李 莎, 趙振鐸, 王貴平
[1.太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司 先進(jìn)不銹鋼材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 太原 030003; 2.山西太鋼不銹鋼股份有限公司 技術(shù)中心, 太原 030003]
N08800合金是一種低碳、鈦穩(wěn)定化的鐵鎳基耐蝕耐熱合金,具有良好的抗氧化性能,優(yōu)異的耐點(diǎn)蝕、抗應(yīng)力腐蝕性能,廣泛應(yīng)用于工業(yè)中[1-3]。N08800合金屬于高溫難變形合金,熱加工過程中極易產(chǎn)生裂紋缺陷,熱軋板材主要依賴于進(jìn)口。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)該合金的研究主要集中在凝固行為、腐蝕性能等方面[4-6]。N08800合金的薄壁電加熱管生產(chǎn)工藝流程為:帶材檢查→焊接[鎢極自熔氬弧焊(TIG)焊]→填充鎂粉→輥壓減徑→發(fā)黑退火處理→彎管成型,其中焊接為焊管生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié),焊管質(zhì)量直接決定了后續(xù)電加熱管的成型質(zhì)量,在實(shí)際彎管成型中,時(shí)而存在開裂問題,該問題的存在降低了電加熱管的成品率,增加了產(chǎn)品的生產(chǎn)制造成本。筆者對(duì)高端電加熱器用N08800合金薄壁焊管彎管成型后的開裂原因進(jìn)行了分析,并在此基礎(chǔ)上,提出相應(yīng)的控制措施,為N08800合金薄壁電加熱管的實(shí)際生產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo)。
N08800合金薄壁焊管生產(chǎn)采用TIG焊接工藝方法,制備的焊管規(guī)格為φ10 mm×0.5 mm,經(jīng)彎管成型工藝后,有些焊管出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。取開裂焊管試樣,對(duì)開裂處進(jìn)行宏觀觀察,如圖1所示,可見開裂處形成的孔洞位于焊縫處且孔洞貫穿管壁。
圖1 N08800合金焊管缺陷宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the N08800 alloy welded pipe defects: a) sample No.1; b) sample No.2
對(duì)存在開裂缺陷的N08800合金薄壁焊管的母材進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1,可見所用N08800合金成分符合技術(shù)要求。
表1 N08800合金焊管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the N08800 alloy welded pipe (mass fraction) %
對(duì)出現(xiàn)開裂的N08800合金薄壁焊管的母材進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn),結(jié)果見表2??梢娝肗08800合金薄壁焊管母材的力學(xué)性能符合技術(shù)要求。
表2 開裂N08800合金焊管母材的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of base metal of the cracking N08800 alloy welded pipe
從開裂焊管橫截面上切取金相試樣,經(jīng)磨制、拋光、浸蝕后進(jìn)行金相檢驗(yàn),如圖2所示。觀察發(fā)現(xiàn)帶鋼原料的顯微組織為單一奧氏體,晶粒度為7.5級(jí),組織均勻無異常。對(duì)于單一奧氏體組織來說,晶粒越小,強(qiáng)度越高,塑性越差,反之,則塑性較高,利于加工成型。生產(chǎn)實(shí)踐表明,N08800合金在該組織條件下,具有較佳的塑性指標(biāo),利于焊管彎管成型。
圖2 N08800合金焊管的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of N08800 alloy welded pipe
