厚板奧氏體不銹鋼焊接技術研究現狀

隨著厚板奧氏體不銹鋼應用的日益廣泛，厚板奧氏體不銹鋼焊接技術受到越來越多的關注。結合厚板奧氏體不銹鋼的焊接性，對厚板奧氏體不銹鋼焊接技術的研究成果及發展現狀進行了詳細分析，重點介紹了常規電弧焊、埋弧焊、窄間隙焊、電子束焊接和激光焊在焊接厚板奧氏體不銹鋼時的研究情況，包括焊接工藝制定、焊材選擇、焊接參數選取及焊接質量評價等，并提出了目前厚板奧氏體不銹鋼焊接存在的問題及今后的發展方向，對厚板奧氏體不銹鋼焊接技術的未來發展具有重要意義。

奧氏體不銹鋼由于具有優良的高溫熱強性、抗高溫氧化性以及良好的耐腐蝕性能，在石油化工設備、壓力容器、機械設備、核電工業等領域得到廣泛應用。在實際工程應用中，奧氏體不銹鋼結構件主要通過焊接成型，因此其焊接質量一直備受關注。隨著現代化工業的迅速發展，對奧氏體不銹鋼焊接結構的承受載荷能力、工作強度和使用壽命要求越來越高，因此許多結構部件需要使用大厚度奧氏體不銹鋼板，且對其焊接接頭質量提出了更高的要求。針對以上問題，文中對厚板奧氏體不銹鋼的焊接性進行分析，對其焊接技術研究現狀進行概括和總結，并提出厚板奧氏體不銹鋼焊接存在的問題，對其未來研究方向的確定和更廣泛應用的獲得具有重要意義。

1奧氏體不銹鋼焊接性能分析

奧氏體不銹鋼具有良好的焊接性能，但焊接時仍然存在焊接熱裂紋、脆化、晶間腐蝕和應力腐蝕等問題，且由于奧氏體不銹鋼導熱性差（其熱導率約為碳鋼的1/3），線膨脹系數大（比碳鋼大50%），導致焊接應力和焊接變形大，給厚板奧氏體不銹鋼的焊接帶來很大困難。經驗表明，厚板奧氏體不銹鋼的焊接主要有以下幾個方面的問題：①板材厚度大，其焊接接頭拘束度大，導致焊后接頭中有較大焊接殘余應力產生，進而發展為焊接裂紋；②由于奧氏體存在柱狀晶方向性強的特點，S，P等雜質容易偏析，且容易發生晶格的聚集，導致焊接時易產生焊接裂紋；③在對厚板奧氏體不銹鋼進行多層焊焊接時，碳化鉻在500~800℃溫度范圍內沿晶界析出，形成貧鉻區，極易產生熱裂紋。因此，為了確保厚板奧氏體不銹鋼的焊接質量，必需采取合理的焊接工藝，嚴格按照焊接規范施焊。目前厚板奧氏體不銹鋼的焊接主要采用焊條電弧焊、鎢極氬弧焊、埋弧焊、窄間隙焊、電子束焊接和激光焊等。

2奧氏體不銹鋼焊接技術研究現狀

2.1常規電弧焊

這里所說的常規電弧焊主要指焊條電弧焊、鎢極氬弧焊和熔化極氣體保護焊。焊條電弧焊是國內用于奧氏體不銹鋼焊接的主要方法，其焊接時應根據母材的化學成分選擇焊條，所選擇奧氏體不銹鋼焊條的化學成分類型應與母材相同，焊條中的鉻鎳含量不低于母材，含碳量不高于母材。焊條電弧焊屬于手工焊接，焊接效率低、勞動強度大，且受干擾因素較多，焊接質量難以保證。鎢極氬弧焊用于焊接奧氏體不銹鋼時，適用于8mm厚度以下的板結構，特別適用于厚度為3mm以下的薄板，焊接厚件時，一般用作打底焊，對于管子的焊接直徑一般要求為60mm以下。熔化極氣體保護焊可以用于厚板的焊接，但用其焊接奧氏體不銹鋼板時，焊縫窄而高，焊縫成形差，因此應用少。

