摘 要：为了提高相同金相组织、 不同化学成分和性能异种不锈钢的焊接质量，对具有相同类型金相组织的022Cr17Ni12Mo2 和06Cr23Ni13 奥氏体不锈钢的焊接性进行了分析，采用Gr-Ni 钢舍夫勒图进行焊接材料的初选，重点介绍了异种奥氏体不锈钢焊材的选择及焊接工艺要点。 研究结果显示，异种奥氏体不锈钢的焊接工艺重点在于焊材的选择，可按Gr-Ni 钢舍夫勒图进行初选，但最终的确定还要进行必要的工艺试验和性能检测。 此工艺方案能为异种奥氏体不锈钢的焊接提供一定的借鉴。
0 前 言
奥氏体不锈钢广泛应用于食品、 机械、 制药、 船舶 HVAC、 造纸及工矿企业等领域[1-4]。 散装化学品船和液化气体船的货舱，以及油、 气、水处理用的受压容器一般采用奥氏体不锈钢或双相不锈钢建造。 奥氏体不锈钢的焊接质量问题主要是晶间腐蚀、 裂纹等，特别是焊接裂纹需要严格控制。 如何使不锈钢焊接，特别是具有相同组织、 不同化学成分和性能的异种不锈钢进行高质量焊接，诸多学者进行了广泛的研究，但通常研究的都是碳钢与不锈钢、 合金钢与不锈钢的焊接工艺，这些均属于不同类型金相组织的异种钢焊接，对于异种奥氏体不锈钢焊接工艺的研究较少。 常用奥氏体不锈钢的牌号很多，其中022Cr17Ni12Mo2 钢和06Cr23Ni13 钢就属于具有相同类型金相组织的异种奥氏体不锈钢。 本研究以022Cr17Ni12Mo2 钢和06Cr23Ni13 钢为例来分析异种奥氏体不锈钢的焊接工艺。
1 焊接性分析
1.1 022Cr17Ni12Mo2不锈钢
022Cr17Ni12Mo2 为我国奥氏体不锈钢新标准牌号，ASTM 标准为 316L。 022Cr17Ni12Mo2不锈钢由于含有2%～3%的Mo 元素使其具有良好的抗点蚀能力，主要用于海洋工程环境[5-7]，其化学成分及力学性能见表1 和表2。
表1 022Cr17Ni12Mo2 不锈钢的化学成分 %
表2 022Cr17Ni12Mo2 不锈钢的力学性能
022Cr17Ni12Mo2 不锈钢焊接性能良好，常用的焊接方法均可对其进行焊接，如焊条电弧焊、 TIG 焊、 MIG 焊及埋弧焊等。 焊材选择可以根据其相应的用途来确定，例如316Cb 焊材、316L 焊材或 309Cb 焊材。 022Cr17Ni12Mo2 不锈钢焊前不需要预热，焊后不需要进行热处理。
1.2 06Cr23Ni13不锈钢
06Cr23Ni13 为我国奥氏体不锈钢新标准牌号，ASTM 标准为309S。 06Cr23Ni13 奥氏体不锈钢主要应用于石油化工、 食品、 机械、 建筑、 核电装备以及航天航空制造等行业[8-9]，其化学成分及力学性能见表3 和表4。 06Cr23Ni13 不锈钢具有良好的焊接性能，可采用常用的焊条电弧焊、 TIG 焊、MIG 焊及埋弧焊等方法进行焊接。 焊接时可根据产品使用情况，采用309 和309L 等焊丝、 焊条进行焊接，焊后一般不需要进行退火热处理。
表3 06Cr23Ni13 不锈钢的化学成分 %
表4 06Cr23Ni13 不锈钢的力学性能
2 焊接工艺
2.1 焊材选择
按中国船级社 《材料与焊接规范》 第三章第八节规定，不锈钢焊材根据其认可时采用的不锈钢母材进行分级。 焊材级别316L 对应认可时采用的母材为 022Cr17Ni12Mo2 （S31603）； 焊材级别 309L对应认可时采用的母材为06Cr23Ni13 （S30908）。奥氏体不锈钢焊材熔敷金属的力学性能应该符合中国船级社 《材料与焊接规范》 第三章第八节规定，具体要求见表5。
