奧氏體不銹鋼具有良好的焊接性,目前工業(yè)上應(yīng)用最廣,本文比較詳細的分析了奧氏體不銹鋼在焊接時產(chǎn)生熱裂紋、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂原因和防治措施, 在生產(chǎn)中加以預(yù)防,便可獲得優(yōu)良的焊接接頭。
不銹鋼是不銹耐酸鋼的簡稱,按合金元素和顯微組織不銹鋼可分成五種類型:馬氏體鋼;鐵素體鋼、奧氏體鋼、沉淀硬化鋼;雙相鋼。其中奧氏體不銹鋼是在鉻含量為18%的鐵素體型不銹鋼中加入Ni、Mn、N等奧氏體形成元素而獲得的鋼種系列,它是目前工業(yè)上應(yīng)用最廣的不銹鋼,被廣泛應(yīng)用于化工容器、食品工業(yè)和機械設(shè)備中,真空冶煉爐普遍采用奧氏體不銹鋼作為爐體材料。
1.奧氏體不銹鋼的焊接缺陷
1.1.晶間腐蝕
產(chǎn)生在晶粒之間的腐蝕,其導(dǎo)致晶粒間的結(jié)合力喪失,強度幾乎完全消失,當受到應(yīng)力作用時,即會沿晶界斷裂。
1.1.1.產(chǎn)生原因
根據(jù)貧鉻理論,焊縫和熱影響區(qū)在加熱到450~850℃敏化溫度(危險溫度區(qū))時,由于Cr原子半徑較大,擴散速度較小,過飽和的碳向奧氏體晶粒邊界擴散,并與晶界的鉻化合物在晶界形成Cr23C6,造成貧鉻的晶界,不足以抵抗腐蝕的程度。
1.1.2. 防止措施
1.1.2.1.控制含碳量 采用低碳或超低碳(W(C)≤0.03%)不銹鋼焊接焊材。。
1.1.2.2.添加穩(wěn)定劑 在鋼材和焊接材料中加入Ti、Nb等與C親和力比Cr強的元素,能夠與C結(jié)合成穩(wěn)定碳化物,從而避免在奧氏體晶界造成貧鉻。常用的不銹鋼材和焊接材料都含有Ti、Nb,如1Cr18Ni9Ti、E347-15焊條、H0Cr19Ni9Ti焊絲等。
1.1.2.3. 采用雙向組織 由焊絲或焊條向焊縫中熔入一定量的鐵素體形成元素,如Cr、Si、AL、MO等,以使焊縫形成為奧氏體+鐵素體的雙相組織,因為Cr在鐵素體內(nèi)擴散速度比在奧氏體中快,因此Cr在鐵素體內(nèi)較快的向晶界擴散,減輕了奧氏體晶界的貧鉻現(xiàn)象。一般控制焊縫金屬中鐵素體含量為5%~10%,如鐵素體過多,會使焊縫變脆。
1.1.2.4.快速冷卻 因為奧氏體不銹鋼不會產(chǎn)生淬硬現(xiàn)象,所以在焊接過程中,可以設(shè)法增加焊接接頭的冷卻速度,如焊件下面用銅墊板或直接澆水冷卻。在焊接工藝上,可以采用小電流、大焊速、短弧、多道焊等措施,縮短焊接接頭在危險溫度區(qū)停留的時間,以免形成貧鉻區(qū)。
1.1.2.5.進行固溶處理或均勻化熱處理 焊后把焊接接頭加熱到1050~1100℃,使碳化物又重新溶解到奧氏體中,然后迅速冷卻,形成穩(wěn)定的單相奧氏體組織。另外,也可以進行850~900℃保溫2h的均勻化熱處理,此時奧氏體晶粒內(nèi)部的Cr擴散到晶界,晶界處Cr量又重新達到了大于12%,這樣就不會產(chǎn)生晶間腐蝕了。
1.2.熱裂紋
奧氏體不銹鋼在焊接時熱裂紋是比較容易產(chǎn)生的缺陷,包括焊縫的縱向和橫向裂紋、火口裂紋、打底焊的根部裂紋和多層焊的層間裂紋等,特別是含鎳量較高的奧氏體不銹鋼更容易產(chǎn)生。
