劉貽興
(東方汽輪機(jī)有限公司, 四川 德陽, 618000)
Si對(duì)Ni-Cr-M o-V高強(qiáng)鋼焊接熔透性的影響
劉貽興
(東方汽輪機(jī)有限公司, 四川 德陽, 618000)
Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼中Si的含量對(duì)焊接熔透性影響很大。 文章理論研究并試驗(yàn)研究證實(shí)了Si對(duì)Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼焊接熔透性和背部成型的影響,從而解決了百萬級(jí)核電汽輪機(jī)大型構(gòu)件密封腔室凸型焊縫的熔透與成型。
影響; 焊接熔透性; Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼; Si
鑄造冶金原理中Si的作用: 可以略微降低液相線,提高液態(tài)金屬的流動(dòng)性和充型性能,起脫氧作用減少合金的氧化吸氣,使鑄件表面更光亮,并減少合金的縮松傾向,使合金整體的鑄造性能得到改善。但是,硅的加入量要嚴(yán)格限制在一定范圍內(nèi),過量的硅容易導(dǎo)致鑄件出現(xiàn)硬點(diǎn)缺陷。硅含量高時(shí)容易形成低熔點(diǎn)共晶體,增加鑄件出現(xiàn)熱裂的危險(xiǎn)。硅含量高時(shí)對(duì)焊接影響很大,產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶, 出現(xiàn)熱裂紋。[1,2]
焊接冶金原理中Si的作用: 必須嚴(yán)格控制Si、Mn含量和Mn/Si比。 硅含量高時(shí)對(duì)焊接影響很大,產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶,出現(xiàn)熱裂紋。母材中硅含量對(duì)焊接熔透性、液態(tài)金屬的流動(dòng)性影響很大,超低的硅含量造成液態(tài)金屬的流動(dòng)性差,焊接熔透性和背面成型差。硅能降低鋼的焊接性能。因?yàn)榕c氧的親合力硅比鐵強(qiáng),在焊接時(shí)容易生成低熔點(diǎn)的硅酸鹽,降低金屬液相線,增加熔渣和熔化金屬的流動(dòng)性, 引起噴濺現(xiàn)象, 影響焊縫質(zhì)量。[3]
1.1 熔透性試驗(yàn)的基本方法
百萬級(jí)核電汽輪機(jī)大型構(gòu)件密封腔室凸型焊縫對(duì)接,采用自動(dòng)鎢極氬弧焊,焊位為橫向。
1.2 試件
試件由ΦA(chǔ)mm×ΦBmm×200mm兩件圓環(huán)對(duì)接裝配組成, 坡口型式為 “U” 型窄間隙深坡口, 如圖1所示。
圖1 焊接試件及坡口型式
1.3 母材組配Ⅰ
母材組配Ⅰ的公稱化學(xué)成分為: 1Ni-2Cr-0.5Mo-V (≤0.05)。 由于采用的熔煉方式不一樣,造成金屬中Si的含量差別大。
a)采用常規(guī)硅脫氧熔煉, Si含量為:0.1%~0.4%, 一般為: 0.24%;
b)采用真空碳脫氧熔煉, Si含量為:0.04%~0.10%, 一般為: 0.05%。
Si含量為5倍關(guān)系。
Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼中Si的含量對(duì)焊接熔透性的影響,在試驗(yàn)初始階段不作為一個(gè)問題進(jìn)行研究。當(dāng)發(fā)現(xiàn)焊接采用常規(guī)硅脫氧熔煉與真空碳脫氧熔煉Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼, 兩者在熔透性和背面成型上有很大差別時(shí),即在焊接規(guī)范上存在較大差別時(shí),始終找不到原因。經(jīng)過多次失敗之后,才從實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)了Si的問題。 經(jīng)過理論與實(shí)踐的深入分析, 再用試驗(yàn)證明了Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼中Si的含量對(duì)焊接熔透性和背面成型的影響很大。母材組配Ⅰ的試驗(yàn)結(jié)果見表1。
表1 母材組配Ⅰ的試驗(yàn)
圖2 母材Si含量0.24%, 99.999%Ar保護(hù)的熔透圖
圖3 母材Si含量0.24%, 97.5%Ar+2.5%H2保護(hù)的熔透圖
