耐热不锈钢焊接缺陷产生的原因及防治措施
浙江至德钢业有限公司根据耐热不锈钢的化学成分组成,分析了焊接过程中产生裂纹的主要原因,提出了具体的工艺措施,从而改善焊缝的质量,获得优质的焊接接头。生产中工作温度比珠光体耐热钢的高时,主要采用镍铬系的不锈钢,包括铬不锈钢和镍铬不锈钢。从组织上讲,包括铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢,还有不锈铸钢。表中列出了各种耐热不锈钢的物理性能。与奥氏体不锈钢相比,铁素体不锈钢或马氏体不锈钢的平均线膨胀系数较小,而热导率稍高,有利于降低热应力。即铁素体不锈钢和马氏体不锈钢的热应力比奥氏体不锈钢小。
这类不锈钢在石油化学工业的裂解装置、脱硫装置、反应塔、热交换器及其管道中使用较多,在原子能发电的轻水反应器内壁堆焊或管道等也大量应用。
一、耐热不锈钢的化学成分
耐热不锈钢中通常含有铬、钼、硅、铝、镍的合金,其中铬是最主要的抗氧化性元素。与不锈钢相比,耐热不锈钢中不仅增加了铝和硅的含量,还增加了碳的含量,使该类钢具有强的高温抗拉强度、高温抗蠕变性能、高温耐蚀性。其中奥氏体耐热不锈钢是应用比较广泛的一类钢,具有强的热稳定性、热强性。
二、耐热不锈钢的焊接性
奥氏体耐热不锈钢焊接时存在的主要问题有焊缝金属的热裂纹、焊接热影响区晶界上碳化铬的析出以及焊接接头的脆化等。
三、耐热不锈钢的焊接缺陷产生原因
奥氏体耐热不锈钢产生焊接缺陷的主要原因可以归纳为两大因素:冶金因素及力学因素。包括化学成分、结晶组织、焊接材料、焊接工艺及结构的拘束度,特别是化学成分和结晶组织影响大。
1. 焊缝金属热裂纹的形成
奥氏体焊缝金属的热裂纹敏感性较大,因为奥氏体钢易形成方向性很强的粗大的柱状组织,有利于杂质的偏析和缺陷的聚集;这些杂质又能与Ni形成低熔点的共晶体,增大脆性温度区间,处成形成液态薄膜;另外奥氏体钢的热导率小及线膨胀系数大,在焊接的不均匀加热和冷却条件下,焊接接头形成较大的拉应力,因此,在焊缝处易产生热裂纹。热裂纹的影响因素如下。
a. 化学成分的影响
①. 硫、磷有害杂质的影响。硫、磷易与镍形成低熔点共晶体从而产生热裂纹。
②. 锰的影响。适当提高奥氏体形成元素锰可以改善抗裂性。当锰的质量分数增加到4%~6%时,焊缝金属具有最小的热裂纹倾向。
b. 组织的影响
对于镍含量小于10%~15%时的18-8型奥氏体不锈钢,提高焊缝抗裂性最有效的办法是使焊缝形成双相组织。这是因为奥氏体组织中少量的σ相打乱了奥氏体结晶的枝晶方向,细化了晶粒,阻碍杂质的聚集。铬和镍的比例也影响热裂纹的产生。一定量的铁素体形成元素,如硅、钛、铝、钒、铌、钨、钼等,当能获得双相组织时,有利于防止热裂纹。碳和氮均可抑制硅的有害作用。
2. 焊接接头的刀状腐蚀
含钛、铌等稳定化元素的奥氏体钢焊接时熔合区加热到1300℃以上,钛的碳化物开始向奥氏体相溶解。在高温下,碳化钛的扩散速度大得多,所以溶解的碳迅速向晶界处迁移。冷却后,奥氏体相溶解有较多的钛原子,而晶界处有较多的碳原子。如果这时焊接接头再次被加热到450~850℃的危险温度,钛在奥氏体相里的扩散速度非常慢,没有可能移动到晶界与碳再次结合而形成碳化钛,就会在晶界处产生Cr的碳化物,使晶界贫铬而产生一种特殊的晶间腐蚀,称为刀状腐蚀。
3. 焊接接头的脆化
a. 475℃的脆性
铬铁合金在400~550℃长期加热时,会产生一种特殊的脆性,其硬度显著提高,冲击韧性严重下降,称为475℃的脆性。随着奥氏体钢中铁素体含量的增加,发生475℃的脆性的危险性增大。
b. σ相析出脆性
σ相是一种铬铁的金属间化合物,分布在晶粒边界上,性质极硬且脆,硬度大于68HRC,使焊接接头的塑性和韧性大大降低。
四、耐热不锈钢的焊接缺陷防止措施
1. 控制焊缝中有害杂质的含量
严格限制有害杂质是提高焊缝抗裂性的首要条件,特别是限制硫和磷的含量。
2. 形成双相组织
对于镍含量小于10%~15%时的18-8型奥氏体不锈钢,提高焊缝抗裂性最有效的办法是使焊缝形成双相组织。对于镍含量超过15%的单相奥氏体钢,通常是在严格控制有害杂质的基础上,适当提高奥氏体形成元素锰、碳、氮的含量,以改善抗裂性。
3. 合理选择焊接工艺参数
a. 正确选择焊接方法
奥氏体钢可以采用所有的熔焊方法,如焊条电弧焊、氩弧焊、埋弧自动焊、高能密度焊接。
b. 正确选择焊接材料
原则是在无裂纹的前提下,保证焊缝金属的热强性与母材成分匹配,同时应当考虑焊缝金属中铁素体含量的控制。铁素体含量不应超过5%。在镍铬含量均大于20%的奥氏体钢中,为获得抗裂性高的纯奥氏体组织选用=6%-8%的焊材。在腐蚀介质下工作的奥氏体不锈钢,要求选择低碳或超低碳焊接材料。
c. 合理选择焊接工艺参数
奥氏体耐热钢一般焊前无需预热。采用小的焊接热输入。焊后可进行强制冷却,一减少焊接接头在高温下的停留时间。为进一步提高焊接接头的耐腐蚀能力,可以选择焊后固溶处理、稳定化处理或消除应力热处理等。要降低接头的刚度和拘束度。
五、结束语
综上所述,奥氏体不锈钢焊接时焊接缺陷的产生主要是其化学组成和结晶组织引起的,同时受内外拉应力的共同作用,导致焊接裂纹的产生。焊接时只要根据奥氏体不锈钢的特点,适当调整焊接参数,正确选择焊接材料,并在焊后采取一定的处理方法,就能保证避免焊接缺陷的产生,得到符合要求的焊接接头。
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