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奥氏体不锈钢管焊接气孔产生原因及防止措施
发布者:不锈钢管厂(www.zjhstg.com) 发布时间:2020/4/16 阅读:663

  浙江宏盛特钢有限公司在电弧焊试验基础上,分析了奥氏体不锈钢管焊接气孔产生的原因及对策。结果表明:通过对母材表面处理和焊条药皮、结晶模式、焊接工艺参数等的合理控制,可以有效减少焊缝中的气孔。奥氏体不锈钢管具有良好的耐腐蚀性,韧性高,耐磨性及焊接性能良好,加上工作温度范围宽广,既可以用于高温场合,又可以用于低温场合,在石油化工、航空航天、汽车、船舶、制冷等制造业中应用广泛。奥氏体不锈钢管的焊接性能主要与焊缝金属中的气孔、焊接热裂纹及焊接接头的耐腐蚀性有关。焊接气孔是铬-镍奥氏体不锈钢焊接常见的一种焊接缺陷,焊接气孔不仅削弱焊缝的有效工作面积,还会造成应力集中,显著降低焊缝的强度及韧性,严重影响焊缝的动载荷强度和疲劳强度,还有可能诱发裂纹。所以分析奥氏体不锈钢焊接气孔产生的原因及对策,对保证焊接质量有十分重要的意义。


一、实验材料与方法

 1. 奥氏体不锈钢管基材选用厚度为6mm的0Gr18Ni9管材,不锈钢焊条牌号A102。奥氏体不锈钢基材和不锈钢焊条的化学成分见表。


 2. 实验方法

   不锈钢焊接试板机械加工60°V形坡口,钝边2mm。焊接试板待焊处两侧各20mm表面应清理干净,不应残留有任何污渍、油漆标记、氧化皮及其他杂质。可用酒精或丙酮进行擦洗,再用清水冲净,干燥处理,必要时还可先进行打磨。焊条按焊接工艺规定进行烘干,减少焊接过程水分入侵。如果选择碱性焊条要在350~400℃烘箱中烘焙1~2小时。采用焊条电弧焊,直流反接。如采用多层多道焊,每焊完一道要彻底清除熔渣,层间温度应低于60℃。用放大镜或低倍显微镜观察机械切割或打磨的焊接接头表面的宏观形貌及气孔分布情况。


二、实验结果及讨论

 1. 焊缝气孔的气体来源电弧焊时,奥氏体不锈钢焊缝中产生的气孔主要是氢气孔,焊条药皮中的水分及工件表面的油污等分解产生的氢是产生氢气孔的主要原因。焊接温度的升高,氢的溶解度越大,熔池在结晶时,氢的溶解度会发生陡降,使氢在焊缝中达到过饱和状态,氢原子复合生成氢气,氢气不溶于金属,若逸出条件有限,则在焊缝中形成气孔。在焊接生产中由氮气引起的气孔较少,氮的来源主要由于焊接过程保护不良,较多的空气侵入熔池所致,氮气孔形成的原因与氢气孔类似。奥氏体不锈钢中的碳含量一般较低,并且钢中含有大量合金元素对氧的亲和力较大,所以,一般不会产生一氧化碳气孔。

 2. 焊缝气孔的类型及特征

  a. 表面气孔:   焊缝的表面气孔如图所示,图中分布的气孔是焊缝表面的氢气孔,气孔为圆形,大小及分布不均。

  b. 分散气孔 :  焊缝的分散气孔如图所示。这是焊缝横截面切割面上的气孔分布,图中是比较分散的、大小均匀的氢气孔。

  c. 链状气孔:   焊缝的链状气孔呈链状分布的、内壁光亮的、大小不均的氢气孔。

  d.密集气孔:   焊缝的密集气孔是熔池结晶时,氢析出聚集在晶枝间,形成密集的小气孔,待熔池完全结晶,气孔却没能上浮逸出,形成局部密集的气孔[2]。因实验条件所限,本实验没发现链状气孔和密集气孔。


 3. 焊接气孔的形成过程研究表明:焊缝气孔的形成全过程是:熔池中吸收了较多的气体而达到过饱和状态→气体在一定条件下聚集形核→气泡核心长大为具有一定尺寸的气泡→气泡上浮受阻残留在凝固后的焊缝中形成气孔。可见,焊缝气孔的形成是以上四个环节共同作用的结果。