圖4 母材Si含量0.05%, 99.999%Ar保護(hù)的熔透圖
1.4 母材組配Ⅱ
母材組配Ⅱ的公稱化學(xué)成分為: 3Ni-1.5Cr-0.5Mo-0.1V。 與母材組配Ⅰ一樣, 采用以下 兩種熔煉方式, 結(jié)果金屬中Si的含量差別大。
a)采用常規(guī)硅脫氧熔煉, Si含量為: 0.1%~0.4%, 一般為: 0.24%;
b)采用真空碳脫氧熔煉, Si含量為: 0.04%~0.10%, 一般為: 0.05%。
圖5 母材Si含量0.05%, 97.5%Ar+2.5%H2保護(hù)的熔透圖
Si含量同樣為5倍關(guān)系。
與母材組配Ⅰ比較,母材組配Ⅱ的合金含量高,焊接熔透性和背面成型的難度更大些。
Si對(duì)Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼焊接熔透性和背部成型的影響,經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn),母材組配Ⅱ得到了與母材組配Ⅰ完全相同的結(jié)果。母材組配Ⅱ的試驗(yàn)結(jié)果見表2。
表2 母材組配Ⅱ的試驗(yàn)
圖6 母材Si含量0.24%, 99.999%Ar保護(hù)的熔透圖
圖7 母材Si含量0.24%, 97.5%Ar+2.5%H2保護(hù)的熔透圖
圖8 母材Si含量0.05%, 99.999%Ar保護(hù)的熔透圖
圖9 母材Si含量0.05%, 97.5%Ar+2.5%H2保護(hù)的熔透圖
1.5 背面成型參數(shù)的界定
上述兩組試驗(yàn)結(jié)果,焊接熔透性及背面成型都優(yōu)良。從表中數(shù)據(jù)看,與規(guī)范參數(shù)大小密切相關(guān)。怎樣界定背面成型的優(yōu)良?從本試驗(yàn)研究中得到了答案。
TIG鎢極氬弧自動(dòng)焊橫焊, 典型的背面成型幾何尺寸參數(shù)見圖10、 圖11。
圖10 焊縫根部背面成型幾何圖
評(píng)價(jià)焊接熔透性及背面成型優(yōu)良的幾何尺寸見表3。 在試驗(yàn)研究中, 實(shí)測(cè)了三個(gè)試驗(yàn)件的背面成型幾何尺寸 (見表4)。
1.6 金相觀察[4]
Si對(duì)Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼焊接熔透性和背部成型帶來很大影響, 那么Si含量的差別在金相上的差異 會(huì) 怎 樣 ? 本 試 驗(yàn) 重 點(diǎn) 研 究 了 Si=0.24% 、 Si= 0.05%兩種焊接接頭的金相觀察。
圖11 典型截面照片
表3 焊接熔透性及背面成型幾何尺寸評(píng)價(jià)參考值 (mm)
表4 三個(gè)試驗(yàn)件的背面成型幾何尺寸數(shù)據(jù)表
圖12 Si含量0.24%的焊縫區(qū)金相組織
圖13 Si含量0.05%的焊縫區(qū)金相組織
從圖12、 13中看出, 焊縫區(qū)組織均為: 回火貝氏體+有少量塊狀鐵素體組織,無明顯的差別。
2.1 重點(diǎn)研究
Si對(duì)Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼焊接熔透性和背部成型的影響,重點(diǎn)研究了兩組母材的對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果見表5、 圖14。 研究采用的母材為組配Ⅰ, 試件型式如圖1所示。
表5 母材組配的TIG焊接背面熔透試驗(yàn)結(jié)果
圖14 熔透性與背面成型內(nèi)窺鏡照片
2.2 分析與討論
Si對(duì)Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼焊接熔透性和背部成型的影響本質(zhì)是什么?從焊接冶金原理分析,影響熔透性和背部成型的因素有熱輸入量、電弧穿透力和液態(tài)金屬表面張力。
2.2.1 熱輸入量分析與討論[5,6]
從表5的TIG參數(shù)值可以直接計(jì)算出, 雖然是同一種Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼, 只是由于Si含量的差別, 使得焊接熱輸入增加了20%~22%。 電弧長度減短, 明顯的作用就是增加電弧穿透力。 Si含量減少,焊接熔池在結(jié)晶時(shí)生成的低熔點(diǎn)物質(zhì)會(huì)減少,故而液態(tài)金屬的流動(dòng)性減小,表面張力增加。建立起下列數(shù)學(xué)模型:
