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&不锈钢材质焊接容易出现裂缝的原因都是什么呢？
不锈钢材质焊接容易出现裂缝的原因都是什么呢？
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不锈钢是指主加元素Cr高于12%,能使钢处于钝化状态、又具有不锈钢特性的钢。不锈钢根据其显微组织分为铁素体型、马氏体型、奥氏体型、奥氏体+铁素体型和沉淀硬化型不锈钢。奥氏体不锈钢通常在常温下的组织为纯奥氏体,也有一些为奥氏体+少量铁素体,这种少量铁素体有助于防止热裂纹。&
一、奥氏体不锈钢的焊接特点:&
1、容易出现热裂纹。&
防止措施:&
(1)尽量使焊缝金属呈双相组织,铁素体的含量控制在3-5%以下。因为铁素体能大量溶解有害的S、P杂质。&
（2）尽量选用碱性药皮的优质焊条,以限制焊缝金属中S、P、C等的含量。&
2、晶间腐蚀:根据贫铬理论,焊缝和热影响区在加热到450-850℃敏化温度区时在晶界上析出碳化铬,造成贫铬的晶界,不足以抵抗腐蚀的程度。&
防止措施:&
（1）采用低碳或超低碳的焊材,如A002等;采用含钛、铌等稳定化元素的焊条,如A137、A132等。&
（2）由焊丝或焊条向焊缝熔入一定量的铁素体形成元素,使焊缝金属成为奥氏体+铁素体的双相组织,(铁素体一般控制在4-12%)。&
（3）减少焊接熔池过热,选用较小的焊接电流和较快的焊接速度,加快冷却速度。&
（4）对耐晶间腐蚀性能要求很高的焊件进行焊后稳定化退火处理&
3、应力腐蚀开裂:应力腐蚀开裂是焊接接头在特定腐蚀环境下受拉伸应力作用时所产生的延迟开裂现象。奥氏体不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂是焊接接头比较严重的失效形式,表现为无塑性变形的脆性破坏。&
应力腐蚀开裂防止措施:&
(1)合理制定成形加工和组装工艺,尽可能减小冷作变形度,避免强制组装,防止组装过程中造成各种伤痕(各种组装伤痕及电弧灼痕都会成为SCC的裂源,易造成腐蚀坑)。&
(2)合理选择焊材:焊缝与母材应有良好的匹配,不产生任何不良组织,如晶粒粗化及硬脆马氏体等;&
(3)采取合适的焊接工艺:保证焊缝成形良好,不产生任何应力集中或点蚀的缺陷,如咬边等;采取合理的焊接顺序,降低焊接残余应力水平;&
(4)消除应力处理:焊后热处理,如焊后完全退火或退火;在难以实施热处理时采用焊后锤击或喷丸等。&
(5)生产管理措施:介质中杂质的控制,如液氨介质中的O2、N2、H2O等;液化石油气中的H2S;氯化物溶液中的O2、Fe3+、Cr6+等;防蚀处理:如涂层、衬里或阴极保护等;添加缓蚀剂。&
4、焊缝金属的低温脆化:对于奥氏体不锈钢焊接接头,在低温使用时,焊缝金属的塑韧性是关键问题。此时,焊缝组织中的铁素体的存在总是恶化低温韧性。&
防止措施:&
通过选用纯奥氏体焊材和调整焊接工艺获得单一的奥氏体焊缝。&
5、焊接接头的&相脆化:焊件在经受一定时间的高温加热后会在焊缝中析出一种脆性的&相,导致整个接头脆化,塑性和韧性显著下降。&相的析出温度范围650-850℃。在高温加热过程中,&相主要由铁素体转变而成。加热时间越长,&相析出越多。&
防止措施:&
(1)限制焊缝金属中的铁素体含量(小于15%);采用超合金化焊接材料,即高镍焊材。&
(2)采用小规范,以减小焊缝金属在高温下的停留时间;&
(3)对已析出的&相在条件允许时进行固溶处理,使&相溶入奥氏体。&
二、奥氏体不锈钢的焊条选用要点:&
不锈钢主要用于耐腐蚀,但也用作耐热钢和低温钢。因此,在焊接不锈钢时,焊条的性能必须与不锈钢的用途相符。不锈钢焊条必须根据母材和工作条件(包括工作温度和接触介质等)来选用。&
1、一般来说,焊条的选用可参照母材的材质,选用与母材成分相同或相近的焊条。如:A102对应0Cr19Ni9;A137对应1Cr18Ni9Ti。&
2、由于碳含量对不锈钢的抗腐蚀性能有很大的影响,因此,一般选用熔敷金属含碳量不高于母材的不锈钢焊条。如316L必须选用A022焊条。&
