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        06Cr19Ni10的焊接工藝研究

        2015-12-27 07:36:18陳文學康猛姜殿忠王富民
        金屬加工(熱加工) 2015年8期
        關鍵詞:晶間腐蝕焊條坡口

        陳文學 康猛 姜殿忠 王富民

        06Cr19Ni10亞穩(wěn)定型奧氏體不銹鋼不僅具有優(yōu)良的抗氧化性能和耐腐蝕性能,而且具有優(yōu)良的塑韌性和優(yōu)良的冷加工性能,其次06Cr19Ni10鋼還有良好的低溫力學性能,由于其基本上不存在脆性轉變,常在低溫下使用,被廣泛用于制造低溫儲罐、管道和深冷狀態(tài)下運行的壓力容器等。為了滿足設計及工程的要求,在生產前依據NB/T47014—2011的相關要求對06Cr19Ni10進行工藝評定試驗,通過各項試驗數據驗證06Cr19Ni10材料的焊接工藝,是否能夠滿足-196℃低溫工況下的安全使用。

        1. 母材性能分析

        (1)化學成分 母材化學成分如表1所示。S和P在各類鋼種都會增加結晶裂紋傾向,是極易偏析的元素,S和P在鋼中能形成多種低熔點共晶,使結晶過程中極易形成液態(tài)薄膜,因此S和P是最為有害的雜質。本次采購時嚴格按標準控制了06Cr19Ni10鋼的S和P含量。由表1可以看出,該材料各元素含量均符合標準的規(guī)定,且對有害元素S、P的控制比較低,避免產生裂紋,同時有利于提高低溫韌性。

        (2)母材力學性能 對母材進行室溫拉伸試驗和低溫夏比沖擊試驗,拉伸試驗按標準GB/T228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》進行,取樣2件;沖擊試驗按GB/T229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行,取樣3件。具體力學性能數據如表2所示。

        表1 06Cr19Ni10母材化學成分 (質量分數) (%)

        表2 母材的力學性能

        (3)母材焊接性分析 06Cr19Ni10不銹鋼具有較高的變形能力并且不可淬硬,所以焊接性良好。對于06Cr19Ni10在工藝方面可能出現(xiàn)的主要問題是焊接接頭熱裂紋和高溫加熱碳化物脆化;在使用方面可能出現(xiàn)的主要問題是焊接接頭的耐腐蝕性能下降和低溫沖擊韌性的下降。

        采取的主要工藝措施如下:

        第一,保證待焊區(qū)潔凈度,減少母材和焊縫中的有害雜質含量,防止偏析和低熔點共晶物的形成。

        第二,降低焊縫含碳量,防止焊縫晶間腐蝕。

        第三,調整焊縫金屬化學成分,使焊縫金屬具有一定量的鐵素體,既能避免熱裂紋的產生,又能確保焊縫金屬的低溫韌性,同時還可以防止晶間腐蝕。

        第四,采用較小的熱輸入和層間溫度,減小熔池過熱,增大冷卻速度,防止粗晶,縮短熱影響區(qū)在敏化溫度區(qū)間(450~850℃)的停留時間,以防止晶間腐蝕。

        第五,減小橫向擺寬,合理安排焊接順序;避免強力組裝和應力集中,減小焊接應力。

        第六,合理設計坡口,減小熔合比;并盡量減少焊縫的工藝缺陷。

        2. 焊接工藝評定試驗

        (1)焊材選擇 對于在低溫工況下工作的奧氏體不銹鋼,應保證焊接接頭在使用溫度的低溫沖擊韌性,結合該材料的化學成分、力學性能的匹配原則,該試驗選用了φ3.2mm的A107焊條進行試驗,焊條標準執(zhí)行NB/T 47018.2—2011。熔敷金屬的化學成分和力學性能等均符合相關標準的規(guī)定,具體情況如表3、表4所示。

        (2)坡口形式 試件采用平板對接,帶鈍邊X形坡口,角度60°±2°,鈍邊1mm,組對間隙3mm,如圖1所示。

        圖1 接頭示意

        (3)焊接參數 試件采用焊條電弧焊施焊,設備型號ZXG F300—1,選用φ3.2mm、A107焊條,焊前經300℃烘焙1h,放入恒溫桶內隨用隨取。嚴格控制電弧長度,避免空氣進入熔池,形成氣孔缺陷。試件的焊接參數如表5所示。最大焊接熱輸入控制在15kJ/cm,層間溫度控制在40~100℃,焊縫厚度控制在4mm以下。

