珠光体与奥氏体异种钢的焊接特性研究

刘天佐 张国栋 孟祥泽

摘 要：针对电站锅炉部件珠光体与奥氏体异种钢焊接问题，从焊缝过渡层和熔合区扩散层的形成机理、焊接接头的应力状态等方面进行了全面的分析与探讨，研究了焊接材料的选用、焊接参数的确定、焊接方法的选择原则，并应用舍夫勒组织图，分析过渡层的焊缝组织，提出了焊接材料材料选择、焊接工艺参数制定以及焊后热处理措施。最后，通过实际案例，详细介绍了珠光体与奥氏体异种钢焊接過程以及服役过程中出现的问题。

关键词：珠光体与奥氏体异种钢;焊接特性;镍基焊材;焊接方法

中图分类号：TG147 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）07-0102-03

0 前言

在电站锅炉部件中，由于各部位的受热温度不同，经常遇到珠光体钢和奥氏体钢的焊接问题，异种钢焊接较同种钢焊接要复杂的多，因此它对部件的使用安全性影响也比较突出。虽然对异种钢焊接接头早期破坏的原因和处理进行了大量的研究，然而就异种钢焊接整体来说还有待于进一步深入研究。

1 珠光体与奥氏体异种钢焊接性分析

1.1 焊缝过渡层和熔合区扩散层的形成机理[1-2]

珠光体与奥氏体异种钢焊接属于典型的异种钢焊接，其焊缝主要是由两种不同类型的母材以及焊接材料熔化形成的。由于珠光体母材相比奥氏体母材来说，其成分中含有较少的合金元素，且合金元素的含量较低，因此，其对整个焊缝的合金成分具有明显的稀释作用，从而导致使形成的焊缝中的奥氏体形成元素含量明显不足，焊缝极易产生淬硬的马氏体组织，使得焊接过程中容易导致焊缝存在裂纹，降低了焊缝的服役性能。

在焊缝热循环的作用下，珠光体钢和奥氏体钢由于焊缝稀释作用，导致焊缝两侧的熔化的金属和焊接材料的混合程度存在较大的差别。在焊缝近母材一侧，由于母材的冷却作用，导致熔化金属的温度降低较快，从而使熔化的母材和焊接材料不能充分混合均匀，导致焊缝近母材一侧处母材成份占比较大，该部分与焊缝的成分存在较大差别，即所谓的焊缝过渡层。由于过渡层珠光体钢占有较大的比例，过渡层中Cr、Ni含量不足，结果可能形成高硬度的马氏体脆性层，使得接头在焊接过程中以及服役期间极易导致熔合区发生脆性破坏，降低焊接接头的使用性能。其中，对焊缝中的马氏体脆性层的宽度影响最大的是Ni含量，随着Ni含量的增加，马氏体脆性a层宽度将减少。因此，为减少脆性层，可选Ni含量高的填充材料。

珠光体与奥氏体钢异种钢焊接时，通常焊缝金属也应该为奥氏体组织，而珠光体钢的含碳量较奥氏体焊缝的高，碳化物形成元素较少，而奥氏体钢则正好相反。因此，在焊接热循环的作用下，焊缝两侧的扩散层将会呈现不一样的特点，即珠光体钢焊缝一侧为脱碳软化层，奥氏体钢焊缝一侧则是典型的高硬度的黑色增碳硬化层。

从目前研究结果来看，影响扩散层形成的因素主要有以下几点：

（1）焊缝的热处理工艺。从目前研究结果来看，焊接过程的线能量大小对扩散层的形成没有明显影响，即使采用较大的线能量，焊缝也不一定会出现明显的扩散层。但是，焊后的热处理工艺对扩散层的形成有着明显的影响。当焊缝在加热到一定温度并保温一段时间后，扩散层开始形成并发展。随着加热温度升高，扩散层逐渐变宽，在800℃时宽度达到最大值，同时，随着加热时间的增加，扩散层的宽度也增加。因此，珠光体钢与奥氏体钢焊接接头一般不建议进行焊后热处理。（2）化学成分对扩散层的影响。研究表明，影响扩散层形成的化成成分主要有碳化物的形成元素、碳元素的含量以及Ni元素等。如果焊缝中的合金元素和碳的亲和力越大，数量越多，则焊缝中珠光体母材一侧的扩散层就越宽，但这种影响随着碳化物形成元素达到一定含量后，如果再增加其含量的话，焊缝中的扩散层就不再加宽。此外，在珠光体母材中添加含有一定数量的Cr、Mo、V、Ti等碳化物形成元素时，反而能有效抑制焊缝中的扩散层的形成。虽然有研究表明，母材与焊缝中碳浓度差不是造成碳从珠光体钢向焊缝迁移的主要原因，但是母材中的碳含量越高，扩散层宽度也相应的增加。另外，镍元素可以强化铁素体并细化珠光体，从而降低了碳化物的稳定性和结合力。因此，焊缝中提高镍含量，能有效抑制扩散层的形成。