表5 奥氏体不锈钢焊材熔敷金属的力学性能要求
注： 奥氏体不锈钢应在-20 ℃条件下进行冲击试验。
异种奥氏体不锈钢焊接过程中焊材的选择直接影响其焊接质量，在异种奥氏体金属接头的焊缝和熔合区也存在一个过渡区，过渡区的化学成分、 金相组织都不均匀，物理性能、 力学性能都有一定的差异，可引起焊接接头缺陷。 要保证焊接接头质量，焊材的选择必须按照母材的化学成分、 性能、 接头形式和使用要求等综合考虑。022Cr17Ni12Mo2 与06Cr23Ni13 奥氏体不锈钢焊接时，在焊材选择上也需要遵循一般原则，即在无裂纹的前提下，保证焊缝金属的耐蚀性能和力学性能与母材基本相当，或高于母材，一般要求其合金成分大致与母材成分匹配[10-11]。 奥氏体不锈钢焊接过程中，希望焊缝金属含有一定量的铁素体组织 （约5%最佳），以保证其有一定的耐蚀性能和抗裂性能。 考虑到309S 是耐热不锈钢，对焊缝中的铁素体含量需要控制，焊缝中合金元素的含量是决定因素，尤其是Cr 和Ni 的比例。 焊缝中合金元素含量的影响因素主要有焊材、 母材和熔合比。 熔合比一般和焊接方法有很大关系，焊接方法确定后，熔合比的调节范围一般不大。 所以在确定焊接方法后，焊材的选择是主要考虑的问题，焊材一般可先按Gr-Ni 钢舍夫勒图估算法进行初步选择，然后以工艺试验进行验证。
根据舍夫勒图按焊缝金属中的Cr 当量和Ni当量值估算出铁素体的含量，若焊缝金属组织处于A+F （奥氏体+铁素体） 区域，则焊缝组织含有一定量的铁素体，具有一定的抗裂性能。 Gr-Ni 钢舍夫勒图如图1 所示。
图1 1 Gr-Ni 钢舍夫勒图
舍夫勒图估算法的具体步骤如下： ①明确焊接所采用的焊接工艺方法、 焊件的坡口形式； ②对所选焊材的化学成分及各基体 （即母材） 的化学成分进行统计； ③计算第一层焊缝 （即打底焊缝） 中的化学成分。 通常情况下，第一层的稀释率最大，同时焊接应力也是最大的，只要第一层不产生裂纹，第二层、 第三层一般不会产生裂纹。 所以我们计算焊缝金属的化学成分时，只要计算第一层 （即打底层） 即可； ④计算第一层焊缝 （即打底焊缝） 中的Cr 当量和Ni 当量； ⑤在Gr-Ni 钢舍夫勒图中查找计算出Cr 当量和Ni 当量所对应的点所处的区域，若对应的点处于A+F区域 （铁素体含量约5%），则说明焊材选择合适，否则需要重新选择焊材。
以 022Cr17Ni12Mo2 钢与06Cr23Ni13 钢采用焊条电弧焊为例进行比较，焊件开60°V 形坡口，焊条分别选用 E308 （牌号 A102 或 A107） 和E309 （牌号 A302 或 A307），其化学成分见表6。
表6 E308 与 E309 焊条化学成分
第一层焊缝中熔化的基体金属约占40%，由于022Cr17Ni12Mo2 钢与06Cr23Ni13 钢同属奥氏体不锈钢，且导热系数接近，因此两种基体金属的熔合量也接近，各占焊缝金属的20%，填充金属 (焊条) 约占 60%。 由表 1、 表 3 和表 6中的数据计算出第一层焊缝的化学成分见表7。
表7 第一层焊缝化学成分
焊缝中的铬当量Creq 和镍当量Nieq 的计算暂不考虑 Nb、 N 和 Cu 等影响，选用 E308 焊条时，
Creq=（Cr+Mn+1.5Si）×100%=19.9%～22.5%，
Nieq=（Ni+30C+0.5Mn）×100%=13.45%～15.85%。选用E309 焊条时，
Creq=（Cr +Mn+1.5Si）×100%=22.3%～24.9%，
Nieq=（Ni+30C+0.5Mn）×100%=16.51%～18.91%。