3、奥氏体不锈钢的焊缝金属应保证力学性能。可通过焊接工艺评定进行验证。&
4、对于在高温工作的耐热不锈钢(奥氏体耐热钢),所选用的焊条主要应能满足焊缝金属的抗热裂性能和焊接接头的高温性能。&
(1)对Cr/Ni&1的奥氏体耐热钢,如1Cr18Ni9Ti等,一般均采用奥氏体-铁素体不锈钢焊条,以焊缝金属中含2-5%铁素体为宜。铁素体含量过低时,焊缝金属抗裂性差;若过高,则在高温长期使用或热处理时易形成&脆化相,造成裂纹。如A002、A102、A137。&
在某些特殊的应用场合,可能要求采用全奥氏体的焊缝金属时,可采用比如A402、A407焊条等。&
(2)对Cr/Ni&1的稳定型奥氏体耐热钢,如Cr16Ni25Mo6等,一般应在保证焊缝金属具有与母材化学成分大致相近的同时,增加焊缝金属中Mo、W、Mn等元素的含量,使得在保证焊缝金属热强性的同时,提高焊缝的抗裂性。如采用A502、A507。&
5、对于在各种腐蚀介质中工作的耐蚀不锈钢,则应按介质和工作温度来选择焊条,并保证其耐腐蚀性能(做焊接接头的腐蚀性能试验)。&
(1)对于工作温度在300℃以上、有较强腐蚀性的介质,须采用含有Ti或Nb稳定化元素或超低碳不锈钢焊条。如A137或A002等。&
(2)对于含有稀硫酸或盐酸的介质,常选用含Mo或含Mo和Cu的不锈钢焊条如:A032、A052等。&
(3)工作,腐蚀性弱或仅为避免锈蚀污染的设备,方可采用不含Ti或Nb的不锈钢焊条。&
为保证焊缝金属的耐应力腐蚀能力,采用超合金化的焊材,即焊缝金属中的耐蚀合金元素(Cr、Mo、Ni等)含量高于母材。如采用00Cr18Ni12Mo2类型的焊接材料(如A022)焊接00Cr19Ni10焊件。&
6、对于在低温条件下工作的奥氏体不锈钢,应保证焊接接头在使用温度的低温冲击韧性,故采用纯奥氏体焊条。如A402、A407。&
7、也可选用镍基合金焊条。如采用Mo达9%的镍基焊材焊接Mo6型超级奥氏体不锈钢。&
8、焊条药皮类型的选择:&
(1)由于双相奥氏体钢焊缝金属本身含有一定量的铁素体,具有良好的塑性和韧性,从焊缝金属抗裂性角度进行比较,碱性药皮与钛钙型药皮焊条的差别不像碳钢焊条那样显著。因此在实际应用中,从焊接工艺性能方面着眼较多,大都采用药皮类型代号为17或16的焊条(如A102A、A102、A132等)。&
(2)只有在结构刚性很大或焊缝金属抗裂性较差(如某些马氏体铬不锈钢、纯奥氏体组织的铬镍不锈钢等)时,才 考虑选用药皮代号为15的碱性药皮不锈钢焊条(如A107、A407等)。&
综上所述,奥氏体不锈钢的焊接是有其独特特点的,奥氏体不锈钢的焊接时焊条选用尤其值得注意,只有这样才能达到针对不同材料实施不同的焊接方法和不同材料的焊条,不锈钢焊条必须根据母材和工作条件(包括工作温度和接触介质等)来选用。这样才有可能能达到所预期的焊接质量。
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志趣网 版权所有奥氏体不锈钢管“热”了，“焊接裂纹”该怎么办？
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针对AP1000核电厂正常余热排出泵带堆焊层管嘴与Type304L奥氏体不锈钢管道安装焊接过程中产生裂纹，对裂纹产生的原因进行了分析，并提出了改进焊接材料及优化焊接工艺等措施，防止了裂纹的产生。
&核反应堆设备
&&& AP1000正常余热排出系统RNS执行停堆工况下低温超压保护、将堆芯衰变热带出,冷却堆芯,事故工况后向反应堆冷却剂系统补水以及冷却安全壳内置换料水箱等[1].正常余热排出泵管嘴带ERNiCr3镍基堆焊层与Type304L奥氏体不锈钢管道焊接,如图1所示,采用ER308L焊丝,GTAW焊打底焊过程中发现焊缝表面产生裂纹,且多处存在类似情况.由于缺陷的存在对核电站的安全运行造成极大的隐患,所以分析焊接裂纹的产生原因,采用合理正确的预防措施,对确保核电站质量和运行有重要意义.
