珠光体钢与奥氏体钢异种钢焊接材料的选择与应用
摘要： 分析了珠光体钢与奥氏体钢异种钢的焊接性，介绍了焊接材料的选用原则、材料种类、工艺及工程中的应用。结果表明：该类异种钢焊接材料的选择原则是，尽量选用接近或高于奥氏体钢的高合金成分，而不是接近珠光体钢的成分；尽量避免焊缝中马氏体组织形成，保证接头获得良好的使用性能和焊接性。可供该类异种钢选用的焊接材料种类较多，工艺方法各具特色。三个典型应用案例表明，这类异种钢焊接质量的有效控制，取决于焊接材料的合理选用及正确的工艺方法。新型、高效、自动化焊接材料是颇具推广应用前景的焊接新材料。
关键词： 焊接材料； 异种钢焊接； 珠光体钢与奥氏体钢
中图分类号： TG147.44
0前言
珠光体钢和奥氏体钢异种钢焊接在电力、石油、化工等工业部门已经大量应用，它能降低材料成本，提高高温使用性能。然而，这类异种钢焊接中会出现大量复杂的冶金和工程问题。虽然说这类异种钢焊接的机理已被热烈探讨，现有的焊接材料及其匹配焊接工艺，基本能满足结构制造要求；但是，随着新型工业化的推进，在一些重大工程或特殊项目应用中，该钢焊接接头的使用性能方面仍然暴露出一些问题。这些问题依然涉及到焊接材料和配套工艺。有关珠光体钢和奥氏体钢异种钢焊接方面的研究文献不少，但深入探讨焊接材料应用的研究不多。为此，本文特意将这类钢焊接材料的选择与该类钢的焊接性、焊接材料种类及工艺方法相联系，综述焊接材料在不同工程中的应用。该项工作对推动这类钢焊接材料的创新开发，以及配套工艺的锐意改进，具有积极意义和参考价值。1异种钢焊接性分析
这类异种钢焊接时的难度较大、问题较多，从以下3种焊接裂纹倾向进行焊接性分析：
（1）焊缝中裂纹。由于珠光体钢和奥氏体钢2种母材成分差异太大，熔化焊形成的焊缝成分势必受到母材熔入的稀释影响，致使焊缝的成分既不同于珠光体母材，也不同于奥氏体母材，与填充金属也不同。母材对焊缝过度的稀释可能导致马氏体组织出现，在应力和氢的共同作用下，就有产生焊缝冷裂纹可能。焊缝所受稀释程度不同，产生马氏体组织和裂纹的倾向各异。
（2）熔合区裂纹。在熔化焊接过程中，熔池边缘的液态金属温度较低，流动性较差，液态停留时间较短，机械搅拌作用较弱，导致熔化的母材不能与填充金属充分混合，这部分焊缝中母材熔化金属所占比例较大，因此在毗邻珠光体钢一侧熔合线的焊缝金属中就会形成一层与内部焊缝金属成分不同的过渡层（图1）。在该过渡层分布着数量和宽度不均匀或不连续的马氏体组织[1-2]，通常不易看到这种马氏体组织，只有用特殊
在应力和氢的共同作用下，可能产生所谓熔合区裂纹。
（3）熔合区蠕变裂纹。珠光体钢和奥氏体钢焊接接头，在焊后热处理或高温下使用时，由于熔合线两侧含铬量不等，在高温条件下铬作为强碳化物形成元素，促使低铬钢中碳向高铬焊缝金属中扩散迁移，结果在熔合区低铬钢（珠光体钢）侧产生脱碳层，而在相邻的高铬钢（奥氏体钢）一侧产生增碳层。脱碳层由于组织变为铁素体而软化，增碳层由于碳的熔入和碳化物析出而硬化，致使接头高温下长期运行时，在残余应力及热应力（HAZ和熔敷金属间线胀系数不同引起的）共同作用下，极可能在脱碳层形成蠕变裂纹或蠕变破坏[2]。还必须强调这种接头的焊接残余应力较大，且难以消除，始终是影响接头使用性能的不利因素。
总体上看，奥氏体钢和珠光体钢异种钢焊接性的主要问题是，焊缝中马氏体组织和裂纹倾向，珠光体钢一侧焊缝熔合区裂纹倾向，以及在熔合区珠光体钢一侧脱碳层蠕变裂纹或蠕变破坏。
2焊接材料的选择原则
