X10CrAlSi7铁素体不锈钢的焊接工艺研究

范占魁

（住重福惠动力机械有限公司， 江门  新会  529100）

摘要：

X10CrAlSi7铁素体不锈钢是具有足够铬或铬加另外一些铁素体稳定成分，如Al，Nb，Mo及Ti(以阻止加热时形成奥氏体)的Fe-Cr-C三元合金，该钢通过热处理不可淬硬。针对X10CrAlSi7钢的特点和应用环境要求，采用焊条电弧焊方法对X10CrAlSi7钢进行了焊接工艺研发，选择合适的焊接材料，测试其焊接接头的力学性能。结果表明：采用拟定的焊接工艺焊接X10CrAlSi7钢可以获得力学性能优良的焊接接头，该工艺也成功应用于工程项目中。

关键字：X10CrAlSi7 ；铁素体不锈钢；焊接工艺；研究

0 前言

X10CrAlSi7钢是欧洲标准EN10088-1中一种铁素体耐热钢，其能广泛适应含硫气体的影响，在还原气体中的碳化倾向非常低，可以耐受约800℃的温度。按照欧标材料分类标准ISO/TR 20172, X10CrAlSi7钢组别G-No.7.1，属于铁素体不锈钢。该材料因为可成形性、强度及耐腐蚀性较好，已得到广泛应用。铁素体不锈钢不含镍，可以规避镍价波动所带来的风险，费用也更低。铁素体不锈钢的焊接性较差，其主要是焊接接头的脆化、焊接裂纹及耐腐蚀性下降。在焊接热循环的作用下，热影响区晶粒会长大，碳化物及氮化物聚集，会导致焊接接头的塑性、韧性降低。拘束度较大时，容易产生焊接裂纹。我公司制作的安装在爱沙尼亚的某余热锅炉(WHB)项目，过热器Coil组件中的分隔板，就是采用X10CrAlSi7钢.

该项目通过对实际制造方案的研究，对焊材进行选型，采用焊条电弧焊(111)焊接方法，对X10CrAlSi7钢进行焊接工艺评定，为其应用提供参考。

1焊接方法和焊接材料的选择

工艺评定采用PED+EN标准，母材材质选用X10CrAlSi7钢，单块试板尺寸为400mmLG*160mmW*6mmTHK,其化学成分及力学性能参见表1和表2。因为铁素体不锈钢的铁素体形成元素含量较高，奥氏体形成元素含量较少，因此淬硬倾向和冷裂倾向较小。铁素体不锈钢在焊接加热条件下，焊接热影响区的晶粒明显长大，接头韧性和塑性急剧下降，但这也决定于加热的温度和保温时间。加热的温度高和保温时间长，焊接热影响区晶粒长大的程度就大，接头韧性和塑性下降也大。因此应尽量采用能力集中的热源，尽量采用小的线能量的工艺参数，尽可能采用窄间隙坡口、高速焊、小电流和多层焊，严格控制层间温度。实际产品现场安装时为板板角焊缝及板板坡口焊缝，根据现场的安装位置，选择焊条电弧焊工艺。同时焊条电弧焊采用BOHLER FOX FF-A(EN ISO 3581-A: E 22 12 R 32)焊条，其直径为2.5mm，这是合金元素含量较高的奥氏体不锈钢焊接材料，有利于提高焊接接头的塑性，可以保证焊缝金属具有良好的韧性，焊材主要化学成分见表3。

表1 X10CrAlSi7材料的主要化学成分(质量分数)%

材料	C	Mn	Si	Cr	Al
X10CrAlSi7	0.10	0.62	0.67	6.7	0.66

表2 X10CrAlSi7材料的力学性能

Rp0.2/MPa	Rm/MPa	A(%)
415	543	21

表3 焊材的主要化学成分

材料	C	Mn	Si	Cr	Mo	Ni
BOHLER FOX FF-A	0.13	0.7	0.7	22.4	0.03	12.4

2焊接工艺试验

焊接工艺评定试验执行EN ISO 15614-1的标准。

对于全焊透的对接接头，其要求的评定试验如表4所示。

表4 试件的试验和检验

试件	试验种类	试验内容
全焊透对接接头	外观	100%
	射线	100%
	表面裂纹检查	100%
	横向拉伸	2个试样
	横向弯曲	4个试样
	冲击	2组
	硬度	1个试样
	低倍金相	1个试样

同时为评定所有焊接位置，依据EN ISO 15614-1标准的规定，需要选定2种焊接位置进行试板的焊接。其中冲击试验选择在热输入较高的立向上(PF)焊接位置,硬度试验选择在热输入较低的横焊(PC)焊接位置。

               

图1 PF位置坡口与焊层焊道分布      图2 PC位置坡口与焊层焊道分布

焊前应保证坡口以及焊接边缘干净清洁，不允许有锈、油污等污染。焊前应做适当的反变形。电源极性采用直流反接。

对于X10CrAlSi7钢来说，预热可使焊接接头处在富有韧性的状态下施焊，能有效防止裂纹的产生，但是焊接热过程又会使接头近缝区的晶粒急剧长大粗化而引起脆化。因此预热温度要低，选择在200-300℃，对于其他的铁素体不锈钢，随着含铬量的提高，预热温度可以相应的提高。焊接过程中严格控制层间温度，超过时在静止空气中冷却，层间温度按不超过300℃控制。

实际施焊的焊接工艺参数见表5和表6.