&&& 1 裂纹产生原因分析
&&& 由试验结果验证:由于铁素体一方面打乱单一奥氏体柱状晶的结晶方向性,细化晶粒.由于铁素体铬含量高于奥氏体,而且铬在铁素体中的扩散比在奥氏体中快得多,所以可以帮助克服任何贫铬问题.M23C6碳化物倾向于在凹凸不平的铁素体-奥氏体边界析出,而不是在通常比较直的奥氏体-奥氏体边界析出.所以这些因素都大大限制了在含有铁素体的奥氏体不锈钢焊缝金属的敏化.
&&& S、P低熔共晶的存在扩大凝固温度范围,当焊接过程中大部分晶粒边界仍然处于液态,增加了热裂纹的敏感性.而铁素体存在另一方面可以破坏焊缝结晶时低熔液态薄膜的连续性,且铁素体对硫、磷等杂质有较高的溶解度,这样以铁素体为初始相的凝固过程中就能够限制这些杂质元素在枝晶间的偏聚.
&&& 出现奥氏体+铁素体组织,产生凹凸不平的晶界而改变晶界浸润性质,液体薄膜很难浸润该边界,且裂纹一旦起裂,很难在这个凹凸不平的边界上扩展.
&&& 纯奥氏体组织晶界平直,低熔共晶液态薄膜容易浸润该晶界,抗裂性差.图2为不含铁素体和含有铁素体在奥氏体基体分布图。
图2& 不含铁素体和含有铁素体在奥氏体基体分布图
&&& 打底焊焊道的表面为凹形,凹形表面受到焊趾和焊根的拉应力作用,同时奥氏体不锈钢导热系数小,线膨胀系数大,在焊接局部加热和冷却条件下,接头在冷却过程中形成大的拉应力.
&&& 采用ER308L焊丝焊接镍基合金与304L不锈钢焊缝金属以A模式凝固时为全奥氏体(不含铁素体),此时热裂纹最为敏感,分布在晶界的S、P低熔共晶液态薄膜与拉应力共同作用下产生了热裂纹.
&&& 2 改善焊缝腐蚀和抗热裂纹措施
&&& 为了提高焊缝耐腐蚀性和抗热裂纹性能,焊丝改为ERNiCrFe3,提高了焊缝镍含量,提高晶粒整体电极电位和耐腐蚀性.
&&& 焊接顺序进行调整,正式焊接之前采用ERNiCrFe3镍基焊丝GTAW焊接对Type304L坡口进行堆焊,小电流、低热输入堆焊可以减少Type304L稀释率,同时可以较少整体热输入和拘束度而使晶粒边界裂纹减到最少,同时降低结晶凝固时的应变量,有利于减少粗大枝晶的形成.
&&& 焊缝表面采用凸形表面,由于根部收缩将对凸形表面产生压缩作用从而抵消焊趾拉应力,从而最终减小焊缝表面拉应力作用,如图4(b)所示,同时需要填满弧坑[4].
&&& 3 结论
&&& (1)采用ER308焊丝GTAW焊接带镍基堆焊层管嘴与Type304L不锈钢管,焊接过程中产生热裂纹的原因为焊缝中无铁素体,奥氏体晶粒间液态薄膜与拉应力共同作用下产生.
&&& (2)采用ERNiCrFe3焊丝,焊接前采用小电流对Type304L不锈钢管道侧坡口侧进行堆焊,正式焊接采用小线能量,凸形焊缝表面,填满弧坑解决焊缝热裂纹及耐腐蚀性下降问题.
&&& 参考文献:
&&& [1]孙汉虹.三代核电技术AP1000[M].北京:中国电力出版社,2010.
&&& [2]SindoKou.WeldingMetallurgy[M].Wisconisin:AjohnWiley&Sons,INC.Publication,2003.
&&& [3]满达虎.奥氏体不锈钢焊接热裂纹的成因及防止对策[J].热加工工艺,):181-184.
&&& [4]JohnCLippold,DamianJKotecki.不锈钢焊接冶金学及焊接性[M].北京:机械工业出版社,2008.
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