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1、焊材冶金特性对不锈钢焊缝金属超低温韧性的影响（上）太原理工大学焊接材料研究所（山西030024）孙咸【摘 要】介绍了超低温用不锈钢的焊接性，分析了超低温不锈钢焊接材料的冶金特性及影响因 素，探讨了超低温不锈钢焊接材料的类型对焊缝金 属韧性的影响。结果表明，奥氏体不锈钢的焊接性 是很好的，但如果焊接材料选用不合适，或施焊工 艺不正确，亦会出现焊缝热裂倾向和焊缝超低温 韧性不达标等问题。影响焊接材料冶金特性的主要 因素是焊缝组织、化学成分、熔渣性质和工艺参数 等，对焊缝超低温冲击能量不利的影响因素主要来 自药皮、药粉、焊剂及焊接工艺。焊接材料的类型 对不锈钢焊缝金属超低温冲击能量有明显的影响， 钨
2、极氩弧焊焊材的冲击吸收能量最高，焊缝韧性储 备最大，其次是气体保护焊焊材，电焊条、药芯焊 丝和埋弧焊焊接材料焊缝金属的低温冲击能量也能 达标，有的韧性储备还很不错。硬的性能，是获得优质焊缝的必要条件，而合理、 正确的焊接工艺规范则是充分条件，二者缺一不 可。为此，本文特意将典型焊接材料与奥氏体不锈 钢的焊接性相联系，探讨焊接材料的冶金特性对不 锈钢焊缝金属超低温韧性的影响。该项研究对推动 企业技术进步、提升产品竞争力，具有实用意义和 参考价值。2.超低温不锈钢的焊接性所谓超低温不锈钢，是指在超低温下（如 196 下）服役的、且具有良好的耐腐蚀性和极 好的低温韧 性的一类奥氏体不锈钢。这类奥氏体
3、 不锈钢的典型代表是304L和316L，其化学成分和 力学性能如表1所示。可以看出，它们是18-8型和 18-12-M o2型超低碳奥氏体不锈钢，其典型显微组 织是单相奥氏体。虽然一般认为奥氏体不锈钢焊接 性良好，但如果焊接材料选用不合适，或施焊工艺 不正确，也会出现两种焊接性问题：焊缝的热裂纹 倾向和焊缝超低温韧性不达标。 关于焊缝的热裂纹倾向问题，由于奥氏体型不 锈钢的热导率小、线膨胀系数大，焊缝金属凝固会 在接头区产生较大的拉应力；同时焊缝粗大的柱状 晶组织，有利于焊接过程带入的有害杂质偏析及晶 间液态夹层的形成。上述两大因素的存在，使得焊 接接头热裂纹现象屡有发生。关于焊缝的超低温韧
4、性不达标问题，如表1所示，虽然奥氏体型不锈钢 具有极好的低温韧性，但是，其焊缝金属的低温韧 性却受到多种因素的影响，比如在采用焊条电弧焊 接、药芯焊丝和埋弧焊等方法时，由于焊接过程中 焊药组成物不可避免地进入焊缝，焊缝的成分和组1.概述 奥氏体不锈钢以其良好的耐腐蚀性和超低温 韧性等综合性能，在液化天然气（ LNG ）设施 等深冷低温液体储运容器结构中获得了应用。虽 然一些研究人员不约而同给这类钢焊接性的评价 为“良好”，但在焊接工艺评定或施工现场施焊 时，并不是在所有的情况下都能轻易获得非常满意 的结果。在一些情况下，焊缝的196冲击能量 偏低或不合格、焊缝的热裂纹倾向也屡有发生。这 表明，
5、一方面是对该钢焊接性的评估太过乐观，另 一方面对配套焊接工艺关键技术的控制尚不到位。 换言之，对焊接材料自身性能与施工工艺之间关系 的认识尚需逐步提升。因为焊接材料自身良好、过表1 典型超低温不锈钢的化学成分和力学性能A kv/J注：化学成分单个数字表示最大值，室温力学性能表示下限值。织被改变，一些不利因素的出现致使焊缝不能获得 满意的低温韧性。3.超低温不锈钢焊接材料的冶金特性及影响 因素根据焊接方法的不同，超低温不锈钢焊接材料 可分为：电焊条、TIG焊丝、MIG焊丝、埋弧焊丝 焊剂及药芯焊丝等。超低温不锈钢焊接材料的工 艺评定表明，凡是采用带有药粉的焊材，如电焊 条、药芯焊丝、埋弧焊焊丝焊
