汪永基
陕西化建工程有限责任公司 陕西咸阳712100
摘要：通过对TP347H双相不锈钢焊接裂纹产生原因的分析，并制定了相应的应对措施，调整了焊接工艺参数；对焊接方法，程序进行了优化，并使用试件进行了焊接验证；经过无损检测合格，证明可行。现对双相不锈钢焊接施工方法进行总结，便于为以后的同类焊接积累经验，提供参考。经过调整焊接操作方法，加快冷却速度，降低层间温度，减少热影响区在敏化区停留时间；促使焊缝保有奥氏体+铁素体双相组织，有效保证了焊接质量，消除了焊接裂纹。
关键词：腐蚀裂纹、热裂纹、铁素体、工艺因素、冷却速度
TP347H双相不锈钢是根据Fe-Cr-Ni三元平衡图中，当Cr大于18%，Ni大于8%时，室温下可以获得奥氏体+铁素体的原理发展而来的【1】，焊后无淬硬倾向；但是在焊接时易出现晶间腐蚀、应力腐蚀开裂和焊接热裂纹缺陷。晶间腐蚀主要是奥氏体不锈钢在450-850℃温度范围内停留一定时间后，在晶界处会析出Cr23C6【2】，会使晶界处的晶粒增大形成贫铬区，接触到腐蚀介质后；贫铬区极易腐蚀，受到晶间腐蚀的不锈钢虽然在表面上没有任何变化，但在受力时会沿晶界断裂【3】。应力腐蚀是因为奥氏体钢的导热性差、热膨胀系数大而引起的【4】。焊接热裂纹产生主要有以下因素：液相线和固相线距离大，凝固过程中温度范围大，使低熔点杂质严重偏析，而且集中在晶界处，从而引起裂纹产生。
1. 腐蚀引起的裂纹
1.1 晶间腐蚀裂纹
晶间腐蚀包括焊缝晶间腐蚀、热影响区（HAZ）敏化腐蚀和焊趾处刀状腐蚀。均是在奥氏体晶粒周边先发生碳的聚集，而后碳与铬结合而形成Cr23C6或碳的铬化物，使晶间发生贫Cr造成的。单相奥氏体呈发达的柱状晶，经敏化温度（450-850℃）后，出现的贫铬层可以贯穿晶粒之间而构成腐蚀介质集中的通道，使不锈钢的耐蚀性下降；从而产生应力集中，引发裂纹。避免晶间腐蚀应从以下方面入手：
1）降低母材或焊材的含碳量，采用超低碳焊材；在焊材中加入一些稳定碳元素的合金元素，如Ti或Nb；
2）从冶金方面，打散奥氏体焊缝中的柱状晶，形成双相组织。
1.2 应力腐蚀裂纹
应力腐蚀主要是因为不锈钢的物理性能与碳钢有很大区别，不锈钢的线膨胀系数比碳钢约大50%；热导率比碳钢低，约为其1/3左右；电阻率是碳钢的5倍。所以焊缝冷却时残余应力大；收缩应力很大是造成奥氏体钢应力腐蚀开裂的主要原因。焊接残余应力的存在加速了腐蚀的速度，因此焊接时应尽量降低残余应力【5】。
2. Cr-Ni奥氏体不锈钢焊接时有较大的热裂纹倾向
2.1 液化裂纹
液化裂纹是紧靠熔合线的近焊缝区的母材被加热到接近钢材熔点的高温状态时，晶界中的低熔点共晶体在焊接热循环作用下会完全熔化【6】；当熔池冷却时，如果这些低熔点共晶体未完全重新凝固，就会发生较大的应变，出现晶间液膜分离；在收缩应力的作用下产生裂纹，常出现在近缝区。低熔点共晶体熔点越低（664-1190℃），凝固时间越长，液化裂纹出现的倾向就会越高；近缝区在高温下停留的时间越长，裂纹倾向越严重。这种裂纹具有沿晶界开裂的特点，表现为：晶粒有明显的树枝状突出，晶间面圆滑，断口有明显的氧化；一般比较细小，可能出现在焊缝表面，也可能出现在焊缝金属内部。
2.2 凝固裂纹
凝固裂纹(结晶裂纹）在初次结晶的晶界处开裂，只出现在焊缝中，易出现在弧坑中，也叫弧坑裂纹【7】。熔池凝固时，要由液态-固态（液多）到固态-液态（固多）两个阶段。液态时，焊缝金属一般是靠液相的自由流动而发生形变，少量的固相晶粒只是移动了一下位置，本身的形状基本不发生变化。在固、液状态时，塑性变形的特点是晶间的相互移动，晶体本身也可能发生一些变形。由于晶体可以交织长合成枝晶骨架，晶体间残存的低熔点液相不能自由流动。在低熔点金属凝固收缩时，会发生较大的应变，使得应变量超出晶体间的延展性，从而造成开裂。原因是：
