣诗, 陈 铠. 大厚度不锈钢板的激光焊接[J]. 中国激光, 2009, 36(9): 2422-2425.

2017-03-03

国家自然科学基金项目(51305245,51505267)；山东省自然科学基金项目(ZR2014EEP016)；山东省科学院青年基金项目(2013QN043)；青岛市应用基础研究计划项目(15-9-1-53-jch,17-1-1-9-jch)；青岛市市南区科技发展资金项目(2015-6-029-ZH)。

TG422

李海新，1982年出生，博士，助理研究员。主要从事不锈钢焊接，水下湿法焊接工艺及焊材研制，异种材料的连接研究工作，已发表论文10余篇。