李建强

[摘 要]对石油化工装置304不锈钢焊接工艺与焊接材料的选择进行分析

[关键词]304不锈钢；焊接工艺；奥氏体；马氏体

中图分类号：F689 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）11-0094-01

1、背景介绍

石油化工装置中，存在许多高温、高压管道，或者洁净度要求较高的的管道和设备，因此不锈钢大量采用。不锈钢是指主加元素Cr高于12%，能使钢处于钝化状态、又具有不锈钢特性的钢，奥氏体不锈钢通常在常温下的组织奥氏体+少量铁素体。由于所需要获得的组织要求比较严格，不锈钢的焊接尤为重要，焊材的选取成为关键。某装置304不锈钢管道焊接时，施工单位根据自己的焊接工艺评定采用了A132焊条，一些现场人员认为没有采取常用的A102焊条，会产生问题，那么到底采用A132焊条是否可行呢？下面从理论上对304不锈钢焊材的选用作一介绍。

2、304不锈钢的焊接特点

2.1 304不锈钢简介

304相当于我国的0Cr18Ni9不锈钢，化学成分见下表：

力学性能：抗拉强度 σb （MPa）≥520；条件屈服强度 σ0.2 （MPa）≥205；伸长率 δ5 （%）≥40；断面收缩率 ψ （%）≥60；硬度：≤187HB。

2.2 304奥氏体不锈钢的焊接特点

（1）容易出现热裂纹：尽量使焊缝金属呈双相组织，铁素体的含量控制在3-5%以下。因为铁素体能大量溶解有害的S、P杂质。尽量选用碱性药皮的优质焊条，以限制焊缝金属中S、P、C等的含量。

（2）晶间腐蚀：根据贫铬理论，焊缝和热影响区在加热到450-850℃敏化温度区时在晶界上析出碳化铬，造成贫铬的晶界，不足以抵抗腐蚀的程度。

（3）应力腐蚀开裂：应力腐蚀开裂是焊接接头在特定腐蚀环境下受拉伸应力作用时所产生的延迟开裂现象。奥氏体不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂是焊接接头比较严重的失效形式，表现为无塑性变形的脆性破坏。

（4）焊缝金属的低温脆化：对于奥氏体不锈钢焊接接头，在低温使用时，焊缝金属的塑韧性是关键问题。此时，焊缝组织中的铁素体的存在总是恶化低温韧性。

（5）焊接接头的σ相脆化：焊件在经受一定时间的高温加热后会在焊缝中析出一种脆性的σ相，导致整个接头脆化，塑性和韧性显著下降。σ相的析出温度范围650-850℃。在高温加热过程中，σ相主要由铁素体转变而成。加热时间越长，σ相析出越多。

3、不锈钢焊接的焊材选用

不锈钢主要用于耐腐蚀，但也用作耐热钢和低温钢。因此，在焊接不锈钢时，焊条的性能必须与不锈钢的用途相符。不锈钢焊条必须根据母材和工作条件（包括工作温度和接触介质等）来选用。

（1）一般来说，焊条的选用可参照母材的材质，选用与母材成分相同或相近的焊条。如：A102对应0Cr19Ni9；A137对应1Cr18Ni9Ti。

（2）由于碳含量對不锈钢的抗腐蚀性能有很大的影响，因此，一般选用熔敷金属含碳量不高于母材的不锈钢焊条。如316L必须选用A022焊条。

（3）奥氏体不锈钢的焊缝金属应保证力学性能。可通过焊接工艺评定进行验证。

（4）对于在高温工作的耐热不锈钢（奥氏体耐热钢），所选用的焊条主要应能满足焊缝金属的抗热裂性能和焊接接头的高温性能。

（5）对于在各种腐蚀介质中工作的耐蚀不锈钢，则应按介质和工作温度来选择焊条，并保证其耐腐蚀性能（做焊接接头的腐蚀性能试验）。

（6）也可选用镍基合金焊条。如采用Mo达9%的镍基焊材焊接Mo6型超级奥氏体不锈钢。

4、304不锈钢焊接材料选用分析

A102焊条是与304化学成分匹配的焊材，A132则是加入了Nb元素，那么焊接形成的焊缝会是什么组织呢，这需要通过舍弗勒图来进行计算。所用公式为：

Creq =Cr+1.37Mo+1.5Si+2Nb+3Ti Nieq=Ni+22C+14.2N+0.31Mn+Cu（图1）

A132焊条的化学成分为：

对于A132：

Creq = Cr+1.37Mo+1.5Si+2Nb+3Ti = 19.83+1.5×0.59+2×0.52 = 21.76

Nieq = Ni+22C+14.2N+0.31Mn+Cu = 9.54+22×0.043+0.31×1.15 = 10.84

对于304不锈钢：

Creq = Cr+1.37Mo+1.5Si+2Nb+3Ti = 19.00+1.5×1.00 = 20.50

Nieq = Ni+22C+14.2N+0.31Mn+Cu=9.50+22×0.08+0.31×2.00=11.88

焊接时，焊缝的成分取决于熔合比D，设D=0.3，即母材金属熔入焊缝30%，则对于焊缝：

Creq = 0.3 × 20.50+0.7×21.76 = 21.38

Nieq = 0.3 × 11.88+0.7×10.84 = 11.15

以上三组数据对应舍弗勒图全部落在图上的A+F区，也就是奥氏体+少量铁素体区，不会生成易裂的马氏体区，焊缝组织完全可以保证。以上是计算分析，其实简言之奥氏体不锈钢采用奥氏体不锈钢的焊材焊接一定生成奥氏体组织。

那么Nb元素加入到304不锈钢焊缝中会有什么影响呢，Nb的固溶强化作用很强，显著提高钢的淬透性和强度，还可细化晶粒，并提高钢的高温性能，适当加入Nb元素对焊缝的性能是有益的。

4、结论

各种不锈钢焊接材料的选用不是唯一的，要根据其使用情况进行选择，同时兼顾母材和工作条件（包括工作温度和接触介质等）来选用，这样才有可能能达到所预期的焊接质量。