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    如何解決水電工程中低碳鋼與奧氏體不銹鋼焊接后易產生裂紋焊縫韌性低級碳遷移焊縫剝離現象
    發布者:不銹鋼管廠(www.wuhansk.cn) 發布時間:2020/4/25 閱讀:413

     浙江宏盛特鋼有限公司針對低碳鋼與奧氏體不銹鋼在焊接過程中易產生裂紋、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,并結合現場實踐經驗,提出了有效控制焊接過程中產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,并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。


     
     水電工程建設中閘門止水埋設件通常使用奧氏體不銹鋼與低碳鋼,為保證止水埋設件與閘門止水件接觸緊密,除要控制止水埋設件的尺寸精度和形位公差外,它的焊接工藝質量也不容忽視。閘門止水方法一般是:在閘門上設止水件,在止水埋件上設不銹鋼座板,止水件與不銹鋼座板之間有適當的壓縮,從而使閘門達到封水效果。止水座板的材料通常采用奧氏體不銹鋼(1Cr18Ni9 或 1Cr18Ni9Ti ),埋件其他鋼板通常采用優質碳素結構鋼Q235或低合金鋼Q245,它們之間的焊接在金屬結構中的應用較為廣泛,因而研究它們的焊接工藝具有一定的實際意義。

     

     一、焊接中常見問題分析

     

     低碳鋼和奧氏體不銹鋼之間的導熱系數、線脹系數和化學成分存在較大差異,焊接接頭的成分和性能變化比較復雜,焊接過程中常會出現下列問題。

     

     1.焊縫的稀釋引起裂紋。焊接Q235碳鋼與1Cr18Ni9不銹鋼時,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,容易產生裂紋。

     

     2.熔合區脆性層使塑性和韌性降低。焊接低碳鋼和奧氏體不銹鋼時,熔化的母材和填充金屬相互混合的程度在熔池內部和熔池邊緣是不同的。由于熔池邊緣液態金屬溫度較低、流動性較差、液態金屬停留時間較短,相應受到機械力的攪拌作用也較小,熔化的母材和填充金屬不能充分混合,在這部分焊縫金屬中,母材所占的比例較大;而越靠近熔合線,母材的比例越大,越容易形成脆性層,使焊縫的塑性、韌性顯著下降,甚至導致熔合區的破壞,降低了焊接結構的可靠性。

     

     3.碳的遷移。在Q235碳鋼和1Cr18Ni9不銹鋼的焊接接頭中,Q235碳鋼比304不銹鋼含碳量高,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,產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,焊接接頭易產生很大的熱應力。當應力值超過焊縫金屬的強度時,就會沿熔合線產生裂紋,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不銹鋼時,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,并可獲得奧氏體+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不銹鋼時,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不銹鋼進行焊接。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,而且焊接時不易產生缺陷,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,為防止脆性層的產生,常選用奧氏體化能力強的鎳基填充材料。

     

     3. 防止碳遷移現象

     

     a. 采用過渡層。焊接低碳鋼與奧氏體不銹鋼時,在碳鋼母材一側先用含碳化物較多元素的珠光體焊條或鎳基焊條堆焊一層過渡層,以防止碳鋼熱影響區的碳向熔合區遷移,然后再用奧氏體焊條將過渡層與奧氏體不銹鋼焊接起來。

     

     b. 采用中間過渡段。焊接碳鋼與奧氏體不銹鋼時,選用含碳化物較多元素的珠光體鋼做中間過渡段,然后將中間過渡段分別與碳鋼和奧氏體不銹鋼焊接起來。

     

     4. 防止焊縫剝離

     

     為了改善低碳鋼與奧氏體不銹鋼焊接接頭的應力分布,必須合理選用填充金屬。如果填充金屬的線脹系數與奧氏體不銹鋼母材接近,則高溫應力將集中在碳鋼母材的熔合區內;反之,如填充金屬的線脹系數與碳鋼母材接近,則高溫應力將集中在奧氏體不銹鋼母材熔合區內。由于碳鋼具有塑性變形的特征,降低應力的能力較弱,因此,高溫應力集中在奧氏體不銹鋼母材熔合區內相對有利,故焊接時最好選用線脹系數接近碳鋼的鎳基填充材料。

     

    三、焊接工藝

     

     1.焊接低碳鋼與奧氏體不銹鋼時,為了減少母材對焊縫的稀釋作用,常采用小電流、高電壓和快速焊的焊接工藝。

     

     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,會使整個焊縫成為馬氏體組織,容易產生裂紋。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,當母材熔合比為40%~30%時,焊縫組織為奧氏體+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,當母材熔合比為40%,則焊縫組織為單相奧氏體;當母材熔合比為30%,則焊縫組織為含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不銹鋼時,母材熔合比為30%~40%,焊縫組織為單相奧氏體,熔合比高達70%時仍可保證焊縫不出現馬氏體組織,而為單相奧氏體組織。

     

    四、結語

     

      水電工程建設中低碳鋼與奧氏體不銹鋼的焊接應用較多,焊接中常會出現各種問題,但經過合理選擇焊接方法、填充材料和焊接規范,就可避免焊縫金屬產生裂紋,甚至出現焊縫剝離等后果,從而保證低碳鋼與奧氏體不銹鋼的焊接質量。

     

     

     
     

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