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        X5CrNi18-10奧氏體不銹鋼焊接工藝研究

        2020-06-02 01:35:56粟世富惠銘鈺
        化工管理 2020年8期
        關(guān)鍵詞:不銹鋼裂紋焊縫

        粟世富 惠銘鈺

        (1.無(wú)錫漢英機(jī)器制造有限公司,江蘇 無(wú)錫 214000;2.無(wú)錫順華工程設(shè)計(jì)有限公司,江蘇 無(wú)錫 214000)

        鋼號(hào)EN10088-2 X5CrNi18-10 奧氏體不銹鋼為歐標(biāo)《通用耐腐蝕鋼的薄鋼板∕鋼板和帶鋼的技術(shù)交貨條件》中的鋼號(hào),相當(dāng)于我國(guó)S30408 鋼號(hào),該鋼號(hào)具有良好的耐腐蝕性能、冷加工性能、焊接工藝性能,高的持久強(qiáng)度,良好的耐腐蝕性能和組織穩(wěn)定性,冷變形能力非常高,在國(guó)際上廣泛使用,其中編號(hào)X-至少一種合金元素平均含量≥5%,5-為含碳量小于0.5%,CrNi18-10 表示CrNi 含量為18%和10%。X5CrNi18-10 主要用于各種對(duì)碳鋼和低合金鋼有腐蝕的容器,良好純度的容器及食品加工儲(chǔ)存類容器,在壓力容器制造行業(yè)站主要地位。

        1 奧氏體不銹鋼的焊接特點(diǎn)

        1.1 晶間腐蝕產(chǎn)生的機(jī)理簡(jiǎn)述

        晶間腐蝕是局部腐蝕的一種,表征為晶粒邊界附近發(fā)生有選擇性的腐蝕現(xiàn)象。起先從金屬表面出現(xiàn),后沿金屬晶粒間的分界面向金屬內(nèi)部擴(kuò)展緩慢腐蝕的過(guò)程。使晶粒間的結(jié)合能力降低,隨后沿著晶界脫離開(kāi)來(lái),大大降低金屬的機(jī)械強(qiáng)度,鋼質(zhì)變脆不能經(jīng)受敲擊,這種在晶粒之間產(chǎn)生的腐蝕現(xiàn)象,當(dāng)受到拉應(yīng)力作用時(shí)就會(huì)沿晶界斷裂開(kāi)來(lái),是奧氏體不銹鋼中最危險(xiǎn)的一種破壞形式,其破壞區(qū)域分別作用在焊接接頭的熱影響區(qū),焊縫區(qū)和過(guò)熱區(qū)的“刀蝕”。晶間腐蝕多與晶界層的“貧鉻”現(xiàn)象有關(guān)系。

        奧氏體不銹鋼具有耐腐蝕的必要條件是Cr 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須大于12%,當(dāng)室溫時(shí)碳在奧氏體中的溶解度很小,約為0.02~0.03%,而一般奧氏體不銹鋼中的碳含量都大于此值,奧氏體鋼處于450~650℃時(shí),金屬晶粒內(nèi)部過(guò)飽和固溶的碳原子會(huì)逐步向邊界擴(kuò)散,并與Cr 結(jié)合在晶間形成碳化鉻,并沿晶界沉淀析出,結(jié)果就使晶界附近的含Cr 量大為減少,又由于鉻原子擴(kuò)散速率比碳小得多來(lái)不及補(bǔ)充消耗的鉻,當(dāng)晶粒邊界的Cr的含量低于極限值Wcr<12%時(shí),就形成所謂的“貧鉻區(qū)”,該過(guò)程稱為“敏化現(xiàn)象”;在腐蝕介質(zhì)的作用下貧鉻區(qū)就會(huì)不再抗大氣耐腐蝕的能力,從而就產(chǎn)生了不銹鋼晶間腐蝕。但是奧氏體不銹鋼不是任何時(shí)候都產(chǎn)生晶間腐蝕,它與鋼的加熱溫度和加熱時(shí)間有關(guān),晶界貧鉻的金屬在650~850℃再次加熱稱為穩(wěn)定化處理,由于加熱過(guò)程促使Cr原子的均勻擴(kuò)散,于是貧鉻層消失了;而加熱溫度繼續(xù)升高,溫度超過(guò)850℃時(shí),晶粒內(nèi)的鉻擴(kuò)散能力提高很多,使晶格中有足夠的鉻擴(kuò)散到晶界中,與碳原子結(jié)合成面心結(jié)構(gòu)組織,兩者在晶界內(nèi)都不會(huì)形成貧鉻區(qū),晶間腐蝕發(fā)生條件無(wú)法形成腐蝕停止。因此說(shuō)450~850℃為產(chǎn)生晶間腐蝕的危險(xiǎn)溫度,晶間腐蝕的“危險(xiǎn)溫度區(qū)”或稱“敏化溫度區(qū)”就是上面描述的區(qū)間范圍,其中在650℃時(shí)是交變溫度點(diǎn),兩種情況相互疊加最為危險(xiǎn)。