        (4)注意事項 第一,焊前坡口表面及兩側各20mm范圍內的水分、鐵銹、油污及氧化物等有害雜質必須清理干凈,直至出現(xiàn)金屬光澤。

        第二,焊條盡量不擺動,采用窄道焊、多層多道施焊,在保證熔透和熔合良好的條件下,應采用小電流、短電弧(避免N侵入)、快焊速和多層多道焊工藝,并控制層/道間溫度在100℃以下。

        第三,焊接過程中嚴格控制焊接熱輸入,最大焊接熱輸入值≤15kJ/cm,宜選擇較小的焊接熱輸入。

        第四,每道焊后需認真檢查,徹底清除焊道表面熔渣及各種表面缺陷,尤其是接弧處,避免出現(xiàn)氣孔缺陷。

        第五,各層焊道的接頭應錯開30~50mm,接弧處保證熔合。

        第六,清渣及消缺工具選用專用的不銹鋼鋼絲刷和角磨機。消缺修磨處不得存在細長狹窄深溝,不要破壞或改變坡口角度。

        (5)焊后檢驗及試驗 第一,X射線無損檢測。檢測標準執(zhí)行JB/T4730.2—2005,檢測比例100%,試件達到了Ⅰ級標準。檢測后標記出缺陷位置,以便避開缺陷取樣,保證彎曲試驗和沖擊試驗的準確性和真實性。

        表3 熔敷金屬的化學成分(質量分數) (%)

        表4 熔敷金屬的力學性能

        表5 焊接參數

        第二,力學性能試驗。力學性能試驗執(zhí)行NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》標準要求,結果如表6~表8所示。由表8數據可知,焊接接頭的焊縫區(qū)低溫沖擊韌性相對較低,但試件的焊接接頭沖擊韌性能夠滿足ASME規(guī)范標準(AKV≥27J,即側膨脹量≥0.38mm)、GB 150—2011《壓力容器》(AKV≥31J)和SH/T 3525—2004《石油化工低溫鋼焊接規(guī)程》(AKV≥31J)的要求。硬度試驗表明,06Cr19Ni10不銹鋼焊接接頭的硬度最高區(qū)是熱影響區(qū)。

        第三,晶間腐蝕試驗。用銅-硫酸銅-16%硫酸溶液對試樣加熱16h后,進行彎曲試驗,彎曲后試樣用10倍放大鏡觀察,試驗結果如表9所示。

        第四,金相檢測。焊接接頭宏觀檢測,未見裂紋氣孔、夾渣、未熔合等焊接缺陷,焊縫熔合完好,結果合格;焊接接頭微觀測,焊縫、熱影響區(qū)、母材三區(qū)顯微組織均為奧氏體+鐵素體(見圖2、圖3)。

        表6 焊接接頭拉伸和橫向彎曲試驗結果

        表7 接頭硬度試驗結果 (HV10)

        表8 沖擊試驗結果

        表9 晶間腐蝕試驗結果

        圖2 接頭宏觀斷面

        圖3 金相組織(100×)

        3. 生產驗證

        (1)實際產品檢驗情況 首臺膨脹節(jié)焊接時嚴格執(zhí)行了焊接工藝評定合格的焊接工藝,焊條電弧焊焊縫經100%RT檢測,未見裂紋缺陷,合格率100%。產品總成后按產品設計圖樣技術要求,對首件產品進行了水壓強度試驗和氣密性檢驗,均未發(fā)現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。

        (2)產品售后跟蹤 經售后跟蹤,該產品在線上運行情況良好,能夠滿足膨脹節(jié)在該管系復雜工況下的使用要求。

        4. 結語

        (1)06Cr19Ni10具有良好的低溫韌性,焊接性優(yōu)良,焊前不需預熱,選用國產A107焊條,合理制定焊接工藝,并允許一定量的鐵素體存在,以消弱焊縫的熱裂傾向。按該工藝所獲得的焊接接頭,硬度最高區(qū)域是熱影響區(qū),低溫韌性最薄弱的是焊縫區(qū),但在-196℃低溫工況下,抗拉強度、塑性、低溫韌性和耐晶間腐蝕能力等均能夠滿足工程的要求。

        (2)關于深冷低溫條件下焊縫金屬鐵素體含量的范圍,標準中并沒有規(guī)定,國內外的各種資料上推薦的范圍也不一樣。本次試驗中對鐵素體含量進行了控制和分析,但因本次試驗的局限性,缺少對比分析,所以未做介紹,以后再做進一步的研究。

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