奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋的成因及防止對策

奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋的成因及防止對策摘要：奧氏體不銹鋼熱裂紋的產(chǎn)生主要是由于焊劑熔池中的冶金效應(yīng)和內(nèi)外部拉應(yīng)力共同作用的結(jié)果。母材和焊材的化學(xué)成分將影響焊接熔池中的冶金效果，焊接工藝措施是確保減小拉應(yīng)力產(chǎn)生的有效手段。為了有效地防止奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋的產(chǎn)生，主要從兩個方面入手，首先控制化學(xué)成分，采用低C、低S、低？、加入穩(wěn)定化元素的母材和焊材；其次采用合理的焊接工藝措施，尤其將焊接線能量控制在較低水平，防止產(chǎn)生大的內(nèi)應(yīng)力。本文對0Cr25Ni20不銹鋼的焊接熱裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，目的是保證該種不銹鋼的焊接實(shí)用性，防止產(chǎn)生焊接裂紋。從焊接熱裂紋的成因角度出發(fā)，采取熱裂紋防止措施，保證0Cr25Ni20不銹鋼的焊接質(zhì)量。關(guān)鍵詞：奧氏體不銹鋼；焊接；熱裂紋；防止對策不銹鋼的種類按照其化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)的不同，可以分為以銘為主加元素的鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼，從理論上講，與鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼相比，銘鎳奧氏體不銹鋼的焊接性被認(rèn)為是較好的，但這并不意味著在所有的情況下該鋼的焊接質(zhì)量都能達(dá)到較高的使用要求。在役的奧氏體不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)中，焊接接頭出現(xiàn)熱裂紋等問題案例時(shí)有發(fā)生，不僅影響了結(jié)構(gòu)的正常使用和安全性，還給企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失。一、 概述不銹鋼藥芯焊絲因其具有工藝性能優(yōu)良、力學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，國外近年來廣泛應(yīng)用于石化、壓力容器、造船、鋼結(jié)構(gòu)和工程機(jī)械等行業(yè)。我國處于不銹鋼應(yīng)用的高速增長期，不銹鋼焊材的用量也隨之迅猛增長。采用不銹鋼藥芯焊絲來焊接是近二三十年來的事，在研發(fā)不銹鋼藥芯焊絲的過程中也面臨著諸多問題。其中一個不可避免的問題就是奧氏體不銹鋼焊接過程中的熱裂紋。焊接熱裂紋不僅給生產(chǎn)帶來許多困難，還可能帶來一些事故，危害甚大。熱裂紋是在焊接時(shí)高溫產(chǎn)生的，故稱熱裂紋(hotcracking)，熱裂紋是由冶金因素和力學(xué)因素相互作用形成的。二、 奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋產(chǎn)生因素1、 焊接結(jié)晶裂紋具有高溫沿晶斷裂的性質(zhì)。發(fā)生高溫沿晶斷裂的條件是金屬在高溫階段晶間塑性變形能力不足以承受當(dāng)時(shí)所發(fā)生的塑性應(yīng)變量，即E>6min，式中e為高溫階段晶間發(fā)生的塑性應(yīng)變量，6min為高溫階段晶間允許的最小變形量。6min反映了焊縫金屬在高溫時(shí)晶間的塑性變形能力。金屬在結(jié)晶后期，即處在液相線與固相線溫度附近的“脆性溫度區(qū)〃，在該區(qū)域范圍內(nèi)其塑性變形能力最低。e是焊縫金屬在高溫時(shí)受各種力綜合作用所引起的應(yīng)變，反映了焊縫金屬的應(yīng)力狀態(tài)。這些應(yīng)力主要是由于焊接的不均勻加熱和冷卻過程而引起，如熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和拘束應(yīng)力等。2、 材料合金化程度越高，焊接時(shí)容易產(chǎn)生熱裂紋。材料中含有較多的合金元素時(shí)，焊接時(shí)易產(chǎn)生方向性很強(qiáng)的粗大柱狀晶組織，同時(shí)增大了液固相線的間距，加劇了偏析。奧氏體不銹鋼焊縫結(jié)晶時(shí)，液、固相線的區(qū)間較大，結(jié)晶時(shí)間較長，且奧氏體結(jié)晶的枝晶方向性強(qiáng)，所以雜質(zhì)偏析現(xiàn)象比較嚴(yán)重，并在晶界積聚?？