310S耐热不锈钢的焊接性及焊接技术

  浙江至德钢业有限公司对310S耐热不锈钢的焊接性进行研究分析，对材料的关键焊接技术进行介绍。奥氏体不锈钢中的耐热不锈钢发明于20世纪60年代，但由于存在材料焊接等问题，一直没有大规模应用。直到20世纪80年代，随着冶金技术的进步和新材料关键技术的突破，材料的焊接性得到了改善，才使得这种钢材大规模应用。310S（0Cr25Ni10）是耐热型不锈钢中的一种，用途最为广泛，具有很好的抗氧化性、耐腐蚀性，特别是具有良好的耐高温性能，最高使用温度可以达到1200℃，连续使用温度可以达到1150℃。广泛应用于制造锅炉、汽轮机、工业炉以及航空、石化等工业部门中在高温下工作的零部件。

 我公司承接的青岛惠城石化大型炉料干燥机，正常工作温度是600℃∼800℃，维修周期一般是3-5个月，壳体主要材料是310S。在干燥机设备的制作中，焊接是最主要、最关键的工作之一。该材料的焊接工序复杂，工艺要求高，一有操作不当就会产生裂纹等严重缺陷，给设备带来严重的隐患，焊接难度很大。在对材料焊接性能研究的基础上，通过制定合理的焊接工艺规程和工艺纪律，保证了工程质量。本文从工程应用的角度，介绍了这种材料的焊接性能特点及其一些关键的焊接技术。

一、材料的焊接性能分析

 1. 310S耐热不锈钢焊接性

  310S钢属于耐热型奥氏体不锈钢，焊接这类钢容易出现焊接高温（热）裂纹，包括：结晶裂纹、液化裂纹和脆性裂纹。结晶裂纹常出现在焊缝中，尤其容易发生在焊缝收尾部分和弧坑处，后两种裂纹主要出现在热影响区（HAZ）的过热区，而液化裂纹也可能发生在多层多道焊缝中的焊层间和焊道间的热影响区中。

  分别采用拘束裂纹试验和变拘束裂纹试验，对310S钢和常用的TP347H钢的焊接性进行对比，分析评估310S钢的热裂纹敏感性。结果表明，相同条件下310S钢的裂纹敏感性远低于TP347H钢。

  铬镍奥氏体钢焊接后若经过敏化，接头HAZ可能发生晶间腐蚀。铬镍奥氏体钢应力腐蚀易发生在含有氯离子的介质中，其温度愈高愈易发生应力破裂（SCC），所以应防止310S钢在运行和升温阶段发生SCC。

 2. 310S钢的化学成分分析

  310S不锈钢主要的合金元素是铬、镍、锰和硅，其质量百分比为25%的铬，19%的镍，2%的锰，1%的硅，该材料一般以固溶处理状态交货。此次项目的主要材料进厂后，我们首先对材料进行了复验，以防止材料的化学成分对焊缝质量产生影响，表1是板厚14mm的310S钢板化学成分复验数据。

  从检测中心对材料成分的复验数据来看，本批次材料化学成分符合标准GB/T20878-2007不锈钢和耐热钢牌号及化学成分的规定。

二、材料的焊接技术

  为了取得良好的焊接质量，应该掌握这种钢材的焊接特点和注意事项。另外，从腐蚀的角度来看，焊接接头总是不锈钢结构的最薄弱环节，实际上最终的腐蚀水平是由焊工决定的，为了尽可能的取得良好的效果，焊接操作过程应该遵守一些基本规则，总结这种材料焊接的关键技术如下。

 1. 焊接方法和材料的选择

  一般用于奥氏体不锈钢的焊接方法，如手工电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊等，都可以用于这种钢材的焊接。焊接材料要选用熔敷金属的化学成分与母材的化学成分相匹配的焊材。

  2. 焊接工艺参数的选择

  焊接线能量太大或太小都不好，一般控制在0.5∼2.5kJ/cm范围内，其具体大小要根据焊件厚度选择。一般焊接时不需要预热，但焊件厚度过大或环境温度过低时，为防止冷速过快造成焊缝和热影响区焊后开裂，必须采取预热措施。为了防止焊缝热影响区的晶粒粗大，还要控制层间温度，不锈钢的层间温度一般控制在100℃以下。

  3. 焊接熔池及背面的保护

  有效的背面气体保护是保证焊接质量的前提，保护气体的纯度应满足工艺要求，应采取有效的背面保护工装，开始焊接时要对焊缝背面的氧含量进行检测，满足工艺要求后才能开始焊接。

  4. 定位焊缝

  定位焊缝焊接时，如果长度过短，焊接未建立起平衡过程即结束，焊缝冷却会很快，可能导致裂纹缺陷，因此，如采用定位焊，对定位焊缝的最短长度应进行规定，且应采用较大热输入规范参数。如果出现裂纹缺陷，应该在正式焊接前把定位焊缝的缺陷全部清理干净。

  5. 焊接过程材料的保护

  材料表面的弧击和起弧，是一个瞬间的高温过程，冷却速度很快，表面显微组织中铁素体含量高，这种组织对裂纹和腐蚀很敏感，应尽力避免，如果产生必须用细砂轮打磨去除。现场焊接过程中材料的保护很重要，应避免碳钢、铜、低熔点金属或其他杂质对不锈钢的污染，可能情况下，不锈钢和碳钢应分开存放和焊接。焊接和切割过程中应采取措施防止飞溅、弧击、渗碳、局部过热等。

  根据研究掌握的技术，拟定工艺规程进行焊接工艺评定，表是δ=14mm 310S耐热不锈钢板对接焊缝的焊接工艺评定数据，评定结果满足相关标准要求，焊接接头性能优良。

三、结论

 310S耐热不锈钢具有良好的耐腐蚀和耐高温性能，应用前景广阔。该材料的焊接有许多特点，工序复杂，工艺要求高，掌握材料的焊接性能特点和关键技术是保证质量的前提。生产过程中，通过制定详细的工艺规程和严格的工艺纪律，并在焊接中严格执行，才能保证工程的焊接质量。