在電弧焊接過程中, 電弧功率 (q0)即電弧在單位時(shí)間內(nèi)放出的能量 (W)為:
式中:
U—電弧電壓 (V);
I—焊接電流 (A)。
由熱源產(chǎn)生的熱量并不是全部被利用,而是有一部分熱量損失于周圍介質(zhì)中,焊件吸收到的熱量要少于熱源所提供的熱量。故電弧有效熱功率 (q)為:
式中:
q—電弧有效熱功率;
η—焊接電弧熱功率有效利用系數(shù),簡稱為焊接熱功率。
根據(jù)定義,電弧加熱工件的熱效率η是電弧在單位時(shí)間內(nèi)輸入到焊件內(nèi)部的有效熱效率q與電弧總功率q0的比值, 即:
式中:
q1—單位時(shí)間內(nèi)熔焊接金屬 (處于液態(tài)T=TM時(shí), TM為熔點(diǎn))所需的熱量 (包括熔化潛熱);
q2—單位時(shí)間內(nèi)使焊縫金屬處于過熱 (T >TM)的熱量和向焊縫四周傳導(dǎo)熱量的總和。
式 (4)說明, 進(jìn)入焊件的有效熱功率q也不是完全用來熔焊接金屬。因此,使焊縫金屬熔化的熱有效利用率ηM定義為單位時(shí)間內(nèi)被熔化的母材金屬在TM時(shí) (處于液態(tài))的熱量與電弧有效熱功率的比值,即:
從焊接熱過程的計(jì)算角度來看,焊接熱效率η值的準(zhǔn)確選取是提高計(jì)算精度的先決條件。在一定條件下η值是常數(shù),主要取決于焊接方法、 焊接工藝參數(shù)、焊接材料和保護(hù)方式等。本研究項(xiàng)目TIG自動(dòng)焊橫焊的η值選取范圍是0.68~0.85, 取中間值0.80。
該項(xiàng)目把q2近似為0, 那么由式 (5)計(jì)算電弧有效熱功率為:
熱源通過焊件上一定的加熱面積把熱量傳給焊件。對(duì)于焊接電弧來講,該面積為加熱斑點(diǎn)。設(shè)加熱斑點(diǎn)的半徑為rH, 它的定義是: 電弧傳給焊件的熱量中, 有95%落在以rH為半徑的加熱斑點(diǎn)內(nèi)。一般近似地用高斯曲線來描述加熱斑點(diǎn)上的熱流密度分布。熱流密度公式為:
式中:
q(r)—A點(diǎn)的熱流密度 (W/m2);
qM—加熱斑點(diǎn)中心的最大熱流密度 (W/m2);
K—熱能集中系數(shù) (L/m2);
r—A點(diǎn)距加熱斑點(diǎn)中心的距離 (m)。
高斯曲線下面所覆蓋的全部熱功率為:
式中, q=ηUI是式 (1)、 式 (2)中定義的電弧有效熱功率。 TIG焊接K值由實(shí)驗(yàn)證明一般為3.0~7.0。 本試驗(yàn)研究項(xiàng)目K取5.0。
2.2.2 電弧穿透力分析與討論
從表5看出, Si=0.05%的高純凈Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼焊接電壓相對(duì)減小 (0.2~0.3)V, 實(shí)踐證明鎢極尖端與工件表面的距離減小了0.5mm左右, 電弧的穿透力增加了。 圖10中背面成型數(shù)值B增加了, 內(nèi)凹Y、 外凸X也相應(yīng)發(fā)生較小變化。
2.2.3 液態(tài)金屬表面張力分析與討論[3,7]
硅能降低鋼的焊接性能。因?yàn)榕c氧的親合力硅比鐵強(qiáng),在焊接時(shí)容易生成低熔點(diǎn)的硅酸鹽,降低金屬液相線,增加熔渣和熔化金屬的流動(dòng)性。
液態(tài)金屬的表面張力是溫度的函數(shù),溫度越高表面張力越小,反之則越大。液態(tài)金屬表面張力與流動(dòng)性的關(guān)系, 當(dāng)熔池中有較多脫氧劑Si (即母材Si含量高), 如SiO2、 P2O5、 B2O3、 Na2O等, 加入了表面張力大的氧化物,使得熔池表面張力增加,液態(tài)金屬流動(dòng)性好。
2.3 Si使 Ni-Cr-Mo-V 高 強(qiáng) 鋼 焊 件 上 某 點(diǎn) 溫 度(Tm)提高的研究與分析[5]
由于試驗(yàn)測(cè)試手段有限,沒有直接測(cè)出兩種不同Si含量的Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼的焊接熔池溫度或兩種材料的熔點(diǎn)溫度。 但從已建立的 “典型的焊接溫度場(chǎng)” 理論, 可以計(jì)算、 分析兩種不同Si含量的Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼焊件上某點(diǎn)溫度 (Tm)提高的數(shù)值。