为了获得良好的焊接性和接头使用性能，尽量选用高合金成分，也就是尽量选用接近或高于奥氏体钢的高合金成分，而不是接近珠光体钢的成分。还必须考虑避免焊缝中马氏体组织形成。诚然，对于工作温度高于425 ℃的接头，应当选用镍基焊接材料[3]。为此，可以借助于Schaeffler状态图对焊缝的成分和组织作出粗略的估算或预测，当然须涉及到熔合比参数问题。所谓熔合比是指熔化焊接头中，被熔化的母材金属在焊缝金属中所占的比例。熔合比越小，母材成分的影响就越弱，填充焊材的主导作用就越强，就可有效防止焊接裂纹的产生，并获得满意的焊接性和使用性能。
表1是根据Schaeffler状态图推演的、预测或估计焊缝的组织及焊接裂纹倾向结果（在珠光体母材上堆焊奥氏体焊接材料）。可以看出，采用1号方案，焊缝的组织为A+M，容易产生焊缝裂纹，表明这3种焊接材料不适宜焊接珠光体钢。采用2号方案，可能是2种结果：当熔敷金属铁素体含量为5%时，焊缝的组织为单相奥氏体，容易产生热裂纹；当铁素体含量为10%时，焊缝组织为A+F，可以避免出现马氏体，焊接材料的抗裂性能良好。也就是说，采用A302、A307、A202这3种焊条焊接时，只要控制熔合比为20%～40%、铁素体含量为10%时，即可获得满意的异种钢焊接接头。采用3号方案，在熔合比范围很宽（20%～50%）、铁素体含量为0、焊缝组织为单相奥氏体情况下，不会产生热裂纹。这是一个焊接材料起主导作用的典型案例。A507是低氢型纯奥氏体Cr16Ni25Mo6不锈钢焊条，熔敷金属不仅具有很高的强度，而且具有很好的塑性和延伸率。尽管焊缝为纯奥氏体，仍然具有很好的抗热裂性能。
表1Schaeffler图应用实例[4]方案焊缝熔合比（%）电 焊 条 型 号熔敷金属中铁素体
含量（质量分数，%）焊缝微观组织焊接裂纹倾向120～40A107，A137，A2322.5～5A+M存在220～40A302，A307，A2025A热裂纹10A+F无320～50A5070A无
图2是珠光体钢20CrMnSi与奥氏体钢0Cr18Ni9焊接时Schaeffler状态图应用实例。图2中，铁素体形成元素当量[F]和奥氏体形成元素当量[A]的经验公式：
[F]=Cr%+1.5Si%+0.5Nb%+Mo%+V%+3.5Ti%，[A]=Ni%+30C%+0.5Mn%）[4]。
可以看出，对于板厚8 mm，对接焊，60°的V形坡口打底层，熔化的基体金属约占45%，其中低合金钢20CrMnSi约占40%，奥氏体钢0Cr18Ni9约占60%。如果选用A107焊条，打底层的铁素体和奥氏体形成元素当量[F]、[A]分别为16.60%和11.3%，在Schaeffler状态图上，[F]、[A]两值的交点1正处在马氏体+奥氏体区中，极易产生裂纹，因此A107焊条不适用于这两种钢的焊接。如果选用A307焊条，打底层的铁素体和奥氏体形成元素当量[F]、[A]分别为19.35%和13.15%时，在Schaeffler状态图上，该成分为所标2点，该点处于纯奥氏体组织区，不存在裂纹倾向。
对于第2、第3层焊缝，熔合比是逐渐减小的，当第3层熔合比为30%时，铁素体和奥氏体形成元素当量[F]、[A]分别为21.27%和14.13%时，在Schaeffler状态图上，该点成分为点3，是奥氏体和铁素体双相组织，铁素体含量约为3%。可见，A307焊条可以用来焊接这对异种钢。
3焊接材料的种类及工艺方法
从合金系统特点来分，可供选用的异种钢焊接材料种类较多，表2列出了9种电焊条的化学成分。
