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        換熱器殼體用不銹鋼焊接裂紋預(yù)防措施

        2021-01-08 17:58:24夏承隆山東齊魯石化機械制造有限公司山東淄博255400
        化工管理 2021年13期
        關(guān)鍵詞:焊條馬氏體奧氏體

        夏承隆(山東齊魯石化機械制造有限公司,山東 淄博 255400)

        0 引言

        不銹鋼是一種合金材料,主要特點是耐腐蝕、不易生銹,除了日常生活中所看到的利用不銹鋼產(chǎn)生的餐具、家具外,不銹鋼在各個領(lǐng)域都發(fā)揮了不可替代的作用,例如被用作列車材料、零件構(gòu)造;應(yīng)用于抗晶界腐蝕性要求高的化學(xué)、煤炭、石油產(chǎn)業(yè)的野外露天機器,建材耐熱零件及熱處理有困難的零件;用于刀刃、機械零件、石油精練裝置、螺栓、螺母、泵桿、1 類餐具等的制造等。不銹鋼的發(fā)明始于18 世紀(jì)末,源于鉻的發(fā)現(xiàn),1912 年被布雷爾利發(fā)明出來以后,在1916 年取得英國專利權(quán),自此不銹鋼便得到了迅猛的發(fā)展,亨利·布雷爾利也被稱為“不銹鋼之父”。不銹鋼的出現(xiàn)給冶金史上添上了濃墨重彩的一筆,隨著不銹鋼的研究和開發(fā),我國的不銹鋼煉鋼工藝與加工工藝也得到了很好的發(fā)展[1]。

        1 產(chǎn)生裂紋的原因

        不銹鋼屬于延遲裂紋鋼的一種,這種鋼比普通碳鋼的導(dǎo)熱系數(shù)低,膨脹系數(shù)高,及導(dǎo)熱慢,受熱易膨脹而且膨脹幅度大?;谶@種性質(zhì),不銹鋼板材在焊接的過程中可能會出現(xiàn)很多問題,如出現(xiàn)咬邊、氣孔、未熔合等現(xiàn)象,而下文主要討論在焊接過程中產(chǎn)生各種裂紋的類型以及產(chǎn)生此種類型裂紋的原因。

        1.1 熱裂紋

        熱裂紋通常是在焊接過程中的高溫下產(chǎn)生,故稱其為熱裂紋,最常發(fā)生在奧氏體晶界的焊接過程中,熱裂紋的主要特點有這些:熱裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展都處在高溫下,裂紋產(chǎn)生在焊接過程中。熱裂紋絕大多數(shù)產(chǎn)生在金屬中,有縱向的也有橫向的,弧坑裂紋往往是顯星狀的,有時熱裂紋也會發(fā)生在母材中[2]。熱裂紋常處在焊縫中心或焊縫兩側(cè),在裂紋斷面上可以發(fā)現(xiàn)明顯的氧化痕跡。裂紋一般都不是平滑的,而是鋸齒形的。

        熱裂紋的種類有:(1)結(jié)晶裂紋:結(jié)晶裂紋也被稱為凝固裂紋,主要發(fā)生在焊縫處的某些相對強度較高材料上。(2)液化裂紋:多發(fā)生于在多層焊縫的焊層之間,這種裂紋屬于晶間開裂性質(zhì),在焊接產(chǎn)生的裂紋斷口處可以看見明顯的晶間開裂特征。(3)多邊化裂紋:也被稱為高溫低塑性裂紋,該裂紋多發(fā)生在重復(fù)受熱金屬中(多層焊),斷口顯現(xiàn)出高溫低塑性斷裂,以任何方向貫穿樹枝狀結(jié)晶,常常伴隨著再結(jié)晶。晶粒出現(xiàn)在裂紋附近,多邊化裂紋總是遲于再結(jié)晶,常見于單相奧氏體鋼或純金屬的焊接金屬。利用馬氏體不銹鋼進(jìn)行焊接時一般產(chǎn)生凝固裂紋和液化裂紋,因為大多數(shù)馬氏體不銹鋼凝固時形成鐵素體,所以對凝固裂紋的敏感性低,但有些因素增加其對凝固裂紋的敏感性。碳含量很高的馬氏體不銹鋼可能凝固成奧氏體,使其對凝固裂紋更為敏感。在含鈮的w(Cr)=12%的鋼中觀察到裂紋,推測起因是Nb 的偏析,液化裂紋在馬氏體不銹鋼中很少見。

