眾所周知，不銹鋼焊接時經常出現凝固裂紋和力學性能下降。浙江至德鋼業有限公司針對不銹鋼換熱管與低合金管板的焊接，利用相組分圖可以分析和預測焊縫金屬的相組分，反映出焊縫金屬對凝固裂紋的敏感性和力學性能的狀況，再通過試驗加以驗證，從而制訂了合理的焊接工藝，保證了產品焊接質量。奧氏體不銹鋼與低合金鋼間的焊接時，經常出現焊接冶金方面的問題，以凝固裂紋和力學性能下降為主。凝固裂紋主要是由于焊縫金屬中的硫，磷等雜質形成的液態薄膜和焊縫凝固過程中受到拉伸應力共同作用的結果。凝固裂紋的敏感性主要取決于成分，當焊縫金屬以FA模式凝固時，在凝固終了階段同時出現鐵素體F和奧氏體A，產生了凹凸不平的晶界，低熔點共晶形成的液態薄膜很難浸潤這個邊界。力學性能下降主要是由于填充金屬被母材過度稀釋，焊縫金屬中產生硬脆的馬氏體組織，造成焊接接頭硬度提高而塑韌性降低。在空冷器的管束制造時，通常使用GTAW填充焊絲密封焊＋強度脹接，以保證換熱管管板角接頭的密封性。我國有些工廠采用了GTAW無填充焊絲密封焊，確實能夠提高作業效率，但是不能確保焊接質量。為驗證這種焊接工藝的可行性，在此使用不銹鋼相組分分析凝固裂紋敏感性和組織成分，同時進行模擬試驗和檢驗，以驗證分析結果。

一、母材及焊材性能分析

 1. 化學成分

 不銹鋼換熱管的材質為SA-213TP304不銹鋼，低合金管板的材質為SA-516Gr.485鋼，焊材的型號為ER309L。

 2. 力學性能

  在不銹鋼換熱管相關焊接中，通常比較注重焊接接頭的耐腐蝕性，力學性能并不是最重要的要求。一般地，通過拉伸試驗驗證焊接接頭的抗拉強度不低于2種母材抗拉強度最低值中的較小值，通過彎曲試驗驗證焊接接頭的塑性。

二、相組分圖分析

  為使焊縫金屬的裂紋敏感性和組織成分預測有充足的理論依據，選用Schaeffler相組分圖進行分析。通過計算得出：TP304的（Ni）eq＝9.89，（Cr）eq＝18.72%；Gr.485的（Ni）eq＝7.0%，（Cr）eq＝0.56%；ER309L的（Ni）eq＝14.85%，（Cr）eq＝24.12%。填充焊絲時，兩側母材各熔入一半，而填充金屬的稀釋率約為25％；不填充焊絲時，TP304不銹鋼熔入約75％，Gr.485鋼熔入約25％。如圖1所示，兩側母材連接實線，填充金屬與母材中心連接虛線，可得出：填充焊絲時，焊縫金屬為約含有5％鐵素體的奧氏體組織，其具有良好的抗凝固裂紋能力；無填充焊絲時，焊縫金屬將必然存在馬氏體組織，假如稀釋率提高時將為全馬氏體組織，而馬氏體為硬脆的組織。

三、結果分析

 1. 焊材的影響

  對比有填充焊絲和無填充焊絲的檢驗結果，前者焊縫金屬的硬度較低而后者很高。這驗證了無填充焊絲的焊縫金屬存在著大量硬脆的馬氏體組織，這與圖中Schaeffler相組分圖的預測組織成分一致。

 2. 稀釋率的影響

 在填充焊絲的焊接接頭，Gr.485鋼側的HAZ也存在硬度較高的點，這是由于熔合區的稀釋率較高而造成的硬脆組織。焊接工藝參數對填充金屬的稀釋率有重要影響，當熱輸入較大而一側母材熔入過多時，即會造成焊縫組織（圖中的圓點）在母材與焊材連線上的位置變化。

 3. 應力的影響

 在無填充焊絲的焊接接頭，僅焊接時并沒有出現開裂的情況，但是在脹接后就出現了大量開裂。這是由于脹接作業提高了焊接接頭部位的應力，而馬氏體組織是塑性很差的硬脆組織。

 4. 焊接檢驗的影響

  在對比試驗中，有無填充焊絲的焊縫若不經過脹接作業，皆能夠通過無損檢測。在焊接檢驗時，通常較重視無損檢測，而忽略微觀組織分析和力學性能檢查，但后者卻往往又是焊接結構質量的關鍵。由于焊后僅通過無損檢測并無法確定其組織和性能，故應加強對焊接過程的質量控制。

四、結論

 在不銹鋼換熱管相關的焊接工藝分析和制訂時，相組分圖是可以有效利用的輔助工具。經分析和試驗驗證：在奧氏體不銹鋼換熱管與低合金鋼管板焊接時，使用不填絲的焊接工藝不能保證焊縫質量；采用填絲焊的焊接工藝時也應控制低合金鋼熔入量以保證焊縫質量。