Tabatabaeipour等人采用焊條電弧焊和氣體保護鎢極氬弧焊對25mm厚度316L不銹鋼進行了焊接，坡口角度60°，鈍邊2mm，并對兩種方法所得焊縫組織進行了對比，發現焊縫組織均為柱狀晶組織，且晶粒垂直于焊縫熔合線生長。通過超聲檢測發現，與鎢極氬弧焊焊接接頭相比，焊條電弧焊焊接接頭中更易出現焊接缺陷。

中國石油大學的孫曉娜等人采用焊條電弧焊對板厚為60mm的SUS304奧氏體不銹鋼板進行了多層焊接，坡口形式為雙U形坡口，正反面交替施焊，可以防止焊接時工件發生嚴重變形，由于多道焊的反復加熱，厚板奧氏體不銹鋼焊縫的組織由粗大等軸的柱狀晶奧氏體以及沿柱狀晶分布的鐵素體組成。

冷小冰等人對厚度為8mm的304不銹鋼管進行焊接試驗，試驗采用平位置焊接，焊件之間不留間隙、不開坡口，使用不銹鋼活性焊接可以一次焊透，并能實現單面焊雙面成形，突破了傳統管道焊接的焊接工藝，具有高效率、低耗材和低成本的特點。

周桂芬采用氬弧焊打底，焊條電弧焊蓋面方法實現了大徑厚壁奧氏體不銹鋼管道的焊接，采用的焊接材料為ER308L焊絲和E308L-15焊條。氬弧焊打底需焊接三層，為了保證焊接質量，進行第一層焊條電弧焊時需要充氬氣保護。焊接時需嚴格控制層間和道間溫度，使之低于80℃。焊后采用無損檢驗及力學性能測試，得出所制定的焊接工藝合理、可行。

寶鈦集團對直徑為p133mm，厚度為11mm的1Cr18Ni9Ti不銹鋼厚壁管進行全位置焊接，焊接工藝為：手工鎢極氬弧焊打底，MAG焊填充及蓋面，MAG焊采用（CO2+Ar）混合氣體保護，采用立向上的水平固定全位置焊接。焊接材料分別為直徑2.5mm和1.0mm的308L焊絲。焊后進行外觀檢驗、無損檢驗及性能檢驗，焊接效果和焊接質量均良好，且焊接效率較高，焊接質量顯著優于焊條電弧焊。

2.2埋弧焊

埋弧焊時電弧在焊劑層下燃燒，因此其焊接質量穩定，同時還具有成形美觀、焊接效率高等優點。但埋弧焊熱輸入量大，焊接熔池體積較大，焊后冷卻速度慢，合金元素及雜質易發生偏析，且由于奧氏體不銹鋼導熱性差，熱膨脹系數大，在埋弧焊局部加熱條件下焊接接頭會受到拉應力作用，導致焊縫中產生熱裂紋。埋弧焊焊接奧氏體不銹鋼適用于中厚板，有規則的長直縫和直徑較大的環縫，且相同焊縫數量多，還只限于平焊位置。埋弧焊焊接奧氏體不銹鋼焊接材料的選用，要求焊絲中碳的質量分數不得高于母材，鉻鎳含量比母材高。

賈欣等人采用埋弧焊工藝對55mm厚304不銹鋼板進行焊接，試驗選用ER308L焊絲和SJ601焊劑，所獲得焊縫與母材結合良好，焊縫中無晶間腐蝕傾向和裂紋等缺陷產生，通過焊后微觀組織分析發現焊縫中沒有嚴重的晶粒粗化現象，通過焊接工藝評定得出，各項性能均符合相關要求。

黃磊等人采用自動埋弧焊技術對大慶甲醇廠改造工程中入塔器預熱器殼體所采用的0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼厚板進行了焊接，殼體厚度為32mm，具體焊接方法是：焊劑墊埋弧自動焊焊接內坡口，懸空焊埋弧自動焊焊接外坡口。自動焊焊材采用HOCr21Ni10（焊絲）+HJ260（焊劑），焊后經無損檢測，所用環、縱焊縫均100%合格，完全符合質量要求。

2.3窄間隙焊接技術

窄間隙焊接（narrow-gap welding，NGW）技術是美國巴特爾研究所提出的一種弧焊方法，與其他的弧焊技術相比，此方法具有無可比擬的優越性，此方法主要采用U形或I形坡口，焊縫截面積大幅減小，需要的焊縫填充材料較少，可以大大提高焊接效率，此外焊接線能量小，能很好的改善組織和力學性能。因此，NGW技術是厚板焊接的理想選擇。高效率和高質量的NGW技術在奧氏體不銹鋼的焊接中已經得到應用，特別是有利于厚度超過20mm的厚板焊接。對比焊條電弧焊，NGW技術可以實現高的焊接質量、短的焊接工期、可控制的焊接全過程等現代焊接。

