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行业新闻

浅析不锈钢带极堆焊质量问题及控制措施

在工件表面进行201不锈钢带极堆焊,依据堆焊层组织的不同,堆焊金属性能各不相同。堆焊金属的性能包括外观成形、力学性能、弯曲性能、耐蚀性能、耐磨性能等。但是,我们除了关心这些内容之外,我们还关心堆焊时常见的质量问题、产生的原因分析及防止措施。
1.宏观缺陷
(1)夹渣夹渣往往以道间形成出现,有时也会产生层间夹渣。焊道夹渣形成原因主要是焊剂工艺性能较差,使熔敷金属的焊道两侧的润湿角太陡,造成边缘熔合不良,在堆焊后一道焊道时,就易形成道间夹渣。另外,焊接规范、焊接位置等不合格也易形成这种缺陷。
(2)咬边咬边主要是出现在电渣堆焊中,对于宽带极(带极宽度大于60mm)电渣堆焊,由于磁收缩效应,会使堆焊层产生咬边,随着带极宽度增加,堆焊电流增大,咬边现象越重,因此必须采用外加磁场的方法来防止咬边的产生(磁控法)。同时必须合理布置磁极位置,选择合理的激磁电流大小,外加磁场太强或太弱均会影响堆焊焊道的成形。两个磁极的磁控电流应可分别调整。比如对于非预热的平焊位置的工件,当带极为60mm×0.5mm时,磁控装置的南、北极控制电流分别为1.5A和3.5A;对于90mm×0.5mm的带极,则分别为3A和3.5A。
(3)裂纹裂纹主要出现在收弧处,有时也会出现在焊道中。堆焊层裂纹主要是热裂纹,其原因有二:熔敷金属的铬镍比不合适,致使堆焊金属铁素体含量太低或太高,这主要由焊带及焊剂的成分匹配不当造成;焊接规范不当,电流过大也易造成热裂纹。
(4)未熔合堆焊层与母材间结合面或层间易出现未熔合现象,由于烧结型焊剂比熔炼型焊剂堆焊重量轻,故熔深比较小。一旦操作不当或焊接规范参数掌握不适,易出现结合面未熔合或层间未熔合缺陷。
上面介绍了常见宏观缺陷及防止措施,除此之外,在实际产品堆焊时,还应注意以下几点。一是焊前严格对母材打磨,去除铁锈、油污等影响焊接的因素且必须预热。二是控制堆焊层厚度,在进行过渡层堆焊时,由于是异种钢焊接,容易产生焊接缺陷,一般的方法是在保证焊道成形的前提下尽量降低过渡层堆焊厚度(3~3.5mm);在进行耐蚀层堆焊时,由于是同一材质的焊接,不易产生焊接缺陷,一般的方法是在保证焊道成形的前提下可以适当增加耐蚀层的厚度(3.5~4mm),同时也增加了耐蚀层的有效厚度。当堆焊层厚度超过5mm时,将引起焊瘤,极易引起焊渣。
2.内部缺陷
(1)耐腐蚀试验不合格厚壁压力容器内壁不锈钢堆焊层的耐腐蚀性能主要指耐晶间腐蚀性能,同时也应考虑耐应力腐蚀和均匀腐蚀(包括动态和静态水腐蚀)性能。在大多数应用场合下,对内壁堆焊层的耐腐蚀性能通常都有较高的要求。奥氏体不锈钢加热到1000℃以上时,碳化物固溶到奥氏体中,在通过400~850℃敏化温度区间冷却后,过饱和的碳以M23C6的形式沿奥氏体晶界析出,造成晶间腐蚀,为了防止晶间腐蚀,可降低含碳量,使堆焊层达到超低碳水平,或在堆焊材料中添加稳定化元素(Nb、Ti)。除碳元素之外,其他合金元素对堆焊层耐腐蚀性能都有不同程度的影响,其中Cr的影响较为显著,Cr含量减少,堆焊层晶间腐蚀的危险区增大。Fe-Cr-Ni不锈钢在水介质中产生应力腐蚀破坏的主要原因是较高的氯离子浓度、含氧量和正向及剪切力。实践证明,在高温水中,但Cl-和O2的含量均小于10-7时,即使在高应力条件下,一般也不会发生应力腐蚀破坏。通常情况下,应控制介质中腐蚀元素或离子(如B、Cl-、F-、O2等)的含量,以使不锈钢堆焊层的均匀腐蚀速率低于技术要求的规定数值。