1.2.1.產(chǎn)生原因
1.2.1.1.奧氏體不銹鋼的液、固相線的區(qū)間較大,結(jié)晶時間較長,且單相奧氏體結(jié)晶方向性強,所以雜質(zhì)偏析比較嚴重。
1.2.1.2.導(dǎo)熱系數(shù)小,線膨脹系數(shù)大,焊接時會產(chǎn)生較大的焊接內(nèi)應(yīng)力(一般是焊縫和熱影響區(qū)受拉應(yīng)力)。
1.2.1.3.奧氏體不銹鋼中的成分如C、S、P、Ni等,會在熔池中形成低熔點共晶。例如,S與Ni形成的Ni3S2熔點為645℃,而Ni- Ni3S2共晶體的熔點只有625℃。
1.2.2.防止措施
1.2.2.1.采用雙相組織的焊縫 盡量使焊縫金屬呈奧氏體和鐵素體雙相組織,鐵素體的含量控制在3~5%以下,可擾亂奧氏體柱狀晶的方向,細化晶粒。并且鐵素體可以比奧氏體溶解更多的雜質(zhì),從而減少了低熔點共晶物在奧氏體晶界的偏析。
1.2.2.2.焊接工藝措施 在焊接工藝上盡量選用堿性藥皮的優(yōu)質(zhì)焊條、采用小線能量,小電流、快速不擺動焊,收尾時盡量填滿弧坑及采用氬弧焊打底等,可減小焊接應(yīng)力和弧坑裂。
1.2.2.3.控制化學(xué)成分 嚴格限制焊縫中S、P等雜質(zhì)含量,以減少低熔點共晶。
1.3.應(yīng)力腐蝕開裂
金屬在應(yīng)力和腐蝕性介質(zhì)共同作用下,發(fā)生的腐蝕破壞。應(yīng)力腐蝕最大特點之一是腐蝕介質(zhì)與材料的組合上有選擇性。容易引起奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕主要是鹽酸和氯化物含有氯離子的介質(zhì),還有硫酸、硝酸、氫氧化物(堿)、海水、水蒸氣、H2S水溶液、濃NaHCO3+NH3+NaCl水溶液等介質(zhì)等。
1.3.1.產(chǎn)生原因
應(yīng)力腐蝕開裂是焊接接頭在特定腐蝕環(huán)境下受拉伸應(yīng)力作用時所產(chǎn)生的延遲開裂現(xiàn)象。奧氏體不銹鋼焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開裂是焊接接頭比較嚴重的失效形式,表現(xiàn)為無塑性變形的脆性破壞。
1.3.2.防止措施
1.3.2.1.合理制定成形加工和組裝工藝 盡可能減小冷作變形度,避免強制組裝,防止組裝過程中造成各種傷痕。
1.3.2.2.合理選擇焊材焊縫與母材應(yīng)有良好的匹配,不產(chǎn)生任何不良組織,如晶粒粗化及硬脆馬氏體。
1.3.2.3.采取合適的焊接工藝 保證焊縫成形良好,不產(chǎn)生任何應(yīng)力集中或點蝕的缺陷,例如,避免十字交叉焊縫,Y形坡口改為X形坡口、適當減小坡口角度、采用短焊焊道、采用小線能量。
1.3.2.4.消除應(yīng)力處理 焊后熱處理,如焊后完全退火或退火;在難以實施熱處理時采用焊后錘擊或噴丸等。
為了保障真空冶煉爐用奧氏體不銹鋼的焊接質(zhì)量,需要綜合分析奧氏體不銹鋼的焊接性能,根據(jù)具體產(chǎn)生的缺陷,分析其產(chǎn)生的原因,采取針對性的措施,以保證獲得高質(zhì)量的焊接接頭。