阀门膨胀节用接管和波纹管焊接工艺的分析

　　介绍了阀门膨胀节中的接管和波纹管分别选用15CrMo 和304 不锈钢材料连接的焊接工艺。通过对15CrMo、304 不锈钢及其异种接头焊接性分析，对比分别采用Ni 基合金和奥氏体不锈钢填充材料时，获得的焊缝组织，结合焊接性分析结果，确定焊接工艺、制定焊接工艺参数。

1、概述

　　某管道工程中，阀门膨胀节中的接管和波纹管分别选用15CrMo (珠光体耐热钢) 和304 不锈钢( 奥氏体不锈钢) 材料制造，然后采用焊接工艺将其连接。15CrMo 和304 不锈钢虽然都是铁基合金，但二者成分和性能差距很大，属异种金属的焊接。由于不同金属的化学成分、物理特性、化学性能差别较大，异种金属的焊接比同种金属焊接复杂的多。

2、焊接性分析

　　2.1、15CrMo 的焊接性

　　15CrMo 属于珠光体耐热钢，其焊接性与低碳调质钢相近。焊接有冷裂倾向，焊后热处理有消应力裂纹倾向。15CrMo 的淬硬倾向及冷裂纹敏感性可根据碳当量间接评测。根据国际焊接学会(ⅡW) 推荐的碳当量公式计算得到15CrMo 碳当量CE 为

　　通过式(1) 计算( 该结果忽略杂质含量，实际碳当量应略高于计算值) 得到15CrMo 的CE 介于0.43% ～0.63% 之间，平均值为0.53%。根据碳当量判定条件，可知15CrMo 焊接必须通过一定温度的预热才能防止裂纹的发生。根据Ito - Bessyo 的预热温度计算公式初步计算δ = 6mm 预热温度。

　　通过式(2) 计算可知15CrMo 焊接预热温度应介于152 ～189℃之间。防止15CrMo 焊后热处理消应力裂纹倾向的主要工艺措施为通过提高预热和层间温度，采用低热输入焊接方法和工艺，缩小焊接接头过热区的宽度，限制晶粒长大，选择合理的热处理工艺参数，尽量缩短敏感温度区间的保温时间。

　　2.2、304 不锈钢的焊接性

　　304 不锈钢是典型的的奥氏体不锈钢，与其他不锈钢相比，奥氏体不锈钢的焊接比较容易，但其具有较高的热裂纹敏感性，在焊缝及近缝区都有可能产生热裂纹。产生热裂纹的基本原因是由于在焊缝局部加热和冷却条件下，焊接接头部位的高温停留时间较长，焊缝金属及近缝区在高温承受较高的拉伸应力和应变引起。

　　2.3、Ni 基合金的焊接性

　　Ni 基合金具有较奥氏体不锈钢更高的热裂纹敏感性。Ni 基合金焊缝金属较钢焊缝金属不易润湿展开，即使增大焊接电流也不能改进焊缝金属的流动性，反而起着有害作用。Ni 基合金热导率较不锈钢要低，相同参数下高温停留时间更长。因此要避免高热输入带来的不利影响，宜采用较不锈钢小的热输入进行焊接。

　　2.4、15CrMo 与304 不锈钢异种接头焊接性

　　15CrMo 与304 不锈钢焊接时，两种母材都要发生熔化，与填充金属共同形成焊缝。由于前者合金元素远低于后者，因此其熔化进入焊缝，会对整个焊缝金属成分产生稀释作用。

　　在15CrMo 与304 不锈钢焊接熔池边缘，由于液态金属温度低，流动性差，在液态停留时间较短，一般情况下15CrMo 与填充金属材料的成分有较大差异，熔化的母材金属在熔池边缘与填充金属不能很好的熔合，形成和焊缝金属成分不同、宽度0.2 ～0.6mm 的过渡层。这区域可能是高硬度马氏体或奥氏体加马氏体组织，而这种组织正是引起焊接裂纹的原因之一。

　　由于15CrMo 含碳量较高，合金元素较少，而304 不锈钢却相反。在高温加热过程中，一部分碳通过界面由15CrMo 一侧迁移奥氏体一侧，在15CrMo 一侧形成脱碳层，同时在奥氏体一侧形成增碳层。这个结果会降低接头高温持久强度10%～20%。为了防止碳迁移可采用15CrMo 一侧增加碳化物形成元素或在奥氏体焊缝中减少这些元素，在15CrMo 一侧预先堆焊含强碳化物形成元素或镍基合金的隔离层，提高奥氏体焊缝中的镍含量，减少焊缝及热影响区高温停留时间。

　　15CrMo 与304 不锈钢的线膨胀系数相差较大，且304 不锈钢的导热能力较差，因此焊后在焊缝和熔合线附近会产生较大的焊接残余应力。这种残余应力不能通过热处理的方法消除。如这种接头在交变温度下工作时，15CrMo 侧就可能出现热疲劳裂纹，使接头过早断裂。为防止这种现象的出现，主要采用的工艺措施为优先选用线膨胀系数与15CrMo 线膨胀系数相近且塑性好的镍基材料作为填充金属，严格控制冷却速度，并采用焊后缓冷等措施。

　　2.5、焊缝组织分析

　　焊缝金属成分可通过不同的焊接材料，不同的熔合比进行控制。通过分析，结合实际生产需求，焊缝填充材料可选择奥氏体不锈钢焊丝H0Cr21Ni10或ERNiCr-3 焊丝，相关金属化学成分及当量值见表1，通过图1 对焊缝组织进行分析。