A146是在Cr20Ni10合金系基础上添加6%Mn，改善焊缝金属的抗裂性，使用效果比较好。A302或A307是Cr24Ni13合金系，只要控制熔合比在20%～40%范围内，熔敷金属铁素体含量10%时，可以获得A+F双相组织，防止焊接裂纹出现，常作为珠光体钢一侧堆焊层焊接材料。A312/A317是在Cr24Ni13合金系基础上添加2%Mo，以改善抗裂性和耐腐蚀性能。A402/A407是Cr25Ni20型合金系，熔敷金属是纯奥氏体组织，焊接异种钢时有热裂纹产生倾向。A412是对前者的改进，在Cr25Ni20型合金系基础上添加2%Mo，以改善抗裂性和耐腐蚀性能。A422/A427也可以是Cr25Ni20型的改进型，加了8%Mn，为的是提高焊缝的抗裂性能。
E31216是Cr29Ni9合金系双相不锈钢焊条，熔敷金属中含有40%以上的铁素体相，焊缝金属的抗裂性和耐腐蚀性能都很好。A502/A507是Cr16Ni25Mo6合金系，Ni含量高，Mo含量6%，以其高强度、高塑性而获得高抗裂性的纯奥氏体焊接材料。Ni357是Ni70Cr15合金系Ni基焊接材料，对抑制熔合区中碳迁移和改变接头应力分布十分有利。
由于加入了一定量的Mn、Mo和Nb，焊缝金属抗裂性得以改善。该焊条适用于工作温度大于500 ℃或工作温度波动频繁的焊接结构。
表2异种钢焊接材料（电焊条）熔敷金属的合金成分（质量分数，%）焊条型号合金系统CMnSiCrNiMoSPCuNb+TaA146Cr20Ni10Mn6≤0.124.0～7.019.0～22.08.0～
11.0≤0.035≤0.04A302/A307Cr24Ni13≤0.150.5～2.5≤0.9022.0～25.012.0～
14.0≤0.75≤0.03≤0.04≤0.75A312/A317Cr24Ni13Mo2≤0.120.5～2.5≤0.9022.0～25.012.0～
14.02.0～
3.0≤0.03≤0.04≤0.75A402/A407Cr25Ni200.08～
0.201.0～2.5≤0.7525.0～28.020.0～
22.5≤0.75≤0.03≤0.03≤0.75A412Cr25Ni20Mo2≤0.121.0～2.5≤0.7525.0～28.020.0～
22.02.0～
3.0≤0.03≤0.03≤0.75A422/A427Cr25Ni18Mn8≤0.205.0～10.0≤1.2023.0～27.016.0～
20.0—≤0.03≤0.03E31216Cr29Ni9≤0.150.5～2.5≤0.9028.0～32.08.0～
10.5≤0.75≤0.03≤0.04≤0.75A502/A507Cr16Ni25Mo6≤0.120.5～2.5≤0.9014.0～18.022.0～
27.05.0～
7.0≤0.03≤0.04N≥0.1Ni357Ni70Cr15≤0.101.0～3.5≤0.7513.0～17.0≥620.5～
2.5≤0.02≤0.03≤0.500.5～
3.0
焊接材料的种类取决于焊接方法。有多种焊接方法可以焊接这类异种钢，但最重要的是需要考虑熔合比对焊接性的影响。希望获得小的熔合比，以降低焊缝金属的稀释程度，避免焊接裂纹的产生。
宁夏石化分公司30万吨/年合成装置中的20号钢与1Cr18Ni9Ti异种钢管线接头（ 89 mm×6 mm），采用GTAW打底+SMAW填充工艺方法，合理选用焊接材料，按表4实例中①焊接工艺施工，强调控制焊接熔合比和热输入，并采用短弧、直焊道、不摆动等操作技术。
依据JB4708—2000标准进行焊接工艺评定，并经施工实施证实，异种钢接头焊接质量良好，保证了管道安全运行。
