节镍耐热不锈钢S30815的焊接工艺研究

王圣达 徐强

摘 要：S30815是一種全奥氏体耐热合金，镍含量在11%以内，利用先进的控制技术加入Si、N等合金元素及稀土元素Ce，使其具有优良的耐高温氧化及腐蚀的能力，很高的蠕变强度，对热应力有极佳的抵抗性。通过对其焊接性进行分析，制定合理的SMAW焊接施工方案，并依照NB/T47014-2011标准进行焊接工艺评定试验，得到合适的工艺参数范围，确定WPS。试验结果表明，采用AVESTA 253MA AC/DC焊条能获得外观良好、性能合格的优质焊缝。

关键词：耐热不锈钢；焊接性；焊接线能量

1、引言

耐热不锈钢由于具有优良的高温强度、高温抗氧化性和高温耐腐蚀性，广泛的应用于发电锅炉粉煤燃烧器、热回收器、马弗炉、蒸馏器、回转窑及锅炉压力容器中。普通的奥氏体耐热不锈钢一般镍含量在13%以上，如309S（23Cr-13Ni），310S（25Cr-20Ni），而S30815（21Cr-11Ni）的镍含量在11%以内，大幅度缩减了贵金属镍的含量。与耐热镍基合金INCOLOY 800（21Cr-32Ni）、INCONEL 601（23Cr-60Ni）相比，S30815的节镍优势更为明显。虽然S30815的化学成分中只含有21%的Cr和11%的Ni，但通过加入氮元素和稀土元素Ce，使其具有良好的抗氧化性及高温蠕变强度并具有全奥氏体组织，使用温度可达到850℃～1100℃。由于S30815含镍量低，耐硫侵蚀能力较强，其晶间氧化和硫化深度仅为309S和310S奥氏体钢的1/2。此外S30815还具有较好的抗高温渗碳与高温渗氮的性能。因此在很多高温设备应用上，S30815可以代替含有更高铬镍合金的钢种及价格昂贵的镍基合金。

我公司（辽宁华荣重工）承建的回转窑（辽宁洁镁）项目中，回转窑窑体采用了山西太钢生产的耐热不锈钢S30815，在国内尚属首例，国际上较早完成开发和生产的也只有瑞典的Avesta Sheffield AB、Sandvik及美国Rolled Alloys等几家公司。国内对S30815的焊接工艺及相关施工经验更少，因此施工前必须对该合金的焊接工艺操作要点进行研究。

2.焊接性分析

S30815（化学成分见表1）是全奥氏体不锈钢，镍含量虽低，但通过加入强奥氏体化形成元素——氮元素，获得了稳定的全奥氏体组织，同时还改善了S30815的高温蠕变性能。

稀土元素Ce以及硅的加入，使得S30815在高温时仍有极佳的耐氧化性。氮、碳、稀土元素和碱金属氧化物的结合使其与镍基合金一样具有同样良好的抗氧化性能及高温蠕变强度。S30815的常温力学性能见表2。

根据S30815的化学成分分析，S30815的铬镍含量较低，因此对焊接热裂纹的敏感程度不会像其他耐热奥氏体不锈钢一样明显，应具有较好的焊接性。查阅相关资料S30815可采用钨极氩弧焊（TIG）、熔化极气体保护焊（GMAW）、焊条电弧焊（SMAW）、埋弧焊（SAW）等方法焊接。根据产品结构特点、成本价格、采购难易程度选用焊条电弧焊（SMAW）。

3.焊接工艺评定试验

依据标准：NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》、NB/T47015-2011《压力容器焊接规程》、NB/T47016-2011《承压设备产品焊接试件的力学性能检验》

3.1焊材选用

根据S30815的化学成分、力学性能、焊接性能等因素，同时查阅相关资料采用AVESTA 253MA AC/DC焊条。其熔敷金属化学成分见表3，力学性能见表4。

3.2坡口

试件规格150×400×18mm——2件，X型坡口。

3.3焊前准备

施焊前用不锈钢丝刷清理坡口及两侧至少30mm范围内母材表面的油、水、锈、积渣等有害杂质，必要时采用丙酮清洗。当焊件温度为-20℃～0℃时，应在始焊处100mm范围内预热到15℃以上。

3.4施焊

焊接过程中为避免有益合金元素的烧损，应采用小规范，短弧快速不摆动的施焊技术，焊接工艺参数见表5。由于S30815耐热不锈钢的热膨胀系数高，热导率低，为防止过热，必须严格控制焊接线能量，焊接线能量不应超过15KJ/cm。同时也必须控制道间温度不得超过100℃。

4.检验与试验

4.1检验

按JB/T4730.2-2005对焊缝进行100%RT检测，质量等级为AB级，检测结果为I级合格。

4.2试验

按NB/T47016-2011《承压设备产品焊接试件的力学性能检验》进行试验，拉伸试样2件，侧弯试样4件。抗拉强度分别为734Mpa和732Mpa，弯曲角度均为180°。试验结果合格。

5.结论

5.1 采用AVESTA 253MA AC/DC焊条焊接S30815奥氏体耐热不锈钢的焊接性良好，成形美观，质量能达到相关标准要求。

5.2 施焊过程中要严格控制线能量及道间温度，避免焊缝过热，减少有益元素氮和稀土元素铈的烧损，保证其高温性能。

参考文献

[1]NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》

[2]NB/T47015-2011《压力容器焊接规程》

[3]NB/T47016-2011《承压设备产品焊接试件的力学性能检验》

[4]ASME《锅炉及压力容器规范》第IX卷

[5]韩肇俊.3种新型奥氏体耐热不锈钢评述介绍.沈阳工程学院学报

[6]《电焊条选用指南》

（作者身份证号码：1 21031119860208061X；2 210302197311240977）