1）奥氏体不锈钢的导热系数小和线膨胀系数大，延长了焊缝金属在高温区的停留时间，提高了焊缝金属在高温时经受的拉伸应变。在焊接局部加热和冷却条件下，接头在冷却过程中形成较大的拉应力。焊缝金属凝固过程中存在较大的拉应力是产生凝固裂纹的必要条件。另外，熔池中会存在一定量的低熔点共晶体，产生原因是母材及焊材中的合金成份、杂质含量，熔池的过热程度不同而形成的。
2) 焊缝结晶时，结晶方式可使低熔点共晶体封闭在柱状晶体之间，这与熔池的形状和散热方向有关。液相线与固相线之间的距离越大，凝固过程的温度范围就会越大；奥氏体易形成方向性很强的柱状晶焊缝组织，使低熔点有害杂质严重偏析，并在晶界聚集；从而促使形成晶间液态间层，促使产生焊缝凝固裂纹。
3）纯奥氏体焊缝的柱状晶间存在低熔点夹层薄膜，在凝固结晶后期以液体薄膜的形式存在于奥氏体柱状晶粒之间，在一定拉应力下起裂、扩展形成晶间裂纹。机理是：焊缝金属凝固时，高温阶段晶间延展性或塑性变形能力δmin不足以承受当时所发生的应变量ε，即ε≧δmin。奥氏体钢及其焊缝的合金组成复杂，相互化合易形成低熔点共晶体，形成有害的液态间层。另外，一些杂质元素容易产生偏析，也是促使产生低熔点共晶体的原因。结晶过程中必须产生足够的应变，而应变的大小是由熔池的体积、工件的形状、厚度等所决定的。
3、从铁素体的产生与控制方面来减少裂纹的产生
3.1.Cr形成铁素体，Ni形成奥氏体元素
采用较小的线能量，增加连续冷却过程中的过冷度，快速冷却，可以使奥氏体不锈钢中的铁素体元素含量增加，从而达到防止裂纹产生的目的。
3.2铁素体组织相变过程
液相（L）高温铁素体相（α）奥氏体相（y）常温组织为奥氏体相+少量的因过冷而残余的铁素体相。少量的铁素体在焊缝中呈孤岛状，可妨碍奥氏体相的枝晶发展，并能溶解杂质以减少偏析。铁素体对抵抗裂纹是有利的，在5%-20%含量时热裂纹倾向最小。但是较多的铁素体会增加奥氏体不锈钢的晶间腐蚀敏感性，在高温下长期停留还会导致金属脆性的生成，因此，一般限制含量为5%-8%。
4.工艺因素对焊接裂纹的影响
4.1成型系数
B=宽、H=厚、系数Φ=B/H。成形系数会影响枝状结晶成长的方向和会合面的偏析情况。Φ较大时、枝状晶呈现相对方向的生长，杂质集聚，易形成热裂纹；因此，不易大于1【8】 。
4.2线能量的影响
合适的线能量可以降低熔池金属的温度，有效减少偏析的数量；提高冷却速度，便于生成更多的残余铁素体含量，能够减少熔池金属，从而降低熔池结晶时的应变量；有利于减少粗大枝形晶体的形成等。
5.焊接过程控制对裂纹的影响
采用较小的焊接电流、焊条直径，较快的焊接速度和多层多道焊，焊接时不摆动焊条，窄焊道等方式来减小熔池的体积，加快冷却速度及加大过冷度等方法有效控制裂纹的产生。
6. 结论
通过对TP347H双相不锈钢焊接裂纹产生原因的分析；预防裂纹产生措施如下：主要是减小焊缝成型系数，采用超低碳焊丝，通过在氩弧打底焊接过程中采用减少线能量输入，调整运条方法，减小熔池体积，减小热影响区面积，加快冷却速度，减少在敏化区(450-850℃)停留时间来实现；在手工焊填充、盖面焊接过程中，采用较大电流断弧快速焊，减小熔深，减小熔池金属厚度，减少熔化金属体积，辅助水冷降温，加快冷却速度，增加过冷度；减少焊接残余应力，降低层间温度、使其保持在100℃以内的焊接操作方法；采用多层多道焊接，有效保证了焊缝结晶过程中奥氏体+铁素体双相组织的存在，减少了焊接裂纹产生的几率。
参考文献
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