由舍夫勒图可以看出，选用E308 焊条时，焊缝的铬当量Creq 和镍当量Nieq 的交点范围均在A区域，焊缝易形成方向性强的粗大柱状晶，会促进有害杂质的偏析，容易形成连续的晶间液态夹层，从而增大热裂纹倾向，说明该焊条不可用；选用E309 焊条时，焊缝的铬当量Creq 和镍当量Nieq 的交点范围均在 A+F 区域 （约在 0～5%区内），即奥氏体+少量铁素体。 相关文献指出，焊缝中存在少量的δ 铁素体 （约 5%最佳） 可以大幅度提升焊缝的抗裂性能[12]，说明E309 焊条可用。 但是，这只能说明使用E309 焊条进行焊接可以避免焊接裂纹，并不能说明此焊条能满足接头的力学性能要求，焊材熔敷金属的力学性能还应该符合中国船级社 《材料与焊接规范》 第三章第八节规定，必要时还需要通过焊接工艺试验来确定。
2.2 焊接工艺要点
（1） 焊接方法。 奥氏体不锈钢对焊接方法没有特殊要求，常用的有焊条电弧焊、 TIG 焊、MIG 焊以及埋弧焊。 具体采用哪种焊接方法，需要根据生产效率和焊接质量要求等加以确定。
（2） 焊接热输入的控制。 合理控制焊接工艺参数，避免焊接接头产生过热现象。 奥氏体不锈钢导热率小，热量散失困难，容易使热影响区产生过热区。 另外，因电阻率高，焊条存在红硬性。 因此，采用焊条电弧焊接时需要选择较小的焊接规范，焊接电流不宜过高。 宜采用小电流、快速焊的方法，采用短弧焊接，多层焊每层焊缝的厚度最好不要超过4 mm。
（3） 预热、 后热以及道间温度的控制。 奥氏体不锈钢焊接时，一般不需要焊前预热，也不需要焊后热处理，而且应该适当加快冷却速度，并在多层焊过程中严格控制道间温度，最好在150 ℃以内，必要时可以采取水冷措施。
（4） 熔合比的控制。 焊缝的化学成分变化对焊缝组织影响很大，为确保得到理想的焊缝组织，必须保证焊缝的化学成分稳定，因此，应该尽可能控制焊接工艺，以保证熔合比稳定。 熔合比与焊件的坡口形式、 焊接方法及填充材料都有一定的关系，当坡口形式、 焊接方法及焊条成分确定以后，熔合比的控制主要是靠控制焊接工艺参数，其中焊接电流对熔合比的影响最大，焊接过程中宜选择小电流、 快速焊、 短弧焊，此方法能很好地控制焊缝中铁素体的含量，有利于避免焊接裂纹的产生。
（5） 加强被焊工件的表面控制。 焊前和焊后的清理工作常常会影响到奥氏体不锈钢的耐蚀性。 焊前坡口清理工具需要采用不锈钢专用打磨工具，并注意不要碰伤工件其他部位，焊接过程中注意不能在工件表面随意引弧，焊后清理需采用不锈钢专用工具，如不小心碰伤或划伤工件表面，需要对碰伤或划伤部位进行防腐处理 （如抛光处理等）。
3 结束语
异种奥氏体不锈钢的焊接工艺重点在于焊材的选择，其次才是焊接工艺控制。 本研究022Cr17Ni12Mo2 与06Cr23Ni13 奥氏体不锈钢焊接时，焊材选择可按Gr-Ni 钢舍夫勒图进行初步选择，但要注意不管是何种钢的焊接，焊材的选择均基于工艺试验，必须满足使用要求。 奥氏体不锈钢焊接需要注意工件表面的保护，避免受到碳污染。 另外，焊接过程中适时强冷对焊接质量的控制是有利的。
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Selection and Technical Measures of Welding Materials for Dissimilar Austenitic Stainless Steel
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