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20合金鑄件焊接性分析及工藝措施的選擇
发布者:不鏽鋼管厂(www.aboutnote.cn) 发布时间:2020/5/7 阅读:98

 浙江夜狼app下载特鋼有限公司依據奧氏體不鏽鋼抗腐蝕性能的取向性,20合金是抗硫酸、亞硫酸及其鹽類腐蝕的理想材料。因該材料中有高含量的鎳及較高含量的鉻,钼,銅等化學元素,焊接時易産生焊縫凝固裂紋、近焊縫區液化裂紋、焊接殘余應力及熱影響區晶粒粗大而增加晶間腐蝕和應力腐蝕的風險,但只要工藝選擇合適,焊接質量是完全可以保證的。

 

 化学成分与各元素质量分数的不同,对奧氏體不鏽鋼抗耐酸腐蚀性能是有取向性的:铬,钒,硅等元素,对抗HNO3类氧化性酸的腐蚀性能是有利的;镍,铜等元素,对抗HCl或硫酸类还原性酸的腐蚀性能是有利的;钼含量在2%~3%,在各类酸中,特别是还原性酸中,能明显地表现出良好的抗腐蚀性能。根据奧氏體不鏽鋼材料抗酸腐蚀性能的取向性,选取了最适用于硫酸、亚硫酸及其盐类腐蚀环境,有卓越抗腐蚀性能的20合金材料作为试验材料,其试验过程如下。

 

一、試驗母材及規格

 20合金材料,在美國ASME—2010標准中的牌號爲SA-351CN7M,公稱成分28Ni-19Cr-Cu-Mo,機加工時的鑄件爲固溶熱處理狀態,其組織爲純奧氏體,化學成分和力學性能分別見表。試板加工及組對尺寸按圖的要求進行,機加工後表面粗糙度要求達到6.3μm以上。

 

二、焊接方法

焊接方法采用常用的焊條電弧焊(SMAW)。

 

三、焊接材料的選擇

根據AWSD1.6/D1.6M:2007《不鏽鋼結構焊接規範》的推薦,焊接材料選擇牌號爲E320LR-16,規格爲准3.2mm,其化學成分和力學性能見表。

 

四、焊接性分析與工藝選擇

 1. 焊接性分析

   根据母材选定的焊接材料,以表中给出的化学成分,按下列公式(1)及公式(2):w(Cr)eq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb(%),(1)w(Ni)eq=Ni+30C+30N+0.5Mn(%),(2)计算出选定焊材焊缝金属的铬当量w(Cr)eq值为22.1%,镍当量w(Ni)eq值为35.0%,依据1973版“戴龙焊缝组织图”可知:焊缝组织应当为纯奥氏体。因此该焊缝具有一般奧氏體不鏽鋼焊缝组织的特点:焊接接头的晶间腐蚀倾向、使用过程中的应力腐蚀开裂、接头焊接过程中的热裂等问题。由于此次评定选择的焊接材料为E320LR-16,其w(C)0.013%,小于产生晶间腐蚀倾向的下限w(C)0.03%,常温下焊缝组织处于稳定状态,故焊接时焊缝金属导致晶间腐蚀倾向的几率是很小的,也就是说,焊缝金属从选材时就不具备产生晶间腐蚀倾向应同时满足的3个条件,即晶粒粗大、腐蚀介质环境及在450~850℃温度区间长时间停留而导致碳化物(w(C)>0.03%)析出。但因母材的w(C)0.055%,这就导致母材奥氏体组织在常温下处于不稳定状态,因此在焊接时,应采取避免焊缝及热影响区组织的晶粒粗大和过热或过烧的措施,来减少整个焊接接头晶间腐蚀倾向的风险。20合金铸件和E320LR-16的焊接材料中含有比普通奧氏體不鏽鋼材料高出3~4倍含量的Ni及较高含量的Cr,Mo,Cu等元素,从而可以推断:由于焊接接头热导率比普通奧氏體不鏽鋼材料小、线膨胀系数比普通奧氏體不鏽鋼材料大和较高的电阻率,因此焊接时很容易导致焊接接头的过热或过烧,从而导致焊缝金属在凝固期间易形成方向性强的、晶粒粗大的树枝状奥氏体结晶体,这就有利于Ni与S,P,Sn,Si,N,O之类元素,在树枝晶之间形成低熔点共晶,即液态薄膜,促使焊接接头产生焊缝凝固裂纹、近焊缝区液化裂纹等微热裂纹的生成;同时又因焊接接头的线膨胀系数比普通不锈钢较大、热导率小,导致焊接接头残留较大的焊接应力,因此增大了焊接接头在使用过程中应力腐蚀开裂的倾向;同时20合金焊缝又具有镍基合金焊缝组织的特点,焊接时金属液体流动性差,因此焊缝成形不易控制,在焊缝及热影响区容易产生微热裂纹等倾向。所以在选择焊接工艺措施时,应通过适当途径来避免因焊接接头的过热或过烧而导致的焊缝凝固裂纹、近焊缝区液化裂纹等微热裂纹和晶粒粗大,以减少焊接接头的晶间腐蚀倾向和降低残余应力,来规避焊接接头晶间腐蚀、热裂纹和应力腐蚀开裂的风。

