双相不锈钢焊接的细则
双相不锈钢焊接的细则
奥氏體(tǐ)不锈钢的焊接问题常常与焊缝金属本身有(yǒu)关,尤其是在全奥氏體(tǐ)或奥氏體(tǐ)占优势的焊缝凝固过程中产生的热裂纹倾向。对于一般奥氏體(tǐ)不锈钢,调整填充金属的成分(fēn),使之具有(yǒu)一定的铁素體(tǐ)含量,
双相不锈钢和奥氏體(tǐ)不锈钢的區(qū)别
奥氏體(tǐ)不锈钢的焊接问题常常与焊缝金属本身有(yǒu)关,尤其是在全奥氏體(tǐ)或奥氏體(tǐ)占优势的焊缝凝固过程中产生的热裂纹倾向。对于一般奥氏體(tǐ)不锈钢,调整填充金属的成分(fēn),使之具有(yǒu)一定的铁素體(tǐ)含量,可(kě)将这些问题减至低程度。高合金奥氏體(tǐ)不锈 钢需要使用(yòng)镍基填充金属,奥氏體(tǐ)凝固不可(kě)避免,需要通过降低热输入、多(duō)道焊来控制。
由于双相不锈钢铁素體(tǐ)含量高, 具有(yǒu)非常好的抗热裂性,焊接时很(hěn)少考虑热裂。双相不锈钢焊接主要的问题与热影响區(qū)有(yǒu)关,而不是焊缝金属。热影响區(qū)的问题是耐蚀性及韧性损失或焊后开裂。為(wèi)了避免发生上述问题,焊接工艺的重点是大程度减少在“红热” 温度范围总的停留时间,而不是控制任何一道焊接的热输入。经验表明,这种方法可(kě)使焊接工艺从技术和经济角度都优化。
这里将给出双相不锈钢焊接的一些一般准则,以及这些基本知识和准则在具體(tǐ)焊接方法中的应用(yòng)。
1.原材料的选择
双相不锈钢对焊接的适应性可(kě)随化學(xué)成分(fēn)和生产工艺的变化而发生显著变化。已反复强调过母材含有(yǒu)足量氮的重要性。如果原材料缓慢地冷却通过700 - 1000℃ (1300 - 1800℉) 温度區(qū)间,或允许在水淬前空冷通过该區(qū)间一分(fēn)钟左右,那么本应留给焊工 完成焊接而不产生任何有(yǒu)害相析出的时间被耗尽。需要注意的是,实际进行加工制造的材料,其成分(fēn)和生产过程的冶金条件应当与用(yòng)于焊接工艺评定的材料的质量条件相同。此系列文(wén)章的 “终端用(yòng)户技术条件和质量控制” 部分(fēn)给出了根据成分(fēn)和合适试验规范选择原材料的方法。
2.焊前清理(lǐ)
焊前应清理(lǐ)全部加热部位,这一要求不仅适用(yòng)于双相不锈钢,而且适用(yòng)于所有(yǒu)不锈钢。确定母材和填充金属化學(xué)成分(fēn)的前提条件是没有(yǒu)额外的污染源。灰尘、油脂、油污、油漆和任何形式的水分(fēn)都会干扰焊接操作并对焊件的耐蚀性和力學(xué)性能(néng)产生不 利影响。如果焊前不对材料进行彻底清理(lǐ),则无论多(duō)少工艺评定均是无效的。
3.接头设计
双相不锈钢的接头设计必须有(yǒu)助于完全焊透并避免在凝固的焊缝金属中存在未熔合的母材。好采用(yòng)机加工而不采用(yòng)砂轮打磨坡口,以便使焊接區(qū)厚度或间隙均匀。必须打磨时,应特别注意坡口加工及其装配的均匀一致。為(wèi)了保证完全熔合和焊透,应当去掉任何打磨毛刺。对于奥氏體(tǐ)不锈钢,有(yǒu)经验的焊工可(kě)通过控制焊炬克服坡口加工的某些缺陷。但对于双相不锈钢,这些技巧会造成材料在有(yǒu)害温度區(qū)间停留时间比预期的时间長(cháng),导致结果超出合格工艺要求。