东风汽车厂与ALSTON公司合作生产的900 MW核电汽轮机组中的高压外缸，上半尺寸为4 800 mm×3 200 mm×1 700 mm，重42 t，下半为4 800 mm×3 200 mm×2 400 mm，重45 t。在缸体中分面的某些部位及各级隔板槽的位置，均需堆焊不锈钢耐冲蚀层。被堆焊的母材为PS30/514，相当于东风汽车厂牌号ZG15Cr2Mo1（该钢系贝氏体型热强钢，但在焊接材料选择以及堆焊工艺特点等方面与珠光体型热强钢非常接近，故选作应用案例）。采用FCAW堆焊工艺方法，执行表4实例中②焊接工艺施工（此前，单位特别选派专业人员去英国GEC公司学习有关操作技术，进行了工艺研究和试验，并制定了专门的工艺规程），强调堆焊时预热温度、层间温度的控制及焊后缓冷等技术要点。该厂采用英国METRODE公司生产的ER309LT04不锈钢药芯焊丝，成功地在900 MW核电高压外缸上堆焊了奥氏体不锈钢材料。新型、高效、自动化焊接材料及新技术的应用，为核电产品中的高压阀、低压阀、隔板套、高压汽封及低压汽封的奥氏体不锈钢堆焊积累了经验，并对这类核电产品的质量稳定性提供了必要的技术保证。
加氢裂化装置中的高压换热器材质为12Cr2Mo1R（贝氏体型热强钢）的接管需与材质为0Cr18Ni10Ti的外部管线完成异种钢的现场焊接。采用12Cr2Mo1R坡口SMAW堆焊+GTAW打底+SMAW填充工艺方法，按表4实例③中焊接工艺施工，强调12Cr2Mo1R坡口面堆焊时预热温度、层间温度及后热温度的控制，在填充焊缝严格执行工艺要求，并采用窄焊道、短弧焊等操作技术，依据JB4708—2000标准进行焊接工艺评定，接头的各项性能满意。该工艺已经应用于西北铅锌冶炼厂生产的多台装置上，现场安装和使用效果理想。
5结语
（1）奥氏体钢和珠光体钢异种钢焊接性的主要问题是：焊缝中马氏体组织和裂纹倾向，珠光体钢焊缝一侧焊缝熔合区裂纹倾向以及在熔合区珠光体钢一侧脱碳层蠕变裂纹或蠕变破坏。
（2）珠光体钢与奥氏体钢异种钢焊接材料的选择原则是：尽量选用接近或高于奥氏体钢的高合金成分，而不是接近珠光体钢的成分；尽量避免焊缝中马氏体组织形成，保证接头获得良好的使用性能和焊接性。
（3）可供选用的珠光体钢与奥氏体钢异种钢焊接材料种类较多，工艺方法各具特色，无论是焊接方法，还是规范参数，都必须以最小熔合比为目标。
（4）3个典型应用案例表明，这类异种钢焊接的冶金和工程问题的有效控制，取决于焊接材料的合理选用及正确的工艺方法。新型、高效、自动化焊接材料是颇具推广应用前景的焊接新材料。参考文献[1]孙咸.异种钢焊缝中的熔合区裂纹[J].焊接， 1989（9）： 11-15
[2]Lippold J C，Kotecki D J不锈钢焊接冶金学及焊接性[M].陈剑虹译北京：机械工业出版社，2008： 266-271
[3]国家能源局.电力发电厂异种钢焊接技术规程DL/T752—2010中华人民共和国电力行业标准 [S].北京：中国电力出版社，2010
[4]何康生，曹雄夫.异种金属焊接[M].北京：机械工业出版社，1986： 266-273
[5]韩炜.低碳钢与不锈钢异种钢焊接性分析及应用[J].宁夏机械，2005（3）： 10-13
[6]郭伟.在900 MW核电高压外缸上堆焊奥氏体不锈钢耐冲蚀层[J].机械工人（热加工），2005（7）： 48-50
[7]靳红梅，任世宏，李永红，等.镍基合金在异种钢焊接中的应用[J].电焊机，2009，39（4）： 148-150