采用掃描電鏡(SEM)分別對(duì)1號(hào)、2號(hào)焊管試樣的開裂形貌進(jìn)行觀察,分析其開裂產(chǎn)生的原因并提出相應(yīng)的控制措施。
圖3為1號(hào)焊管試樣開裂處的形貌,可見開裂處位于焊縫位置。在開裂形成的孔洞缺陷靠近管壁外表面附近觀察到了浮渣,采用能譜(EDS)儀對(duì)其進(jìn)行成分分析,其成分主要為含鋁、鈣、硅、鎂的氧化物,如圖4所示。該浮渣位于焊管外表面,其為焊接過程中形成的二次冶金產(chǎn)物,是由焊接熔池內(nèi)的夾雜物重新聚集長(zhǎng)大而形成,通過對(duì)焊縫表面進(jìn)行酸洗、打磨等處理,可減少或消除。
圖3 1號(hào)試樣開裂處的SEM形貌Fig.3 SEM morphology at cracking of sample No.1: a) at low magnification; b) at high magnification
圖4 焊接浮渣的EDS分析位置及分析結(jié)果Fig.4 EDS a) analysis position and b) analysis results of the welding slag
圖5為2號(hào)焊管試樣的開裂形貌,可知也是在焊縫位置開裂,對(duì)開裂處的孔洞形貌進(jìn)行觀察,未發(fā)現(xiàn)夾雜物及二次析出相等,從該孔洞表面形貌特征判斷,其為典型的焊縫金屬在凝固過程產(chǎn)生的樹枝晶凝固形貌,是由凝固過程中焊縫未得到焊接金屬的充分補(bǔ)縮所導(dǎo)致的縮孔缺陷。
圖5 2號(hào)試樣開裂處的SEM形貌Fig.5 SEM morphology at cracking of sample No.2: a) at low magnification; b) at high magnification
針對(duì)較大尺寸焊接浮渣,打磨后部分焊接浮渣仍然存在于焊管表面或留下很深的凹坑,甚至貫穿壁厚,尤其對(duì)于薄板料表現(xiàn)得更為突出。當(dāng)焊縫存在凹坑缺陷并且薄壁管受彎管拉應(yīng)力作用時(shí),該處缺陷應(yīng)力比較集中,凹坑缺陷會(huì)形成開裂,從而形成開裂孔洞。焊接浮渣為焊接過程中二次冶金造成夾雜物上浮聚集所致,從材料生產(chǎn)制造角度考慮,需進(jìn)一步提高鋼液的純凈度,降低鈣、硅等元素的含量以及夾雜物含量,進(jìn)而減小焊接浮渣尺寸,避免形成焊接凹坑等應(yīng)力集中源,降低焊管在拉應(yīng)力作用下彎管成型開裂傾向。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)了解,用戶為了提高生產(chǎn)效率,提高了焊接速度,由于焊接速度過快,熱輸入降低,造成熔池中的焊縫金屬補(bǔ)縮不充分,形成焊接縮孔,成為潛在的缺陷應(yīng)力源,當(dāng)薄壁管彎管成型時(shí),容易在此處產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展開裂。
N08800合金屬于鐵鎳基合金,液態(tài)時(shí)黏度較高,流動(dòng)性能差。采用鎢極自熔氬弧焊時(shí),在相同焊接電流、焊接電壓條件下,焊接速度對(duì)焊接接頭的成型性能有較大影響。因此,為保證獲得性能良好的焊接接頭,不能一味追求生產(chǎn)效率而盲目提高焊接速度,這樣將無法保障焊接熔池金屬充分填充焊縫,進(jìn)而導(dǎo)致焊接縮孔的產(chǎn)生,降低焊管成型質(zhì)量。表3為N08800合金焊管生產(chǎn)工藝改進(jìn)前后的焊接參數(shù),將焊接速度進(jìn)行了適當(dāng)降低,經(jīng)實(shí)際焊接后,未發(fā)生因焊接孔洞造成的開裂現(xiàn)象,焊管成型開裂率大幅降低。
表3 N08800焊管焊接工藝改進(jìn)前后的參數(shù)Tab.3 Parameters of N08800 welded pipe before and after welding process improvement
N08800合金焊管成型開裂均出現(xiàn)在焊縫處,主要由焊縫浮渣、焊接縮孔等原因造成。焊接浮渣為焊接過程中二次冶金的產(chǎn)物,較大尺寸的焊接浮渣會(huì)在外力作用下形成凹坑,進(jìn)一步擴(kuò)展為開裂孔洞。焊接縮孔為凝固過程中焊縫未得到熔池金屬的充分補(bǔ)縮所致的缺陷。
建議進(jìn)一步提高鋼液的純凈度,降低材料中的夾雜物含量。在其他焊接工藝參數(shù)不變的條件下,降低焊接速度,避免焊接縮孔缺陷產(chǎn)生,降低焊管成型開裂傾向。