        1.2 焊接接頭的冷裂紋

        冷裂紋指的是焊接接頭冷卻到較低溫度下(即奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的溫度以下)產(chǎn)生冷裂紋,主要分三種類型:延遲裂紋是在淬硬組織、氫和拘束應(yīng)力的共同作用下,產(chǎn)生的具有延遲特征的裂紋;淬硬脆化裂紋主要是由淬硬傾向大的組織,在焊接應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂紋;低塑性脆化裂紋則指的是在較低溫度下,由于被焊材料的收縮應(yīng)變,超過了材料本身的塑性儲備而產(chǎn)生的裂紋。

        焊接接頭的冷裂紋一般出現(xiàn)在利用馬氏體不銹鋼焊接時,熱裂紋與冷裂紋產(chǎn)生的時間和溫度都有所差別,熱裂紋一般產(chǎn)生在焊接的過程中,冷裂紋卻產(chǎn)生于焊接的冷卻過程中,有的裂紋是在冷卻過程中出現(xiàn),但是有的卻會等到冷卻結(jié)束幾小時甚至更長時間才會出現(xiàn)。

        熱裂紋與冷裂紋產(chǎn)生的部位和方向也有較大差別,熱裂紋一般是在焊縫金屬中,有的是縱向,有的是橫向,有時熱裂紋也會延伸到基本金屬中去。冷裂紋大多數(shù)產(chǎn)生在母材金屬或熔合線上,大多數(shù)為縱向裂紋,少數(shù)為橫向裂紋。

        1.3 再熱裂紋

        再熱裂紋指的是焊后,不銹鋼板材在一定溫度范圍內(nèi)再次進(jìn)行加熱(消除應(yīng)力熱處理或其他加熱過程)而產(chǎn)生的裂紋叫做再熱裂紋。在這些鋼中,合金元素鉬和雜質(zhì)元素硫、磷、砷、錫、硼和銅等一直被認(rèn)為和再熱裂紋有關(guān)。減少鋼中的雜質(zhì)含量,增加焊接熱輸入,減少應(yīng)力集中可以避免再熱裂紋。一般講,對于很多含Cr、Mo 和V 的低合金高強鋼(HSLA 鋼),出現(xiàn)再熱裂紋是很普遍的。

        產(chǎn)生裂紋還有可能是因為鋼中氫的致脆。氫是焊接冶金過程殘留在鋼中的氣體雜質(zhì)。由于鋼中殘留的氫使鋼的塑性惡化而形成氫脆。也有可能是因為在焊接接頭在富士環(huán)境下受拉伸應(yīng)力作用時產(chǎn)生的延遲開裂現(xiàn)象;并且根據(jù)理論來講,焊縫和熱影響區(qū)在加熱到450~850 ℃時,會在晶界上析出碳化鉻,造成貧鉻的晶界,不足以抵抗腐蝕的程度然后使得不銹鋼不足以抵擋腐蝕,進(jìn)而出現(xiàn)裂縫。

        2 預(yù)防裂紋產(chǎn)生的方法

        2.1 正確選擇焊接材料

        通過上一節(jié)中對各種裂紋的介紹,根據(jù)換熱器殼體的工作特點,合理選擇焊接材料,例如在奧氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上提高鐵素體形成元素Cr、Mo、Si 和Nb 等的含量,降低奧氏形成元素Ni、C、Mn 和N 的含量,就可得到奧氏體和鐵素體占一定比例的雙相組織,這種材料兼顧有鐵素體不銹鋼所具有的較高強度和高耐氯化物應(yīng)力腐蝕性等等性能,并且在耐晶體腐蝕性以及焊接性能上面都有顯著提高。還要根據(jù)看焊接要求選擇材料,含硅的4 系焊絲抗裂性能就好,但強度不佳,并且經(jīng)過陽極化處理后顏色和其他鋁合金有區(qū)別,但如果可以進(jìn)行噴漆就不存在該問題。

        2.2 針對不同情況進(jìn)行預(yù)防措施

        針對熱裂紋,采取的主要預(yù)防措施有:保持合適的間隙,收弧時要把弧坑填滿;嚴(yán)格地控制不銹鋼板材及焊接材料的硫含量、磷含量等有害雜質(zhì),采用低氫型焊條或者使用含錳高的低氫焊條,適用含碳、硅、硫磷低的焊條,打亂焊縫金屬的結(jié)晶方向,使得低熔點的結(jié)晶物不會集中在一起,降低熱裂紋的敏感性;減小熔合比,控制焊接時的溫度,防止過熱,在進(jìn)行焊接時要合理選擇焊接的順序以及方向,降低拘束度,從而有效降低裂紋的敏感度等,都是有效防止熱裂紋產(chǎn)生的措施,

