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如何解決水電工程中低碳鋼與奧氏體不鏽鋼焊接後易産生裂紋焊縫韌性低級碳遷移焊縫剝離現象
发布者:不鏽鋼管厂(www.aboutnote.cn) 发布时间:2020/4/25 阅读:146

 浙江夜狼app下载特鋼有限公司針對低碳鋼與奧氏體不鏽鋼在焊接過程中易産生裂紋、焊縫韌性較低、碳的遷移以及焊縫剝離等問題,通過對材料焊接性能的理論分析,並結合現場實踐經驗,提出了有效控制焊接過程中産生上述缺陷的相關措施。主要包括嚴格控制母材熔合比、焊接時采用過濾層、使用含鎳量較高的填充材料等,並提出了一系列改進焊接工藝的建議,在實際工程中取得了良好的效果。


 
 水电工程建设中闸门止水埋设件通常使用奧氏體不鏽鋼与低碳钢,为保证止水埋设件与闸门止水件接触紧密,除要控制止水埋设件的尺寸精度和形位公差外,它的焊接工艺质量也不容忽视。闸门止水方法一般是:在闸门上设止水件,在止水埋件上设不锈钢座板,止水件与不锈钢座板之间有适当的压缩,从而使闸门达到封水效果。止水座板的材料通常采用奧氏體不鏽鋼(1Cr18Ni9 或 1Cr18Ni9Ti ),埋件其他钢板通常采用优质碳素结构钢Q235或低合金钢Q245,它们之间的焊接在金属结构中的应用较为广泛,因而研究它们的焊接工艺具有一定的实际意义。

 

 一、焊接中常見問題分析

 

 低碳钢和奧氏體不鏽鋼之间的导热系数、线胀系数和化学成分存在较大差异,焊接接头的成分和性能变化比较复杂,焊接过程中常会出现下列问题。

 

 1.焊縫的稀釋引起裂紋。焊接Q235碳鋼與1Cr18Ni9不鏽鋼時,焊縫是由兩種不同類型的母材和填充材料混合而成,由于Q235碳鋼熔入焊縫,焊縫的合金成分被沖淡,即母材對焊縫起到了稀釋的作用。焊縫的稀釋程度取決于母材熔入量(即熔合比),母材熔合比越大,焊縫的稀釋率越大。由于稀釋作用,焊縫中奧氏體形成的元素含量降低,焊縫會出現馬氏體組織,使焊接接頭脆性增大,容易産生裂紋。

 

 2.熔合区脆性层使塑性和韧性降低。焊接低碳钢和奧氏體不鏽鋼时,熔化的母材和填充金属相互混合的程度在熔池内部和熔池边缘是不同的。由于熔池边缘液态金属温度较低、流动性较差、液态金属停留时间较短,相应受到机械力的搅拌作用也较小,熔化的母材和填充金属不能充分混合,在这部分焊缝金属中,母材所占的比例较大;而越靠近熔合线,母材的比例越大,越容易形成脆性层,使焊缝的塑性、韧性显著下降,甚至导致熔合区的破坏,降低了焊接结构的可靠性。

 

 3.碳的遷移。在Q235碳鋼和1Cr18Ni9不鏽鋼的焊接接頭中,Q235碳鋼比304不鏽鋼含碳量高,含形成碳化物的元素少,在熔合區兩側會出現碳和形成碳化物元素的濃度差。當焊接接頭在350℃~400℃的高溫中長期工作時,熔合區會出現明顯的碳遷移,即碳從Q235碳鋼通過熔合區向奧氏體焊縫遷移,造成靠近熔合線的Q235碳鋼母材側出現脫碳層(鐵素體)而軟化,在奧氏體焊縫側出現增碳層而硬化。加熱溫度越高,高溫停留時間越長,熔合區兩側碳和形成碳化物元素濃度差越大,産生硬化和軟化就越嚴重,對結構的高溫持久強度影響也越大。

 

 4.熱應力導致焊縫剝離。由于低碳鋼和奧氏體鋼的導熱系數和線脹系數相差較大,因此,在焊接和堆焊過程中,焊接接頭易産生很大的熱應力。當應力值超過焊縫金屬的強度時,就會沿熔合線産生裂紋,甚至使焊縫剝離。

 


二、控制措施

 

