閥門膨脹節用接管和波紋管焊接工藝的分析

　　介紹了閥門膨脹節中的接管和波紋管分別選用15CrMo 和304 不銹鋼材料連接的焊接工藝。通過對15CrMo、304 不銹鋼及其異種接頭焊接性分析，對比分別采用Ni 基合金和奧氏體不銹鋼填充材料時，獲得的焊縫組織，結合焊接性分析結果，確定焊接工藝、制定焊接工藝參數。

1、概述

　　某管道工程中，閥門膨脹節中的接管和波紋管分別選用15CrMo (珠光體耐熱鋼) 和304 不銹鋼( 奧氏體不銹鋼) 材料制造，然后采用焊接工藝將其連接。15CrMo 和304 不銹鋼雖然都是鐵基合金，但二者成分和性能差距很大，屬異種金屬的焊接。由于不同金屬的化學成分、物理特性、化學性能差別較大，異種金屬的焊接比同種金屬焊接復雜的多。

2、焊接性分析

　　2.1、15CrMo 的焊接性

　　15CrMo 屬于珠光體耐熱鋼，其焊接性與低碳調質鋼相近。焊接有冷裂傾向，焊后熱處理有消應力裂紋傾向。15CrMo 的淬硬傾向及冷裂紋敏感性可根據碳當量間接評測。根據焊接學會(ⅡW) 的碳當量公式計算得到15CrMo 碳當量CE 為

　　通過式(1) 計算( 該結果忽略雜質含量，實際碳當量應略高于計算值) 得到15CrMo 的CE 介于0.43% ～0.63% 之間，平均值為0.53%。根據碳當量判定條件，可知15CrMo 焊接必須通過一定溫度的預熱才能防止裂紋的發生。根據Ito - Bessyo 的預熱溫度計算公式初步計算δ = 6mm 預熱溫度。

　　通過式(2) 計算可知15CrMo 焊接預熱溫度應介于152 ～189℃之間。防止15CrMo 焊后熱處理消應力裂紋傾向的主要工藝措施為通過提高預熱和層間溫度，采用低熱輸入焊接方法和工藝，縮小焊接接頭過熱區的寬度，限制晶粒長大，選擇合理的熱處理工藝參數，盡量縮短敏感溫度區間的保溫時間。

　　2.2、304 不銹鋼的焊接性

　　304 不銹鋼是典型的的奧氏體不銹鋼，與其他不銹鋼相比，奧氏體不銹鋼的焊接比較容易，但其具有較高的熱裂紋敏感性，在焊縫及近縫區都有可能產生熱裂紋。產生熱裂紋的基本原因是由于在焊縫局部加熱和冷卻條件下，焊接接頭部位的高溫停留時間較長，焊縫金屬及近縫區在高溫承受較高的拉伸應力和應變引起。

　　2.3、Ni 基合金的焊接性

　　Ni 基合金具有較奧氏體不銹鋼更高的熱裂紋敏感性。Ni 基合金焊縫金屬較鋼焊縫金屬不易潤濕展開，即使增大焊接電流也不能改進焊縫金屬的流動性，反而起著有害作用。Ni 基合金熱導率較不銹鋼要低，相同參數下高溫停留時間更長。因此要避免高熱輸入帶來的不利影響，宜采用較不銹鋼小的熱輸入進行焊接。

　　2.4、15CrMo 與304 不銹鋼異種接頭焊接性

　　15CrMo 與304 不銹鋼焊接時，兩種母材都要發生熔化，與填充金屬共同形成焊縫。由于前者合金元素遠低于后者，因此其熔化進入焊縫，會對整個焊縫金屬成分產生稀釋作用。

　　在15CrMo 與304 不銹鋼焊接熔池邊緣，由于液態金屬溫度低，流動性差，在液態停留時間較短，一般情況下15CrMo 與填充金屬材料的成分有較大差異，熔化的母材金屬在熔池邊緣與填充金屬不能很好的熔合，形成和焊縫金屬成分不同、寬度0.2 ～0.6mm 的過渡層。這區域可能是高硬度馬氏體或奧氏體加馬氏體組織，而這種組織正是引起焊接裂紋的原因之一。

　　由于15CrMo 含碳量較高，合金元素較少，而304 不銹鋼卻相反。在高溫加熱過程中，一部分碳通過界面由15CrMo 一側遷移奧氏體一側，在15CrMo 一側形成脫碳層，同時在奧氏體一側形成增碳層。這個結果會降低接頭高溫持久強度10%～20%。為了防止碳遷移可采用15CrMo 一側增加碳化物形成元素或在奧氏體焊縫中減少這些元素，在15CrMo 一側預先堆焊含強碳化物形成元素或鎳基合金的隔離層，提高奧氏體焊縫中的鎳含量，減少焊縫及熱影響區高溫停留時間。

　　15CrMo 與304 不銹鋼的線膨脹系數相差較大，且304 不銹鋼的導熱能力較差，因此焊后在焊縫和熔合線附近會產生較大的焊接殘余應力。這種殘余應力不能通過熱處理的方法消除。如這種接頭在交變溫度下工作時，15CrMo 側就可能出現熱疲勞裂紋，使接頭過早斷裂。為防止這種現象的出現，主要采用的工藝措施為優先選用線膨脹系數與15CrMo 線膨脹系數相近且塑性好的鎳基材料作為填充金屬，嚴格控制冷卻速度，并采用焊后緩冷等措施。

　　2.5、焊縫組織分析

　　焊縫金屬成分可通過不同的焊接材料，不同的熔合比進行控制。通過分析，結合實際生產需求，焊縫填充材料可選擇奧氏體不銹鋼焊絲H0Cr21Ni10或ERNiCr-3 焊絲，相關金屬化學成分及當量值見表1，通過圖1 對焊縫組織進行分析。