        針對冷裂紋,采取的主要措施有:選用低氫型焊接材料,嚴(yán)格按照規(guī)定進(jìn)行焊接;進(jìn)行預(yù)熱或后熱,控制層間溫度,選擇合適的焊接規(guī)范;焊前焊條烘干,選用難吸潮焊條或超低氫焊條。

        針對再熱裂紋,防止措施:在滿足客戶的要求的前提下,選擇低配的焊接材料,合理地選擇預(yù)熱和熱處理溫度,盡可能地避開敏感區(qū),盡量減少焊接殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中。

        2.3 清理焊縫

        為了防止裂紋延伸,在對筒體進(jìn)行焊縫清理后,進(jìn)行滲透檢測,確保坡口無裂紋。若裂紋已經(jīng)延伸,可以對其采取超聲波檢測的方法對裂紋進(jìn)行檢查,首先確定好裂紋有多深,采取進(jìn)一步的處理措施,防止裂紋的延伸,常用的方法有采用磨光機打磨處理。

        2.4 確保焊接措施

        首先要保證焊接人員的工藝,在進(jìn)行焊接作業(yè)前確定焊接人員是受過專業(yè)訓(xùn)練的,并且進(jìn)行技術(shù)檢查。同時對焊接人員進(jìn)行考察,確保其熟悉焊接要求和具體的實施步驟。其次要有專業(yè)人士全程進(jìn)行監(jiān)督,以防意外發(fā)生,全程嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)章制度進(jìn)行作業(yè),對于焊接易出現(xiàn)熱裂紋的鎳基焊材,特別是弧坑處,在進(jìn)行焊接時,要注意電流不能過大同時在焊接時刻注意弧坑,加強對其的檢查與打磨工藝。最后,在進(jìn)行焊接時,要及時打磨飛濺,確保成品的質(zhì)量,按照步驟逐步施工,切勿急功近利,檢查合格后才能繼續(xù)進(jìn)行作業(yè)。

        2.5 熱處理

        在利用不銹鋼板材進(jìn)行焊接作業(yè)時,一般都采取預(yù)熱后進(jìn)行焊接,焊接過程中應(yīng)注意周圍環(huán)境,并及時做出調(diào)整。如果需要無損檢測的話一般要等焊接后24 h 進(jìn)行檢測。

        2.6 控制冷卻速度

        嚴(yán)格控制冷卻速度能有效降低焊縫產(chǎn)生裂紋的可能性。由于在站內(nèi)補焊時管線內(nèi)還有水,冷卻的速度較快,在熱影響區(qū)產(chǎn)生很大的焊接應(yīng)力,造成了焊接接頭產(chǎn)生裂紋。在進(jìn)行焊接時,要先把管線內(nèi)的水排掉,再對鋼管一側(cè)進(jìn)行預(yù)熱,預(yù)熱之后再進(jìn)行焊接再進(jìn)行焊接。在進(jìn)行焊接時盡量小規(guī)模進(jìn)行作業(yè),焊接后可以使用毛氈等物品覆蓋在焊縫上面,減緩冷卻速度,有效消除焊接應(yīng)力的產(chǎn)生。綜上所述,首先保證將要焊接的鋁合金及焊縫位置允許焊接,且要處于可焊接的時效狀態(tài)。其次保證焊前去氧化層,除氫措施沒問題,特別是容易遺漏的送絲回路的清理別忘了。再次,對于板厚較厚或者冷裂紋傾向較為嚴(yán)重的材料,采取預(yù)熱緩冷的方法。然后,在符合焊接工藝要求的前提下,可以考慮采用抗裂性能更好的鋁硅焊絲。最后,焊接時采用合適的焊接參數(shù),填滿弧坑,避免出現(xiàn)熱裂紋等現(xiàn)象。

        3 結(jié)語

        不銹鋼制品體現(xiàn)了科技的進(jìn)步,社會的進(jìn)步。但是在利用不銹鋼進(jìn)行焊接作業(yè)時,因為所選材料、所用工藝的問題,可能產(chǎn)生各種各樣的問題,裂紋就是其中的一種,不銹鋼制品產(chǎn)生裂紋影響了產(chǎn)品的使用,可能產(chǎn)生安全隱患,因此需要格外注意,加強預(yù)防和檢測措施。本文對換熱器殼體用不銹鋼進(jìn)行焊接時產(chǎn)生的裂紋種類以及可能導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋的原因進(jìn)行分析,提出預(yù)防措施,希望對今后的工作有所裨益。

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