核工業工程研究設計有限公司采用NGW自動焊工藝對壓水堆核電站主回路管道奧氏體不銹鋼大口徑厚壁管進行了焊接研究，并對焊接工藝進行評定，參照標準為RCC-M，通過評定得出焊接工藝符合標準要求。因此采用NGW自動焊工藝可行，且具有顯著優勢。

韓國科學技術學院采用NGW技術對核工業用壁厚為76mm的316L不銹鋼管進行了焊接，所用焊接設備為鎢極氬弧焊GTAW焊機，填充焊絲為0.9mm直徑的308L，通過對接頭微觀組織和疲勞裂紋擴展時焊接接頭殘余應力分布規律的研究，得出熔合區為典型的蜂窩樹枝狀結構，殘余應力分析表明焊縫內部區域受最大拉應力，因此其疲勞裂紋擴展速度最快，焊縫中間區域受最大壓應力。

近年來新興起的超窄間隙焊接（ultra-narrow gapwelding，UNGW）技術，采用I形坡口對接焊，與常規窄間隙焊接相比，所用間隙寬度更小，一般都在6mm以下，且為單道多層焊，具有比常規NGW技術更小的焊接變形和殘余應力，以及更加優良的焊接接頭性能和更高的焊接效率，這對于改善奧氏體不銹鋼厚壁工件接頭的耐蝕性和力學性能具有獨特的優勢。蘭州交通大學采用UNGW對1Cr18Ni9Ti不銹鋼進行了焊接，采用I形坡口，坡口間隙為5.5mm。與常規弧焊方法相比，UNGW方法的熱輸入很低，可得到晶粒更加細小且奧氏體基體上分布板條狀鐵素體的焊縫組織，故1Cr18Ni9Ti不銹鋼UNGW接頭具有接近于母材的力學性能。此外由于低的熱輸入，還顯著減小了接頭HAZ處于敏化加熱的時間，加快了熔池凝固速度，從而有效抑制了晶界處鉻的碳化物析出。同時敏化加熱時，晶粒內奧氏體與鐵素體兩相界面處Cr易實現均勻化，可減少奧氏體晶粒內形成貧Cr層。因此Cr18Ni9Ti不銹鋼UNGW接頭耐蝕性能優于母材。

2.4電子束焊接

電子束焊接是在真空環境下焊接表面受到高速電子束的轟擊，瞬時熔化、凝固形成焊接接頭的焊接方法。采用該方法焊接時，具有深穿透特性，焊縫熱影響區小，焊接接頭的應力應變小，焊接質量高，是一種適合于厚板奧氏體不銹鋼焊接的高效率焊接方法。

上海工程技術大學采用電子束焊接技術對50mm厚的304不銹鋼板進行了焊接，得出焊接接頭沿厚度方向存在顯微組織和力學性能不均勻性，對焊接接頭不同區域位置沿焊縫厚度方向上的沖擊韌性和斷裂韌性測試發現，焊縫的整體沖擊韌性大于母材，沿著焊縫厚度方向，焊縫的沖擊吸收能量呈下降趨勢。焊縫區的斷裂韌性值高于熱影響區和母材區。沿焊縫厚度方向，焊縫區斷裂韌性變化不大，而沖擊韌性是沿著焊縫厚度方向減小。

Madgusudan利用電子束焊接技術研究了AISI304奧氏體不銹鋼焊接接頭的微觀組織和力學性能，得到焊縫邊緣為柱狀晶組織，焊縫中心區域為細小的等軸晶組織，且由于焊縫中心晶粒細化的作用，焊縫中心的硬度比母材的硬度高。

白彬等人采用電子束焊接技術對316L奧氏體不銹鋼進行了焊接，并對其焊縫抗氫脆性能進行了研究，發現高溫氣相充氫會導致電子束焊接接頭抗氫脆性能明顯下降。這是由于焊縫充氫后內部發生偏析，大量的碳化物在奧氏體晶界處析出，導致晶界處Ni含量降低，而Cr和Mo含量增加，焊縫塑形降低。