偟膩碚f，在奧氏體不銹鋼焊接中，促進(jìn)熱裂紋的元素順序?yàn)镻>S>Si>Ni，抑制熱裂紋的元素順序?yàn)镃>Mn>Cr。其中Cr和Ni是為滿足一定的性能而設(shè)定的，因此為抗裂紋主要在其他幾個元素上進(jìn)行控制。除了進(jìn)行單個含量的控制外，工程上還常采用裂紋指數(shù)HCI來評判熱裂紋的敏感性。為了防止產(chǎn)生熱裂紋，HCI應(yīng)小于15。除元素的影響外，奧氏體不銹鋼中的鐵素體殘余含量對焊接熱裂紋的產(chǎn)生也有不可忽視的影響。常溫組織為奧氏體相加少量的因過冷而殘余的鐵素體相。少量的鐵素體在焊縫中呈孤島狀，可妨礙奧氏體相的枝晶發(fā)展，從而產(chǎn)生一定的細(xì)化晶粒和打亂結(jié)晶方向的作用。同時(shí)，少量的鐵素體能溶解雜質(zhì)以減少偏析，因此鐵素體的存在對抗熱裂紋是有利的。試驗(yàn)證明，鐵素體相為5%?20%時(shí)，熱裂紋傾向最小。3、含有一定6鐵素體的銘鎳奧氏體焊縫具有較高的抗凝固裂紋性能。銘鎳奧氏體鋼焊縫凝固時(shí)，根據(jù)不同的化學(xué)成分可能有三種結(jié)晶模式，即先結(jié)晶析出奧氏體并形成全奧氏體組織的模式；先結(jié)晶析出奧氏體后在晶界產(chǎn)生6鐵素體的模式和先析出6鐵素體后產(chǎn)生奧氏體+6鐵素體組織的模式。銘鎳奧氏體焊縫結(jié)晶模式由先6鐵素體變?yōu)橄葕W氏體或全奧氏體模式時(shí)，抗凝固裂紋能力突然劇烈下降。三、奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋防止對策1、 冶金方面首先，在焊縫金屬中嚴(yán)格限制B、S、P、Sn等有害元素含量，以防止熱裂紋的產(chǎn)生。對于不允許存在鐵素體的純奧氏體焊縫，可以加入適當(dāng)?shù)腻i，少許的碳、氮，同時(shí)減少硅的含量。其次，在焊縫金屬或母材中增添一定數(shù)量的鐵素體組織，使焊縫成奧氏體-鐵素體雙相組織，能很有效地防止焊縫熱裂紋的產(chǎn)生。常用來促成鐵素體的元素有銘、鉬、釩等。2、 焊接工藝要點(diǎn)。首先，因奧氏體鋼熱導(dǎo)率低而線膨脹系數(shù)大，在焊后易產(chǎn)生焊接變形，焊接所需的熱輸入低。過高的熱輸入會造成焊縫開裂、降低抗蝕性能、變形嚴(yán)重和接頭力學(xué)性能改變。采用小電流、低電壓和窄焊道快速焊可使熱輸入減小。另外，應(yīng)避免同一部位多次重復(fù)加熱或高溫停留時(shí)間長，多層焊時(shí)，每層焊縫的交接處應(yīng)錯開；盡可能每層施焊方向與前一層相反，層間溫度控制在60C以下。其次，奧氏體不銹鋼焊縫受到污染其耐蝕性能和強(qiáng)度變差。因此焊前必須對焊接區(qū)表面作徹底的清理，層間若有焊渣必須清除后再焊，以防止夾渣，最后焊道表面也應(yīng)清渣。最后，奧氏體鋼母材和焊材中都含有與氧親和力強(qiáng)的合金元素，為防止和減少焊接時(shí)的燒損，焊接時(shí)必須盡可能用短弧焊，不作橫向擺動。由于焊縫受到污染其耐蝕性能和強(qiáng)度變差，因此焊前必須對焊接區(qū)表面作徹底的清理，層間若有焊渣必須清除后再焊，以防止夾渣，最后焊道表面也應(yīng)清渣。3、 焊接工藝焊接方法的選擇。由于在自由狀態(tài)下焊接時(shí)易產(chǎn)生較大的焊接變形，所以應(yīng)選用能量集中的焊接方法。同時(shí)由于其對過熱較為敏感，只能采用低熱輸入進(jìn)行快速焊接，氬弧焊應(yīng)是首選的焊接方法。焊接時(shí)，焊縫背面需充氬保護(hù)，以保證背面成形良好和防止氧化。焊接材料的選擇。焊接材料選擇原則是在不致產(chǎn)生焊接裂紋的前提下保證焊縫金屬具有與母材基本相同的熱強(qiáng)性。這就要求其合金成分大致與母材相匹配。通過分析，選用?1.2mm的H0Cr26Ni21焊絲。奧氏體不銹鋼焊接時(shí)，如果不能有效避免焊接缺陷，焊后對這些缺陷進(jìn)行返修時(shí)則極易出現(xiàn)焊接熱裂紋，主要是奧氏體材料導(dǎo)熱差，且返修處應(yīng)力比一次焊接時(shí)應(yīng)力大，多次返修則應(yīng)力更大。在工藝方面，采用焊接能量集中的焊接方法，工藝參數(shù)選擇應(yīng)遵循盡可能加快接頭冷卻的原則，工藝措施應(yīng)有利于降低焊接殘余拉應(yīng)力。多層焊接時(shí)即使層間溫度得到有效控制，焊接時(shí)輸入的熱量加上拘束應(yīng)力，則足以在焊縫區(qū)或熱影響區(qū)出現(xiàn)熱裂紋?？刂茻崃鸭y的措施除了焊縫成形以外，最重要的就是溫度和應(yīng)力，當(dāng)溫度也能得到有效控制后，應(yīng)力就是最主要的原因，這一點(diǎn)在多次返修易出裂紋特別是縱縫和環(huán)縫相交的丁字口附近最易出現(xiàn)，返修難度大，足以說明應(yīng)力對熱裂紋的影響，應(yīng)嚴(yán)格控制溫度。參