6、剂焊接时，其焊 缝金属的超低温韧性就有可能不达标（即G B1501998钢制压力容器附录C中，奥氏体不锈钢焊 缝金属V型缺口冲击吸收能量A kv31J的规定）， 该现象是焊材的冶金特性所决定的。在焊接电弧热 过程作用下，填充材料和部分母材进入熔池，所形 成焊缝金属的化学成分可能接近母材，但焊缝金属的组织和性能不可能完全等同于母材。焊缝金属组 织上的明显变化是出现了铁素体相，性能上的变化 是超低温韧性指标冲击吸收能量数值偏低，有的甚 至不达标。分析表2中试验数据，可以看出，至少 有4个方面的因素影响焊接材料的冶金特性。 （1) 焊缝微观组织的影响 从表1可看出，母 材 的超低温冲击值很高，达12
7、0J以上。这是由于母 材 的组织为单相奥氏体，具有面心立方结构，滑 移 系较多，塑性好、易变形的结果。采用A137焊 条焊 接后（见表2），焊缝变为AF双相组织，焊 缝超低 温冲击值很低，只有21J，未达标。这是由 于在熔 化焊接过程中，随着焊条填加物质进入熔 池，可 能使焊缝增氧、增氢，而且变为AF双相 组织， 高达7%11%的铁素体含量可能是导致焊 缝冲击 吸收能量值低的主要原因。表2 几种焊接材料熔敷金属化学成分及力学性能注：化学成分单个数字表示最大值，室温力学性能表示下限值。采用A107焊条焊接时，尽管焊缝依然变为A F双相组织，但焊缝超低温冲击值已经提升至32J， 刚好达标（见表2）
8、。焊缝铁素体含量降低至6% 8%显然是起了好的作用。不难看出，对于双相不 锈钢焊缝组织，控制铁素体含量，可以有效提高 焊缝超低温冲击吸收能量。 采用神钢316M F焊条焊接时，焊缝组织形成单 相A，焊缝超低温冲击值高达83J。这表明，在一定的合金系统和凝固模式条件下，单相A焊缝获得 高值超低温冲击吸收能量也是可能或可行的。 （2）焊缝化学成分的影响 从表2可看出，成 分决 定组织，组织决定性能。只要合理控制Creq/ Nieq 比值，即可使焊缝获得A少量F双相组织； 如此， 既可保证焊缝金属具有一定的超低温韧性指 标，又 能够有效控制奥氏体焊缝的热裂纹倾向。（待续）（20110927）焊接与切
9、割2011年 第20期焊 材 牌 号化学成分（质量分数，%）力 学 性 能CSiMnPSNiCrMo抗拉强度R m/MPa冲击吸收功 A kv/J （196）铁素体 （%）A1370.0500.631.830.0260.0109.8820.4369021711A1070.0560.371.440.0180.0079.6619.776773268A0020.0300.321.610.0200.00510.4020.165523856林肯316L0.0340.341.440.0220.00813.7017.402.295415801神钢316MF0.0350.345.610.0110.00216.
10、7018.563.01540830钢种 UNS NO化学成分（质量分数，%）室温力 学 性 能CMnPSSiCrNiMo抗拉强度R m/MPa屈服强度R eL/MPa断后 伸 长率 A ()冲击吸收能量（196）304LS304030.032.00.0450.031.018.020.08.012.048017040124316LS316030.032.00.0450.031.016.018.010.014.0 2.03.048017040122file:/C|/Users/Administrator/Desktop/新建文本文档.txt涵盖各行业最丰富完备的资料文献，最前瞻权威的行业动态，是专业人士的不二选择。file:/C|/Users/Administrator/Desktop/新建文本文档.txt2012/8/26 12:19:58