試驗(yàn)件 (如圖1所示)是厚大焊件多層焊, 它的 “典型的焊接溫度場(chǎng)” 數(shù)學(xué)模型為:
式中:
T0—焊接的初始溫度;
q—電弧有效熱功率;
λ—導(dǎo)熱率;
v—焊接速度;
a—熱擴(kuò)散率;
R—焊件上某點(diǎn)到熱源中心的距離, R2=x2+y2+z2, x, y, z為該點(diǎn)在動(dòng)坐標(biāo)系的坐標(biāo)值, 熱源沿x方向勻速移動(dòng)。
在熱源后方各點(diǎn), R=-x, x<0, 則由式 (12)得出:
即在x軸上的熱源后方各點(diǎn)溫度與焊接速度無關(guān)。
由式 (13)可以計(jì)算出, 本試驗(yàn)研究項(xiàng)目厚大焊件多層焊焊接熔池的溫度。
設(shè)T0=20℃; Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼的導(dǎo)熱率λ= 32.1W/m·K (>600℃); R=2mm (鎢極尖到工件的距離,此數(shù)值為固定設(shè)定值,與電弧電壓的大小有關(guān))。 計(jì)算結(jié)果為:
研究中, 把I3、 U3代入式(14)、(15), 計(jì)算得出, Si=0.05%的超純凈Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼焊接熔池溫度比Si=0.24%的純凈Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼焊接熔池溫度高100℃左右。
(1)Si=0.05%的超純凈Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼與Si=0.24%的純凈Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼相比, 雖然是同一種Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼, 只是由于Si含量的差別, 使得焊接熱輸入增加了20%~22%。
(2)本項(xiàng)目研究得出, Si=0.05%的超純凈Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼焊接熔池溫度比Si=0.24%的純凈Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼焊接熔池溫度高100℃左右。
(3)在實(shí)踐的基礎(chǔ)上, 研究出了Si對(duì)Ni-Cr-Mo-V高強(qiáng)鋼焊接熔透性和背部成型的影響, 從而解決了百萬級(jí)核電汽輪機(jī)大型構(gòu)件密封腔室凸型焊縫的熔透與成型。
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Effect of Sion the Weld Penetration of the High-strength SteelNi-Cr-Mo-V
Liu Yixing
(Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000)
The content of Si has a great effect on the weld penetration of the high-strength steel Ni-Cr-Mo-V.This paper researches and comfirms the effectof Sion the weld penetration and back forming of the high-strength steel Ni-Cr-Mo-V.It can be got a solution in the weld penetration and back forming of convex welds in large component sealed chamber of m illion kilowatts class nuclear steam turbine.
effect,weld penetration,Ni-Cr-Mo-V high-strength steel,Si
劉貽興 (1962-), 男, 高級(jí)工程師, 1985 年畢業(yè)于四川省職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 現(xiàn)從事核電汽輪機(jī)焊接技術(shù)研發(fā)工作。