1.2 焊接接头的应力状态

珠光体与奥氏体钢的物理性能存在较大差异，焊接过程中由于热膨胀系数和导热系数的较大差异性，导致焊接接头在焊后存在较大的残余应力，该残余应力是焊后热处理无法消除的。同时，焊接接头在服役过程中承受循环温度作用下的冷却过程中，由于奥氏体钢比珠光体钢收缩变形大，而基体金属却束缚过渡层金属的收缩，从而使过渡层在焊缝方向上承受较大的拉应力。如果过渡层存在淬硬的马氏体组织，很容易产生裂纹。

2 珠光体与奥氏体异种钢焊接特性研究

2.1 焊接材料的选用

珠光体与奥氏体异种钢焊接时，焊缝及熔合区的组织和性能主要取决于焊接材料。为了获得良好的焊接性和接头的使用性能，应尽量选用接近或高于奥氏体钢的焊接材料，另外，焊接材料的选择必须防止焊缝中马氏体组织的形成。尤其，对于焊接接头服役温度超过425℃的环境中，焊接采用应当选用镍基焊材。为此，应根据舍夫勒组织图（见图1）对焊缝的成分和组织作出粗略的估算或预测，应选择奥氏体化能力强的焊接材料材料，减少焊缝中马氏体过渡层的宽度，尽量采用镍基焊材材料，通过增加焊缝中Ni的含量，抑制焊缝中中碳的扩散，改变接头的应力分布。另外，在不影响使用性能的前提下，为提高焊缝抗热裂能力，使焊缝具有双相组织。

2.2 焊接方法选择及焊接参数确定

在珠光体和奥氏体异种钢焊接时，应选用熔合比小的焊接方法，从而降低母材的稀释作用，避免焊接裂纹的产生。表1为几种典型的焊接方法与熔合比的关系。不同的焊接方法其熔合比的变化范围是不一样的。从熔合比的大小程度和变化范围以及焊缝成分的稳定性方面来看，带极堆焊、非熔化极气体保护焊以及焊条电弧焊均是珠光体和奥氏体异种钢焊接选用最多的方法。

另外，焊接电流大小对熔合比影响最大。例如埋弧焊时，熔合比随着电流变化的幅度存在较大差异。因此，进行珠光体和奥氏体异种钢焊接时必须对电流进行严格的控制。因此，选用埋弧焊进行异种钢焊接时，由于焊接过程中的强烈的搅拌作用，如果选用恰当的电流条件下，可以得到与焊条电弧焊相同的熔合比，过渡层的宽度甚至可能更窄。

因此，在进行珠光体和奥氏体异种钢焊接时，应选择直径较小的焊条或焊丝，并尽量选择小电流、大电压和快速焊，从而获得较小的熔合比。

另外，在焊接厚度较大且结构较为复杂的部件时，需要在珠光体钢一侧堆焊过渡层，过渡层材料应含有较多的强碳化物形成元素，从而保证焊缝具有较小的淬硬倾向，防止焊接接头在回火处理或使用过程中因应力过高导致熔合区出现开裂。

3 应用案例

图2为12Cr1MoVG+TP304H材质的异种钢接头金相检验图片。该焊接采用手工氩弧焊工艺进行焊接，使用焊材为镍基合金焊材ERNiCrMo-3。金相检验结果表明，TP304H一侧熔合线位置局部区域存在明显的碳化物颗粒析出，12Cr1MoVG侧熔合线处同样存在明显的成分偏析区域。

对上述金相检验的偏析区域进行显微维氏硬度试验，检测结果如表2所示。结果表明，黑色偏析区域显微维氏硬度值显著高于两侧硬度值，甚至达到两侧区域硬度值的两倍以上。

图3为材质为SA-213T22+TP304H异种钢焊接接头在服役过程中的失效案例。爆口附近无明显减薄或胀粗，最后瞬断区有较明显的宏观塑性变形;微观上观察断口源区位于外壁侧，有较多的启裂台阶（图b），呈现出多源启裂的特征，扩展区仍能看到清晰的疲劳条带。可见，该断口为外壁启裂，向内壁扩展的多源疲劳断口。综合现场分析，应为为机械应力和热应力作用下的疲劳开裂，并最终导致爆管。

参考文献

[1] 中国机械工程学会焊接学会编.焊接手册[M].北京：机械工业出版社，2001.

[2] 孙咸.珠光体钢与奥氏体钢异种钢焊接材料的选择与应用[J].机械制造文摘-焊接分册，2013（04）：17-22.