对要求按GB/T4334.E-2008《不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法》试验时,一般均能通过。对要求按其他腐蚀试验方法试验时,有时可能出现不合格的结果。导致不合格的原因包括:焊材选择不合适;焊接电流过大,碳弧气刨的影响,层间温度过高等;取样位置有误,试样表面加工不符合要求;腐蚀液浓度不合适,试验湿度不符合标准要求等。
(2)堆焊层(表层)铁素体含量(或铁素体数)不符合要求造成堆焊层铁素体含量不合格的一般原因包括:焊带的化学成分中Cr当量/Ni当量比例不合适,当Cr当量高而Ni当量低时,会造成δ%较高,反之则δ%较低;焊接电流过大,其Cr当量降低,而Ni烧损较少,会造成铁素体含量偏低。电弧过长或焊丝干伸长度过长,会使空气中的N过高地侵入熔池,使焊缝金属N含量较高也会使Ni当量升高,造成铁素体含量偏低;化学成分取样位置有误,当采用钻削法取样时,往往会钻到过渡层上,而过渡层Cr高,造成铁素体偏高。
(3)弯曲试验不合格NB/T47018.5中对不锈钢堆焊金属的弯曲性能作出了明确的规定,即弯曲试验后再试样拉伸面上的堆焊层内不得有大于1.5mm的任一开口缺陷;在熔合线上不得有大于3mm的任一开口缺陷。造成弯曲试验不合格的原因包括:过渡层焊带选用不当,以常用带极堆焊过渡层焊带309L为例,根据Cr、Ni含量的不同,分为两种,一种为高Cr、Ni的24-13型,另一种为低Cr、Ni的22-11型,选用前一种焊带进行埋弧焊时更容易通过弯曲试验;焊接电流过大,使过渡层稀释率太高,造成马氏体组织、表层树枝状结晶粗大;过渡层与母材之间熔合线呈过大的波浪形。
(4)堆焊层下裂纹裂纹位于堆焊热影响区焊道重叠部分的下部粗晶区,它是在焊前一焊道时被加热到1200~1425℃,再因焊后一焊道而被加热到600~700℃的重叠部分,若再经过消除应力处理,而产生堆焊层下裂纹。裂纹与堆焊方向垂直,是一种非常微小的裂纹。裂纹深度一般在2.5~3mm,长度为0.2mm至数毫米,一般用显微镜很难发现。用普通的无损检测方法也不易探出来。裂纹是沿晶界产生并扩展,只发生在某些特定的合金钢(含Mn量较低,碳化物形成元素较多的钢,如SA508C12锻件)中。
堆焊层下裂纹属于再热裂纹性质。其产生原因主要与钢的化学成分有关。特别是当钢含有一定量的强烈碳化物形成元素,如V、Mo时,易产生堆焊层下裂纹。以再热裂纹(也称消除应力裂纹)敏感性ΔG表示:
ΔG=Cr%+3.3(Mo%)+8.1(V%)-2
当ΔG>0时,钢具有再热裂纹敏感倾向。ΔG<0时,产生裂纹敏感性较低,且ΔG增大,产生堆焊层下裂纹的倾向增大;有研究表明,当ΔG>2时,堆焊层下裂纹产生的可能性反而减小,ΔG更大时,可能性趋于0。这是因为当0<ΔG<2时,由于碳化物二次沉淀硬强化了晶内,使晶内不易滑移,晶间强度相对减弱,大多数形成已经通过晶间滑移进行,当晶界处承受不了滑移变形时,就产生晶界裂纹。而ΔG>2的钢主要是有二次沉淀硬化的M23C6型碳化物沉淀析出的Cr-Mo钢。故其堆焊层下裂纹敏感性很低。此外,堆焊时造成的焊接收缩应力和异种钢焊接因堆焊层与基层热胀系数相差较大造成的热应力是引起裂纹的另一个原因。