        焊接時(shí),處焊接溫度場(chǎng)區(qū)450~850℃之間的焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)為危險(xiǎn)的溫度區(qū)地帶,非常容易發(fā)生晶間腐蝕,這也是焊接接頭熱影響區(qū)腐蝕嚴(yán)重的主要原因,如果,焊接過(guò)程中在危險(xiǎn)溫度停留時(shí)間過(guò)程,既焊接速度過(guò)慢,則熱影響區(qū)變寬,容易出現(xiàn)更多的敏化區(qū)間。反之,如焊接接頭短暫停留在危險(xiǎn)溫度區(qū),產(chǎn)生的敏化區(qū)域就越少,接頭抗晶間腐蝕的能力就能大大提高。所以?shī)W氏體不銹鋼在焊接時(shí)快速冷卻是提高接頭耐腐蝕能力的有效措施。工藝措施為快速小電流多道焊接,焊后或焊接過(guò)程中焊縫邊上澆水冷卻。由于奧氏體不銹鋼在冷卻過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生馬氏體相變而產(chǎn)生淬硬組織,所以快速冷卻不會(huì)產(chǎn)生使接頭產(chǎn)生淬硬的馬氏體組織而使焊縫變脆現(xiàn)象。

        1.2 熱裂紋產(chǎn)生的原因

        熱裂紋是指在高溫下結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生的,而且都是沿晶開(kāi)裂,所以也稱結(jié)晶裂紋。產(chǎn)生于焊縫金屬凝固過(guò)程后期的脆性溫度區(qū)間,此時(shí)焊縫金屬結(jié)晶完成,由于還存在著很薄的液相層在晶粒間,液體金屬塑性很低。冷卻不均勻時(shí)產(chǎn)生比較大的溫差應(yīng)力,在凝固收縮過(guò)程中而產(chǎn)生的拉伸變形超過(guò)臨界值時(shí),就會(huì)在晶間界沿著晶液與晶相層產(chǎn)生開(kāi)裂。而奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱性能差,線膨脹系數(shù)大,約是低碳鋼的2倍,其電阻率是低碳鋼的4倍;焊接局部加熱、冷卻使焊縫在結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生較大的拉伸應(yīng)力,超過(guò)臨界值后就導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生;另外奧氏體不銹鋼中的Ni與P、S等雜質(zhì)在熔池中易形成低熔共晶,這樣容易出現(xiàn)雜質(zhì)的偏析現(xiàn)象,故含Ni量越高,不銹鋼中熱裂紋傾向就越大,如25-20 型奧氏體不銹鋼;還有奧氏體不銹鋼的液相線與固相線的距離較大,結(jié)晶時(shí)間較長(zhǎng),且?jiàn)W氏體結(jié)晶的枝晶方向性強(qiáng),凝固時(shí)柱狀晶粗大使雜質(zhì)偏析現(xiàn)象嚴(yán)重。以上均是產(chǎn)生焊縫熱裂紋、層間裂紋和弧坑裂紋(火口裂紋)的原因。

        表1 TP304母材與焊材成分對(duì)照表

        表2

        防止產(chǎn)生熱裂紋的方法:采用優(yōu)質(zhì)、含雜質(zhì)量少或含有Ti和Nb添加劑的不銹鋼材、焊材,因?yàn)門(mén)i和Nb與C的結(jié)合力比Cr更強(qiáng),冷卻過(guò)程中先結(jié)晶從而打亂柱狀晶的生長(zhǎng),使焊縫金屬能獲得良好的雙相體組織即:奧氏體+鐵素體。實(shí)踐證明,從舍弗勒組織圖分析當(dāng)焊縫組織中的鐵素體含量在2%~3%時(shí),就能足以防止焊縫熱裂紋產(chǎn)生;限制焊縫中雜質(zhì)含量也是一種方法,即控制焊材中的碳、硫、磷等含量進(jìn)入焊縫,能減少Ni 元素與它們結(jié)合而產(chǎn)生偏析,適當(dāng)加入錳能提高氮的溶解度也能大大減少熱裂紋的產(chǎn)生。合理的工藝措施如短弧焊接,低線能量快速多道焊,窄焊道焊接等。