表5 PF位置的SMAW工艺参数

Run 焊道	Welding Process 焊接方法	Size of Filler Material(mm) 焊材规格	Current 电流(A)	Voltage 电压(V)	Type of Current & Polarity 电流种类和极性	Travel Speed (mm/min) 焊接速度	Heat Input 热输入 (J/mm)
1	111	2.5	64	25	DCRP	98	783
2	111	2.5	62	25	DCRP	85	875
3	111	2.5	63	24	DCRP	82	885

表6 PC位置的SMAW工艺参数

Run 焊道	Welding Process 焊接方法	Size of Filler Material(mm) 焊材规格	Current 电流(A)	Voltage 电压(V)	Type of Current & Polarity 电流种类和极性	Travel Speed (mm/min) 焊接速度	Heat Input 热输入 (J/mm)
1	111	2.5	69	28	DCRP	157	590
2	111	2.5	80	31	DCRP	272	437
3	111	2.5	82	30	DCRP	333	354
4	111	2.5	81	31	DCRP	236	573
5	111	2.5	81	30	DCRP	333	350

注：热输入的计算按照标准EN1011-1；

对于焊条电弧焊(111)工艺，热效率系数“k”为0.8。

3焊接工艺评定

焊接试件冷却后按照标准EN ISO 5817进行外观检查，检查结果合格后，再对焊缝表面进行PT检查，未发现缺陷。随后对焊接接头进行了射线RT检查，结果合格。

无损检测(NDE)完成后，将遵照EN ISO 15614-1的相关项要求，进行焊缝力学性能测试，根据各项检查结果形成完整的PQR文件。

3.1 拉伸试验

根据标准EN ISO 4136执行拉伸试验，拉伸试验结果见表6。共2组拉伸试样，抗拉强度最低681MPa，高于X10CrAlSi7钢母材的抗拉强度420-620MPa的范围，表面焊接接头拉伸性能合格。

表6 拉伸试验结果

焊接方法	抗拉强度/MPa	断裂位置及结果
111	681	母材，合格
	700	焊缝，合格

3.2 弯曲试验

根据标准EN ISO 5173执行弯曲试验，试验压头直径为20mm，弯曲角度为180°。因厚度小于12mm，所以应做2个面弯和2个背弯试样，试样未发现任何线性显示，弯曲试验合格。

3.3 冲击试验

根据标准EN ISO 9016执行冲击试验，夏比V形冲击试验结果见表7。依据承压设备指令PED-2014/68/EU中指引，全尺寸试样冲击功≥27J，试验温度20℃。本工艺评定应用6mm厚的板，因此只能取5*10*55规格试样，则冲击功≥13.5J即为合格，试验温度为0℃。表7所示冲击试验结果显示焊接接头冲击性能合格。

表7 冲击试验结果

试样编号	试验温度	位置	试样尺寸 (mm)	冲击功(J)
				单值	平均值
1-1	0℃	焊缝中心 (Weld)	5*10*55	27	27
1-2				27
1-3				27
1-4		热影响区 (HAZ)		30	24
1-5				27
1-6				16

3.4 金相检查

根据标准EN ISO 17639制备宏观金相试样，经腐蚀，可清晰的显示处熔合线、热影响区和各层焊道。未发现缺陷。

图3 宏观金相照片

3.5 硬度检查

根据标准EN ISO 9015-1执行硬度检查。

图4 硬度打点示意图

表8 焊接接头处硬度

区域	位置	硬度值	最大载荷	结果
母材	1,2,3,13,14,15 16,17,18,28,29,30 31,32,33,43,44,45	245,248,249,246,238,245 244,249,246,245,248,252 254,248,242,245,256,252	HV10	合格
热影响区	4,5,6,10,11,12 19,20,21,25,26,27 34,35,36,40,41,42	188,187,213,232,242,266 280,272,277,264,248,260 281,279,268,268,259,231	HV10	合格
焊缝	7,8,9 22,23,24 37,38,39	185,175,182 189,193,208 190,200,197	HV10	合格

4 结语

通过对X10CrAlSi7铁素体不锈钢的焊接性分析，确定了焊材选型、焊接工艺参数以及工艺措施，按照EN ISO 16514-1标准和预焊接工艺规程的要求进行了焊接工艺评定。

整个焊接和评定试验过程也是在第三方哈特佛德(HSB)的见证下完成,也顺利获得了批准证书。

该焊接工艺已成功应用于项目的生产制造中。

对于X10CrAlSi7铁素体不锈钢的焊接，应尽量减少焊接接头在高温的停留时间。要想获得优质的焊接接头，需遵守以下焊接操作：

(1)无论采用什么焊接方法，控制热输入是第一位的，都应该采用较小的线能量，尽量选用小参数、小直径的焊材。

(2)坡口焊时，应尽量采用窄间隙坡口，采用较快的焊接速度来进行多层多道的焊接。

(3)焊接操作手法上应尽量控制不摆动或小摆动。

(4)多层道焊接时，应严格控制层间温度。

作者简介：范占魁（1987-），男，河南省通许县人，本科学历，中级工程师，主要从事电站锅炉焊接及热处理工艺工作。

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