双相不锈钢的一些接头设计如图18所示。其他(tā)设计如能(néng)保证焊缝完全焊透且烧穿的危低,则它们也是合理(lǐ)的。
4.预热
由于预热可(kě)能(néng)是有(yǒu)害的,所以一般不推荐预热。如果没有(yǒu)特殊正当的理(lǐ)由,不应当把预热作為(wèi)一个工序。若用(yòng)于消除天冷或夜间冷凝形成的湿气时,预热可(kě)能(néng)是有(yǒu)益的。当采用(yòng)预热去除湿气时,应将钢均匀地加热到约100℃ (200℉) 且只能(néng)在坡口清理(lǐ)后进行。
5.热输入与层间温度
双相不锈钢能(néng)够容许相对高的热输入。焊缝金属凝固后的双相组织的抗热裂性大大优于奥氏體(tǐ)焊缝金属。 双相不锈钢具有(yǒu)较高的导热率和较小(xiǎo)的热膨胀系数,焊缝处没有(yǒu)像奥氏體(tǐ)不锈钢那样高的局部热应力。尽管有(yǒu)必要对焊缝要求提出严格限制,但热裂纹不是个常见的问题。
极低的热输入可(kě)导致母材熔合區(qū)和热影响區(qū)铁素體(tǐ)含量过高,韧性和耐蚀性降低。极高的热输入增加了形成金属间相的危险。為(wèi)了防止热影响區(qū)的问题,焊接工艺规程应允许该區(qū)域焊后快速冷却。工件温度很(hěn)重要, 因為(wèi)它对热影响區(qū)的冷却影响大。 作為(wèi)一般准则,经济型和标准双相不锈钢的高层间温度限制在150℃ (300℉), 超级双相不锈钢限制在100℃ (210℉)。进行焊接工艺评定时应采用(yòng)该限制值,生产性焊接中也应监测以确保层间温度不高于工艺评定时所采用(yòng)的温度。電(diàn)子温度探头和热電(diàn)偶是监控层间温度较好的手段。在焊接工艺评定中,使多(duō)道焊试件的层间温度低于实际制造中能(néng)够经济合理(lǐ)地达到的层间温度,这种做法是不慎重的。进行大量焊接时,规划好焊接工序使各道次间有(yǒu)足够的冷却时间是良好、经济的做法。
6.焊后热处理(lǐ)
双相不锈钢不需要进行焊后应力消除处理(lǐ),且这样做可(kě)能(néng)是有(yǒu)害的, 因為(wèi)热处理(lǐ)可(kě) 使金属间相 (700 - 1000°C/1300 - 1830°F) 或 α’ (475℃/ 885℉) 脆性相析出,降低韧性和耐蚀性。焊后热处理(lǐ)温度超过315℃ (600℉) 会导致有(yǒu)害相的析出。
双相不锈钢的焊后热处理(lǐ)应当包括完全固溶退火,然后水淬 (见表 11)。自熔焊后应考虑完全固溶退火, 因為(wèi)如果在焊接过程中没有(yǒu)采用(yòng)过合金化的填充金属,则显微组织中铁素體(tǐ)含量将很(hěn)高。
如果焊后打算进行完全固溶退火和淬火,例如零部件的制造,则热处理(lǐ)应视為(wèi)焊接工艺的一部分(fēn)。退火处理(lǐ)可(kě)解决铁素體(tǐ)过多(duō)及金属间相相关的问题,制造工艺允许在终退火处理(lǐ)前存在一些不太如意的中间状态。
7.理(lǐ)想的相平衡
常常说双相不锈钢的相平衡為(wèi) “50-50”,等量的奥氏體(tǐ)与铁素體(tǐ)。 然而,严格说来这是不正确的,因為(wèi)现代双相不锈钢中铁素體(tǐ)约為(wèi)40% - 50%,其余為(wèi)奥氏體(tǐ)。通常认為(wèi),当铁素體(tǐ)含量至少為(wèi)25 - 30%、其余為(wèi)奥氏體(tǐ)时,可(kě)以获得双相不锈钢特有(yǒu)的优点。