        2 板材X5CrNi18-10焊接性

        X5CrNi18-10是一種通用性的不銹鋼,它優(yōu)秀的耐腐蝕性,耐熱性能,耐點(diǎn)蝕性能良好,低溫強(qiáng)度和機(jī)械特性,在壓力容器行業(yè)被廣泛應(yīng)用??傮w來(lái)講,X5CrNi18-10 奧氏體不銹鋼具有較好的可焊性,但由于其具有低的熱導(dǎo)率、高電阻率、高線膨脹系數(shù),焊接時(shí)容易產(chǎn)生拉應(yīng)力,另外奧氏體焊縫產(chǎn)生方向性很強(qiáng)的柱狀晶,促使有害雜質(zhì)的偏析。因此焊接時(shí)對(duì)熱裂紋較敏感,容易產(chǎn)生弧坑裂紋、液化裂紋;在450~850℃長(zhǎng)時(shí)間停留時(shí),會(huì)在焊縫、過(guò)熱區(qū),熱影響區(qū)產(chǎn)生晶間腐蝕;焊縫在650~850℃停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng),有可能析出脆硬的金屬間化合物,降低塑性韌性。

        3 工藝的制定、試驗(yàn)結(jié)果分析

        模擬壓力容器DN500X5 H=800的空氣儲(chǔ)罐,縱環(huán)縫采用氬弧焊打底正接法,焊條電弧焊蓋面反接法,焊接時(shí)焊工蹲在工作臺(tái)上以平焊位置施焊。環(huán)縫是采用滾輪架翻轉(zhuǎn)使保持平焊位置。

        a.焊接方法:GTAW+SMAW

        b.焊接電源:ZX7-400B(時(shí)代);。

        c.坡口制備:V型坡口32±5°;鈍邊0.5-1.0mm;坡口兩側(cè)內(nèi)、外壁各8mm 處用鋼絲刷打磨出金屬光澤、清除氧化皮除銹,如有油污顏色筆跡等用丙酮或酒精清洗露出光澤。

        e.焊接材料選擇:根據(jù)板材的化學(xué)成分和厚度(6mm)及成本因素選用ISO3581-A E19-9-2-R-34、φ3.2mm 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)焊條,焊絲選用ISO 14343-A W19-9-L-3。也可選用國(guó)產(chǎn)A132焊條,但該焊條工藝性能差、外觀成型較難控制。亦可選用進(jìn)口瑞典焊條:E308-17、英國(guó)焊絲:ER308H,但成本高。管材及焊材主要化學(xué)成分含量:見(jiàn)表1。

        d.焊接工藝要點(diǎn):

        d.1 由于奧氏體不銹鋼高的電阻率,施焊時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的電阻熱,因此焊接電流需比碳鋼材料小10%~20%,即輸入熱量減少。

        d.2 采用小規(guī)模、快焊速、不做或少做橫向擺動(dòng),盡可能直進(jìn)焊接,如焊道寬度過(guò)大需擺動(dòng)焊接時(shí),焊條擺幅不得超過(guò)焊條直徑的3倍以上。

        d.3 焊工運(yùn)條應(yīng)熟練、手要穩(wěn),不得在母材上引弧,防止電纜線、地線與工件打弧,如工件產(chǎn)生燒損應(yīng)采取打磨并檢驗(yàn)或補(bǔ)焊。

        d.4 點(diǎn)焊:氬弧焊點(diǎn)固3 點(diǎn)每焊點(diǎn)10mm 以上、間隔100mm左右,點(diǎn)固焊前表面充氬保護(hù)1分鐘以上,充氬流量4~6L/min。后按下面工藝參數(shù)見(jiàn)表2進(jìn)行施焊。

        d.5 焊接時(shí)層、道間接頭盡量錯(cuò)開(kāi),微擺動(dòng)焊接,氬弧焊打底應(yīng)一氣呵成,控制層間溫度應(yīng)小于150℃、電焊蓋面時(shí)采用短弧快速焊、微擺動(dòng)焊,收弧時(shí)需回補(bǔ)弧坑,換焊條時(shí)也需要填好弧坑。

        d.6熱處理:X5CrNi18-10不銹鋼焊接完成后一般不進(jìn)行后熱和消應(yīng)力熱處理,但當(dāng)溫差較大或者拘束過(guò)大而產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力是,可采用低于下轉(zhuǎn)變溫度(低于300~350℃)延長(zhǎng)保溫時(shí)間來(lái)進(jìn)行消除應(yīng)力或采用高溫(850~900℃)做固溶化處理。

        4 結(jié)語(yǔ)

        采用上述工藝可以得到性能良好的X5CrNi18-10 焊接接頭。目視檢查合格后進(jìn)行100%射線檢測(cè),技術(shù)等級(jí)AB 級(jí),結(jié)果為NB∕T47013.2-2015 Ⅱ級(jí)合格。試驗(yàn)表明上述工藝合格,滿足企業(yè)生產(chǎn)需要,為合格的焊接工藝。

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