 

 2.工藝措施選擇

(1)母材熔煉時,采取特定的工藝措施把C含量控制在不超過0.03%的範圍內,或在熔煉過程中適當地加入一些铌或钛等控碳元素,使母材組織在常溫處于穩定狀態。

(2)選擇焊接材料時,優選超低碳的、低殘留元素的、並含有一定量的铌或钛等控碳元素的焊接材料,使焊縫組織在常溫處于穩定狀態。

(3)焊接時盡量保證焊縫金屬中的有益元素(鉻,鎳,钼,銅等)的質量分數與母材匹配或略高于母材的,同時避免對“抗腐蝕性能”起負作用的其他雜質元素滲入。

(4)在焊接方法及焊接材料確定的前提下,對于焊接工藝參數應選擇“小電流、短弧焊、快速多層多道焊”的軟規範參數,即小熱輸入、多層多道焊技術。

(5)焊接前一般不需要預熱,但當焊件母材的溫度低于15℃時,應在始焊處兩側100mm左右寬度範圍內加熱至15~20℃,以避免陰冷潮濕的環境氣體冷凝産生氣孔。

(6)焊接引弧時,應采用回焊引弧或引弧板過渡焊接引弧技術;焊接到接頭處時,應采用回焊引弧技術,以保證接頭處飽滿、光滑過渡;收弧時,應采用來回繞弧技術填滿弧坑,以保證弧坑處飽滿,避免産生弧坑裂紋。

(7)應嚴格控制層間和道間溫度在較低的溫度範圍,所推薦的層間和道間溫度均不超過100℃,以避免焊縫金屬和熱影響區過熱或過燒,保證焊縫金屬和熱影響區金屬在冷卻到室溫並清理幹淨後,再進行層間或道間的焊接,焊接結束後其焊縫金屬和熱影響區表面以呈現出銀白光亮色或金黃色爲宜。(8)焊接結束時應采取快速冷卻措施,盡量避免焊接接頭在450~850℃溫度區間長時間停留,必要時可以采取澆水,或其他強制冷卻的措施,來縮短焊接接頭在敏感溫度區間的停留時間。4.3輔助工藝措施及規範參數選擇焊接前,坡口表面及邊緣15~20mm範圍內經液體滲透(PT)檢測確認無裂紋、氣孔、縮松等表面缺陷後,按圖1所示尺寸進行組對。焊接時清除坡口表面及其邊緣15~20mm範圍內的油汙、滲透劑等影響焊接質量的雜質,使其露出金屬光澤,並保證焊接接頭始焊處的預熱溫度在15℃以上。當環境溫度低于15℃時,考慮采取措施在始焊處100mm範圍內預熱到15℃以上,待充分排出滲透到母材內的滲透劑、冷凝水等汙物後隨即開始焊接。焊條使用前在320℃/h的條件下進行烘幹。用焊條保溫桶存放,在焊接現場,焊條保溫桶要求一直處于通電保溫關閉狀態,隨時取用,隨時關閉,嚴禁處于敞口儲存。對于在4h之內未使用完的焊條,應重新進行烘幹。然後按表5的焊接工藝參數進行焊接。焊接時,焊條不擺動,且層間溫度及道間溫度均控制在100℃以下,每道焊接結束後,隨即采用吸水率大的棉質濕抹布覆蓋其焊縫表面進行強制冷卻,同時采取澆水措施使抹布始終保持濕漉漉狀態。每焊接3~5層後,進行一次液體滲透(PT)檢測,一旦出現缺陷,只有修複合格後才能繼續焊接。層間和道間清理,采用專用工具清理,避免鐵離子汙染。背面采用角磨機清根,按表5的工藝參數,采用焊接2層填滿坡口的工藝措施。5無損檢測焊件冷卻到室溫後,按ASME—2013第Ⅴ卷、第2章及第6章[7]的要求,分別進行外觀目視(VT)、射線(RT)及液體滲透(PT)檢測,其結果符合ASME—2013第Ⅸ卷QW-194,QW-191.1.2.2及QW-195.2.2的要求;同時也滿足相關産品技術標准規範的規定。