 1.克服母材對焊縫稀釋作用

 

 a.嚴格控制母材的熔合比。焊接Q235碳鋼與1Cr18Ni9不鏽鋼時,將兩種鋼的熔合比控制在30%以下,能有效防止母材對焊縫的稀釋作用,並可獲得奧氏體+鐵素體的雙相組織,焊接抗裂性顯著提高。

 

 b.焊接時采用過渡層。焊接Q235碳鋼與1Cr18Ni9不鏽鋼時,可先在Q235碳鋼的坡口表面用含鉻鎳量高的焊條堆焊一層奧氏體過渡層,再將過渡層與1Cr18Ni9不鏽鋼進行焊接。這種方法不但能防止Q235碳鋼母材對焊縫的稀釋作用,增加了焊縫的抗裂性能,而且焊接時不易産生缺陷,焊接質量容易保證。

 

 2.提高熔合區塑性和韌性

 

  熔合區寬度與焊接電流有很大關系。采用大電流焊接時,由于液態金屬高溫停留時間延長,相應加強了熔池的攪拌作用和熔池邊緣金屬的流動性,從而改善了結晶條件,使熔合區脆性層的寬度減小。另外,選用的焊條種類不同,對熔合區脆性層的寬度影響也不同。由于鎳是決定焊縫奧氏體化的主要元素,因此,焊縫中的含鎳量對熔合區脆性層的寬度影響最大,當使用鎳基填充材料時,脆性層的寬度會完全消失。所以,爲防止脆性層的産生,常選用奧氏體化能力強的鎳基填充材料。

 

 3. 防止碳迁移现象

 

 a. 采用过渡层。焊接低碳钢与奧氏體不鏽鋼时,在碳钢母材一侧先用含碳化物较多元素的珠光体焊条或镍基焊条堆焊一层过渡层,以防止碳钢热影响区的碳向熔合区迁移,然后再用奥氏体焊条将过渡层与奧氏體不鏽鋼焊接起来。

 

 b. 采用中间过渡段。焊接碳钢与奧氏體不鏽鋼时,选用含碳化物较多元素的珠光体钢做中间过渡段,然后将中间过渡段分别与碳钢和奧氏體不鏽鋼焊接起来。

 

 4. 防止焊缝剥离

 

 为了改善低碳钢与奧氏體不鏽鋼焊接接头的应力分布,必须合理选用填充金属。如果填充金属的线胀系数与奧氏體不鏽鋼母材接近,则高温应力将集中在碳钢母材的熔合区内;反之,如填充金属的线胀系数与碳钢母材接近,则高温应力将集中在奧氏體不鏽鋼母材熔合区内。由于碳钢具有塑性变形的特征,降低应力的能力较弱,因此,高温应力集中在奧氏體不鏽鋼母材熔合区内相对有利,故焊接时最好选用线胀系数接近碳钢的镍基填充材料。

 

三、焊接工藝

 

 1.焊接低碳钢与奧氏體不鏽鋼时,为了减少母材对焊缝的稀释作用,常采用小电流、高电压和快速焊的焊接工艺。

 

 2.采用奧氏體填充金屬。若選用碳鋼或低合金鋼焊填充材料,會使整個焊縫成爲馬氏體組織,容易産生裂紋。使用18-8型填充材料,能提高熔合區的塑性,但焊縫的抗裂性能較差,因此,必須采用含鎳、鉻比較高的25-13型或25-20型填充材料。采用A102(18-8型)焊條焊接時,當母材熔合比爲40%~30%時,焊縫組織爲奧氏體+馬氏體,只有熔合比小于15%,才可避免焊縫出現馬氏體組織;采用A307(25-20型)焊條焊接時,當母材熔合比爲40%,則焊縫組織爲單相奧氏體;當母材熔合比爲30%,則焊縫組織爲含5%鐵素體的雙相組織(A+F);采用A407(25-20型)焊條焊接Q235碳鋼和1Cr18Ni9不鏽鋼時,母材熔合比爲30%~40%,焊縫組織爲單相奧氏體,熔合比高達70%時仍可保證焊縫不出現馬氏體組織,而爲單相奧氏體組織。

 

四、結語

 

  水电工程建设中低碳钢与奧氏體不鏽鋼的焊接应用较多,焊接中常会出现各种问题,但经过合理选择焊接方法、填充材料和焊接规范,就可避免焊缝金属产生裂纹,甚至出现焊缝剥离等后果,从而保证低碳钢与奧氏體不鏽鋼的焊接质量。

 

 

 
 

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