堆焊层下裂纹是一种非常微小的裂纹,且越过粗晶区而扩散的例子是没有的。尽管对设备的安全使用不存在什么问题,但还是以不存在裂纹状的缺陷为好。防止该类裂纹产生的主要措施是采用双层堆焊。利用第二层堆焊的输入热量来对第一层的热影响粗晶区进行正火,使之晶粒细化。但这时要对第一层的堆焊厚度加以控制,最好在3mm以下。此外,适当调整母材金属的合金成分,减少裂纹敏感元素(Nb、Ti等)的含量,合理增加抗裂纹元素(如Ni、Mn、Mo等),也可以降低堆焊接头的再热裂纹敏感性。
(5)堆焊层产生脆化,引起裂纹厚壁压力容器内壁堆焊后,往往需要经过较高温度和较长时间的消除应力热处理。显然这样的热处理工艺有可能使不锈钢堆焊金属产生碳化物析出或δ相转变等,在接合区还会出现马氏体带,并形成碳扩散层,从而引起堆焊层和熔合区的脆化。尤其是在加氢反应器中的高应力集中部位,如人孔法兰、八角垫槽的根部小R处、筒体内凸台与筒壁之间的R处等。由于堆焊层表层含Nb,经热处理后会有粗大的NbC析出;另有一部分铁素体转变生成脆化的σ相,这两因素所造成的后果就使堆焊层产生脆化,在高应力作用下即产生脆化裂纹,这种脆化裂纹严重时甚至可以延伸到基层母材中。
(6)产生氢剥离裂纹在Cr-Mo钢等铁素体类钢上进行奥氏体不锈钢堆焊,这实质上就是异种钢的焊接,在其熔合线两侧,必定形成一个增碳层和脱碳层。在堆焊后热处理时及高温使用时由于碳的迁移就会使这两个区域扩大,在堆焊层侧的增碳层,Cr23C6碳化物大量析出形成硬脆区,即形成经理粗大的马氏体组织,在应力作用下,产生脆化裂纹。而由于基体和奥氏体堆焊层热胀系数之差造成较大的热应力,使硬度低的脱碳层部位形成缺口效应,以致发生裂纹。
反应器在操作过程中,筒壁吸收了大量的氢,在停工后的冷却过程中,氢由母材向堆焊层扩散,由于氢在基体中的扩散速度要比在奥氏体不锈钢堆焊层中的扩散速度快,故就会使大量的氢到达交界面堆焊层一侧后,聚集在上述的脆化区中,引起氢脆。由上述两种原因的综合作用结果,就使停工后在奥氏体不锈钢堆焊层一侧产生了氢引起的剥离裂纹。这种裂纹是一种晶间裂纹。
产生氢剥离的原因包括:操作湿度和操作压力越高,越易产生剥离裂纹,这是由于温度、压力越高,在操作停止后,不锈钢堆焊层一侧的残余氢浓度越高;停工时的冷却速度越快,不锈钢堆焊层一侧的残余氢浓度越高,越易产生剥离裂纹;过渡层堆焊速度越快,其剥离裂纹倾向越小,过渡层规范(焊接电流)越大,其剥离倾向越大,这是由于焊速加快或焊接电流较小,其高温停留时间短,HAZ区粗晶尺寸越小,故剥离倾向小;焊后热处理PWHT的温度越高,保温时间越长,越易产生剥离裂纹。资料表明,在750℃加热时,即使保温时间较短也会产生剥离裂纹;铬钼钢越厚,堆焊层越薄,越易产生剥离裂纹。因此,在产品堆焊时采用高速堆焊(v焊速≥15m/h),过渡层采用埋弧堆焊,进行双层堆焊,可防止氢剥离产生;焊后缓慢冷却或焊后迅速冷却,冷却到100℃时再加热到200℃×5h(低温脱氢加热处理)后,自然冷却到室温,也可防止氢剥离裂纹出现。
作者编辑: | 日期:2020-4-17 15:13:32 | 信息来源:

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