сварка разнородных сталей

Сварка стали марки P91 (мартенситной жаропрочной стали) и стали марки 316L (аустенитной нержавеющей стали) — классический и чрезвычайно сложный случай сварки разнородных сталей. Главную проблему при выборе сварочных материалов можно свести к следующему основному противоречию:сварка разнородных сталей

Как одновременно учесть существенные различия в химическом составе, физических свойствах и металлургических свойствах двух основных материалов в одном сварном соединении, обеспечив при этом долгосрочную безопасную эксплуатацию соединения в условиях высоких температур и высоких напряжений?

一：В частности, это основное противоречие порождает следующие три ключевые проблемы, которые также необходимо решить при выборе сварочных материалов:

Проблема 1: Химическое разбавление и миграция углерода

Это наиболее серьезная металлургическая проблема.

❶ Разбавление состава и образование вредных фаз:

⑴ Проблема: Во время сварки металлы марок P91 и 316L одновременно расплавляются в сварном шве. P91 — это мартенситная сталь с высоким содержанием хрома (9%) и углерода, в то время как 316L — аустенитная сталь с ультранизким содержанием углерода. При использовании сварочных материалов для аустенитных нержавеющих сталей (например, E309L) сварной шов будет «разбавлен» P91, и его химический состав может попасть в двухфазную область мартенсит + аустенит. Это приведет к образованию твердой и хрупкой мартенситной структуры в сварном шве, что резко снизит его вязкость и увеличит риск образования холодных трещин.

⑵ Миграция углерода: В процессе последующей высокотемпературной эксплуатации или послесварочной термообработки атомы углерода будут диффундировать со стороны P91, которая имеет более высокую активность углерода (но относительно более низкое содержание Cr), на сторону шва/316L, которая имеет более низкую активность углерода (но очень высокое содержание Cr). Это приводит к:

● Зоне термического влияния со стороны стали P91: образованию обезуглероженной и размягченной «ферритной полосы», значительно снижающей прочность и предел ползучести.

● Граница сварного шва/стали 316L: образованию зоны карбидного упрочнения «зоны выделения карбидов», повышающей хрупкость и склонной к образованию трещин.

Проблема 2: Значительные различия в физических свойствах

❶ Несоответствие коэффициентов термического расширения:

● Проблема: Коэффициент термического расширения аустенитной стали (316L) примерно на 30–40% выше, чем у мартенситной стали (P91).

● Последствия: Во время нагрева и охлаждения при сварке, а также в последующих циклах высокотемпературного старт-стоп, разное расширение и сжатие основных материалов с обеих сторон создает значительные термические напряжения в сварном шве и вокруг него. Это знакопеременное термическое напряжение является основной причиной образования трещин термической усталости, серьёзно угрожая сроку службы соединения.

❷ Различия в теплопроводности:

● Проблема: У стали P91 более низкая теплопроводность, чем у стали 316L.

● Последствия: Это приводит к неравномерному распределению тепла во время сварки, что усугубляет напряжённое состояние соединения и усложняет контроль параметров сварки.

Проблема 3: Дилемма послесварочной термообработки

❶ Требования к стали P91 в сравнении с 316L. Риски:

● Требования к стали P91: Сталь P91 должна подвергаться высокотемпературному отпуску (~760 °C) после сварки. Целью является преобразование грубого мартенсита в зоне термического влияния в отпущенный мартенсит, восстановление вязкости и снижение твёрдости для предотвращения холодных трещин.

● Риски, связанные с 316L: Длительная выдержка аустенитной нержавеющей стали в этом диапазоне температур способствует выделению карбида хрома по границам зерен, что приводит к сенсибилизации и повышению её восприимчивости к межкристаллитной коррозии в коррозионных средах. Одновременно с этим могут выделяться хрупкие σ-фазы, снижая ударную вязкость и коррозионную стойкость.

二: сварка разнородных сталей：Стратегии и решения при выборе сварочных материалов

В связи с вышеперечисленными проблемами принцип выбора сварочных материалов заключается в «избежании запрещённых зон и использовании в качестве буфера». В настоящее время в отрасли применяется следующее стандартное решение:

Предпочтительное решение: использование сварочных материалов на основе никеля (например, сплава ERNiCr-3/625).

Это наиболее распространённое и надёжное решение для сварки разнородных соединений стали P91 и 316L. Причины следующие:

❶ Решение металлургических проблем:

● Высокое содержание никеля: никель смешивается с железом, но не образует карбидов с углеродом. Использование сварочных материалов на основе никеля позволяет эффективно блокировать миграцию углерода, предотвращая обезуглероживание и разупрочнение со стороны P91, а также науглероживание на границе шва.

● Стабильная микроструктура: металл шва имеет полностью аустенитную структуру, но благодаря высокому содержанию никеля он обладает превосходной вязкостью и трещиностойкостью, что исключает риск образования твердого и хрупкого мартенсита при использовании сварочных материалов для нержавеющей стали.

❷ Устранение несоответствия физических свойств:

● Коэффициент теплового расширения никелевых сплавов находится между коэффициентами P91 и 316L, что обеспечивает хороший переход и буферный эффект, значительно снижая термические напряжения, вызванные разницей в тепловом расширении, тем самым повышая стойкость соединения к термической усталости.

❸ Разрешение противоречий при термообработке:

● Сплавы на основе никеля сами по себе не требуют послесварочной термообработки, необходимой для P91. На практике локальной термообработке может подвергаться только сторона P91 со строгим контролем температуры термообработки и времени выдержки, что минимизирует воздействие на сторону P91 и сварной шов на основе никеля. Это обеспечивает прочность стороны P91 и минимизирует риск сенсибилизации 316L.

三：Третий: Вторичный вариант (при определенных условиях): использование сварочных материалов из аустенитной нержавеющей стали с высоким содержанием никеля (например, E309L).

Этот вариант также может использоваться в некоторых менее сложных условиях эксплуатации, но необходимо учитывать его ограничения:

● Риски: Как упоминалось ранее, существует риск миграции углерода и образования хрупких фаз. Долгосрочные эксплуатационные характеристики (особенно характеристики ползучести) и надежность соединения при высоких температурах уступают показателям сварочных материалов на основе никеля.

● Применение: Обычно используется для неответственных деталей или в областях применения, где условия эксплуатации (такие как температура и давление) не столь суровы.

四. сварка разнородных сталей：Заключение

Самая большая проблема при сварке разнородных сталей P91 и 316L заключается в проектировании или выборе металла шва с химическим составом и физическими свойствами, который может выступать в качестве «буферной зоны и зоны изоляции», одновременно решая четыре основные проблемы: миграцию углерода, образование вредных фаз, значительные термические напряжения и противоречивые требования к послесварочной термообработке.

В настоящее время использование сварочных материалов на основе никелевых сплавов является наилучшим решением этой системной проблемы, поскольку оно комплексно решает эти проблемы как с металлургической, так и с физической точки зрения, обеспечивая целостность и долговечность соединений разнородных сталей в суровых условиях эксплуатации.