耿永亮等人采用電子束焊接技術對30mm厚0Cr18Ni10Ti奧氏體不銹鋼進行焊接，在合適的工藝參數下得到焊接變形小、無內部缺陷、成形良好的接頭。焊縫區組織為奧氏體和呈骨架鐵素體，接頭的硬度分布均勻，無明顯弱化區域，焊縫的韌性與母材相比顯著提高。

高福洋等人針對16mm厚奧氏體不銹鋼開展了電子束焊接研究，結果表明，采用電子束熔透焊接和散焦蓋面工藝，可以獲得性能優異的焊接接頭。

2.5激光焊

激光焊所采用的焊接能源為聚集的激光束，因此能量密度高，焊接效率高，焊后應力應變小，具有較高的焊接質量，但由于受激光功率的限制，激光焊的焊接深度一般在10mm以內，因此對于大厚度的奧氏體不銹鋼焊接通常采用高功率光纖激光器和激光-電弧復合焊接方法。

北京工業大學的張國偉等人利用IPG公司YLS-6000光纖激光器及5mm超窄間隙焊接了60mm厚304不銹鋼板，共焊接20層，焊縫寬度為3.8mm左右，上下寬度基本一致。焊接接頭成形良好，無氣孔及側壁未熔合等缺陷出現。通過焊縫的微觀組織分析得出，熱影響區晶粒并無明顯長大，焊縫組織為柱狀奧氏體與鐵素體。硬度測試結果為熱影響區硬度最高，焊縫與母材硬度相差不大。

龔宏偉等人采用大功率光纖激光器對16mm厚的304不銹鋼進行了焊接，重點研究焊縫成形情況，所采用的激光功率為5~7kW，焊接速度為10~100mm／s，采用全覆蓋參數試驗，結果得出，當焊接速度為50~90mm/s時，小孔和熔池均比較穩定，熔池金屬無外溢情況發生。但當焊接參數超出上述范圍時，小孔和熔池不穩定，焊縫成形存在缺陷，如咬邊、焊縫隆起等，熔深也發生明顯變化。

Kawahito等人采用10kW光纖激光束對厚度為20mm的304奧氏體不銹鋼進行焊接，當焊接速度為5mm／s時，焊接熔深較大為18mm，但是會有較多缺陷產生，如氣孔、駝峰、未填滿等。當焊接速度為50mm／s時，熔深減小為12mm，在光斑中心處有氣孔產生。

Jokinen等人采用兩種激光焊接技術對厚度為20mm的304L不銹鋼板進行了焊接研究，兩種焊接技術分別為3kWNd:YAG激光窄間隙多層焊和激光一熔化極氣體保護焊（GMAW）復合焊，并對兩種激光焊接技術在熱核聚變試驗堆真空反應器制造中應用的可行性進行評價。

吳世凱等人采用三種不同的激光焊接工藝實現了厚度為10mm以上的不銹鋼板的對接焊，采用的激光器為3.5kWSlab及20kW快軸流CO，激光器，三種焊接工藝分別為：萬瓦級激光自熔焊、窄間隙激光填絲焊及激光-鎢極氬?。?/span>TIG）填絲復合焊。通過對焊后接頭的微觀組織及力學性能研究得出，焊后焊縫成形良好，無裂紋、氣孔等缺陷生成，焊縫熱影響區較窄，組織細小，具有良好的力學性能。

3存在的問題及發展展望

（1）奧氏體不銹鋼導熱性差，焊接時接頭中會產生很大的應力，導致極易產生變形，尤其是大厚板的焊接，因此焊接時選擇合適焊接方法和焊接工藝的同時，合適的坡口形式可以有效防止其焊接變形，如X形或雙U形坡口的雙面交替焊接。

（2）窄間隙焊接是提高厚板奧氏體不銹鋼焊接效率和焊接質量的有效方法，但窄間隙焊接時易存在側壁熔合不良的問題，如果采用旋轉電弧窄間隙焊接或磁控窄間隙焊接技術，則可以有效解決側壁熔合問題。

（3）目前針對奧氏體不銹鋼焊接方法和焊接工藝的研究較多，但對其焊接材料的研究相對較少。通過調整焊接材料成分，可以有效調整焊縫組織和焊縫金屬合金元素成分，從而減少熱裂紋敏感性。因此，對奧氏體不銹鋼焊接材料的研究也具有重要意義。