 

五、力學性能及化學分析

  对完成无损检测的试板,按照相应规范的要求进行力学性能及化学分析试样加工,其力学性能及化学分析检验项目、数量、试样加工检验执行标准见表6。试样加工完成后进行外观形状几何尺寸检查,合格后进行标识移植。

 1. 力学性能试验

  在室内温度为19℃,空气相对湿度为27%的环境条件下,力学性能检验结果见表,试验结果全部合格,其中弯曲试样拉伸表面完好,无缺陷。

 2. 金相试验

  按标准GB/T19869.1—2005的要求加工试样,试样包括焊缝金属、热影响区和母材,其规格尺寸为70mm×20mm×18mm。

  a.宏观金相试验

   试样打磨抛光后经王水溶液腐蚀,当其观察面清晰显示出熔合线、热影响区和各层焊道痕迹时,在正常光照条件下,用5~10倍放大镜进行宏观金相观察。如图所示,焊缝金属、热影响区及母材区域均无裂纹、未焊透、气孔,熔敷金属与母材熔合良好,其结果符合QW-183的要求。

  b.微观金相试验

  经宏观金相检测完成后的观察面上,在电子显微镜下至少放大200倍后,进行微观金相观察,母材金相组织照片如图3所示,其组织均为单相的、固熔状态的弥散相奥氏体组织。焊缝组织如图4所示,其组织为典型的单相奥氏体铸态组织、Fe及Cr-Ni-Mo-Cu晶间化合物组成。热影响区的组织如图所示的该区域内的组织与母材的组织基本一致。经观察,在整个焊接接头区域内:未发现有对焊接性能有影响的显微裂纹、沉淀物出现及异常组织,其结果合格。

 3.硬度試驗

金相試驗後按標准GB/T4340—2009的要求進行維氏硬度試驗。在試驗溫度爲24℃,空氣相對濕度爲24.2%室內環境條件下,按圖所示的位置進行檢測,維氏硬度(HV)檢測結果見表。結果顯示母材、熱影響區和焊縫金屬的硬度值均無異常分布,熱影響區寬度在6.0~8.5mm的範圍內。

 4. 晶间腐蚀试验

  取自于稀释区以外的焊缝金属晶间腐蚀试样,其规格尺寸为70mm×10mm×4mm,经外观及尺寸检查合格后,按GB/T4334.5—2000标准的要求,φ(酸)10%电解浸蚀法进行晶间腐蚀试验,结果为:拉伸表面均完好无损,试样表面未发生晶间腐蚀现象。

 5.化學分析

  试验对未被稀释的焊缝金属进行化学分析,结果见表,焊缝金属化学成分满足ASME第Ⅱ卷C篇SFA-5.4标准中E320LR的要求。

 

六、結論

 1. 奧氏體不鏽鋼材料的抗腐蚀性能,因所含化学成分及百分比含量的不同,其是有取向性的。

 2. 焊接材料优选超低碳焊条E320LR或焊丝ER320LR.以避免20台金焊接的过程中产生焊缝凝固裂纹、近焊缝区液化裂纹等徽热裂纹。

 3. 在选择工艺参数时,应优选软规范,即热输入小的规范,以削弱焊缝及热影响区金属过热或过烧,从而避免增大接头的晶间和应力腐蚀风险。

 4. 20合金的焊接接头,只要工艺措施选择合适,其一样与母材具有同等抗强酸腐蚀的性能。

 5. 20合金焊接易于产生微热裂纹的内因是母材和焊接材料化学成分中有高含量的镍,以及较高含量的铬,铜及钼等元素;外因是由于工艺措施的选择不当而导致焊接接头的过热或过烧。

 

 
 

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