在一些焊接方法中,特别是以焊剂保护為(wèi)基础的方法中,相平衡向奥氏體(tǐ)含量较高的方向调整以改善韧性,补偿因焊剂使焊缝氧含量增加引起的韧性损失。这些填充金属的韧性遠(yuǎn)低于钢板或钢管固溶处理(lǐ)后可(kě)能(néng)达到的很(hěn)高的韧性值,但焊缝金属的韧性仍足以满足预期的要求。没有(yǒu)一种焊接方法可(kě)使焊缝金属的韧性与锻轧材完全退火处理(lǐ)后所达到的韧性一样高。如果将焊缝金属的铁素體(tǐ)含量限制在轧钢厂退火处理(lǐ)的双相不锈钢所要求的小(xiǎo)值之上,会对可(kě)用(yòng)的焊接方法形成不必要的限制。
热影响區(qū)的相平衡,即原始锻轧钢板或钢管加上额外的焊接热循环,其铁素體(tǐ)含量通常略高于原始材料。用(yòng)金相法**测定热影响區(qū)的相平衡几乎是不可(kě)能(néng)的。如果该區(qū)域铁素體(tǐ)含量很(hěn)高,也许说明出现过极快速冷却的异常情况,从而导致铁素體(tǐ)含量过高和韧性降低。
8.异种金属的焊接
双相不锈钢可(kě)与其他(tā)双相不锈钢、奥氏體(tǐ)不锈钢、碳素钢和低合金钢焊接。
双相不锈钢与其他(tā)双相不锈钢焊接时,通常使用(yòng)镍含量高于母材的双相不锈钢填充金属。提高填充金属的镍含量可(kě)保证焊缝在冷却过程中形成足够的奥氏體(tǐ)。
双相不锈钢与奥氏體(tǐ)不锈钢焊接时,常使用(yòng)低碳和钼含量介于二者之间的奥氏體(tǐ)不锈钢填充金属;通常使用(yòng)AWS E 309LMo/ER309LMo。双相不锈钢与碳素钢和低合金钢的焊接一般采用(yòng)上述同样的填充金属或AWS E309L/ER309L。如果使用(yòng)镍基填充金属,则它们不应当含有(yǒu)铌。由于奥氏體(tǐ)不锈钢的强度比双相不锈钢低,故使用(yòng)奥氏體(tǐ)不锈钢填充金属的焊接接头不如双相不锈钢母材强度高。
表16归纳了双相不锈钢与异种金属焊接时常用(yòng)的填充金属。这些例子给出了AWS焊条牌号 (E),但是根据焊接工艺、接头形状和其他(tā)条件的不同,可(kě)考虑采用(yòng)焊丝 (AWS牌号ER) 和药芯焊丝。
表16 异种金属焊接用(yòng)焊接材料
对于标准奥氏體(tǐ)不锈钢,焊接工艺评定试验是相当简单的,仅进行一定数量的试验以证明材料、焊材和焊接方法是合格的。这些评定试验包括硬度试验和弯曲试验 (分(fēn)别检验马氏體(tǐ)和热裂),反映了長(cháng)期使用(yòng)铁素體(tǐ)、马氏體(tǐ)或奥氏體(tǐ)不锈钢时可(kě)能(néng)出现的问题。双相不锈钢满足这些要求没有(yǒu)困难,但是这些试验不可(kě)能(néng)发现双相不锈钢中可(kě)能(néng)出现的金属间相或过量铁素體(tǐ)问题。同时,由于需要限制在热影响區(qū)温度范围内的总时间,双相不锈钢的性能(néng)将对截面厚度和实际焊接操作的细节很(hěn)敏感。因此,必须广义地考虑 “评定”,即证明在制过程中将使用(yòng)的焊接工艺不会导致材料的工程特性,特别是韧性和耐蚀性出现不可(kě)接受的损失。
对每种厚度和形状的焊接都进行焊接工艺评定是比较保险的做法,因為(wèi)方案上的微小(xiǎo)差别在实际制造结果中差别可(kě)能(néng)很(hěn)大。然而,实际加工的复杂性使得这样的试验成本很(hěn)高。如果每种焊接方法对厚断面进行焊接工艺评定,则可(kě)达到节约的目的。