 4. 焊缝气孔产生的主要影响因素

  a. 焊条药皮中水分含量对气孔形成的影响

    在工件焊接区域清理得比较干净的情况下,形成焊缝中的氢主要来源于药皮中的水分。在实际操作时,为防止气孔产生,一般都要求焊条在使用前进行烘干处理,以排除多余的水分。药皮中的水分较小时,焊缝金属中生成气孔的倾向性也较小。但是,药皮过于干燥又会导致药皮开裂脱落,影响焊接的工艺性。


  b. 焊缝结晶模式对气孔形成的影响

   不锈钢焊缝产生气孔的敏感性与焊缝金属的结晶模式有关,熔池金属的化学成分不同,相变过程及结晶后的组织也不同,不锈钢焊缝的结晶模式有2种情况:

   铬当量/镍当量<1.5时,焊缝为先奥氏体结晶模式(AF),即焊缝先结晶为γ相,然后发生部分γ→α转变。AF结晶模式首先析出奥氏体,尽管铬等铁素体形成元素偏析的影响,在奥氏体晶粒边界生成了共晶铁素体,但是,由于氢在奥氏体中的溶解度比铁素体高,结晶时从液相中析出的氢大部分已溶解于奥氏体中,气体状态的氢数量很少。加之在结晶过程中固—液相之间的界面能比较高,树枝晶的二次晶轴不易生长,因此,气泡不易在此形核。

   铬当量/镍当量>1.5时,焊缝为先铁素体结晶模式(FA),即焊缝先结晶为δ相,然后发生部分δ→γ相变。FA结晶模式首先析出铁素体,随着结晶过程的进行,由于镍等奥氏体形成元素的偏析,发生包晶—共晶反应,生成奥氏体。这些奥氏体在结晶过程中向铁素体内长大,使初晶的铁素体逐渐缩小,最终使初晶铁素体处于晶粒中心,形成蠕虫状、骨架状、网状或花边状。由于固—液相之间的界面能较低,树枝晶的二次晶轴容易生长,为气泡的形核提供了有利条件。且在液相结晶时析出的只有一小部分溶于δ铁素体中,因而气泡容易生成。熔池的逸出条件差时,就会残留在焊缝中形成气孔。


  c. 焊接工艺对气孔形成的影响

    焊接工艺参数决定熔池存在时间,熔池存在的时间越短,气体越不容易逸出,形成气孔的倾向越大。熔池存在时间与主要焊接工艺参数之间的关系为ts=KUIυ式中,ts:熔池存在时间,s;K:与被焊金属物理性能有关的系数;U:电弧电压,V;I:焊接电流,A;υ:焊接速度,cm/s。由上式可以看出,若电弧功率(UI)不变,焊接速度(υ)增大时,则熔池存在的时间减小,气孔倾向增大,若焊接速度不变,功率增加时,则熔池的存在时间增大,有利于气体的逸出,气孔倾向减小。研究表明:电弧功率的增加也会产生不利影响,一方面,因为电流增大,温度高,使得熔滴变细、比表面积增大,导致吸收溶入更多的氢,反而增大了气孔倾向,另一方面,因为电弧电压提高,弧长增大,使熔滴过渡的距离加长,气体保护不良,也会吸收溶入较多的氢,不仅形成氢气孔的倾向增大,还容易产生氮气孔。因此,通过调节焊接电流、电压和焊接速度(q=UI/υ也称线能量)的方法来防止气孔的效果并不明显。


 5. 焊件焊前的清理焊前应将焊接工件坡口两侧20~30mm范围内的表面清理干净,如有油污,可用酒精或丙酮等有机溶剂进行擦拭。为防止气孔产生,应避免使用药皮受潮、变质、剥落的焊条。焊前应对焊条进行复烘,烘干后应立即使用,或存放在100~150℃的烘箱或保温筒内,随用随取。


 6. 有条件时可控制焊缝合金成分,使焊缝中铬当量/镍当量<1.5,焊缝结晶时为先奥氏体结晶模式(AF),也能有效减少奥氏体不锈钢焊缝中的气孔。


 7. 焊接工艺参数的选择焊接工艺直接影响电弧周围的气体溶入熔融金属以及熔池中气体的逸出,焊接工艺不正确会使得电弧不稳定以致失去应有的保护作用,周围气体的侵入会增大气孔倾向。焊接参数主要影响熔池高温存在的时间,或者说是影响气体溶入及析出的时间,气体能否逸出出与熔池在高温液态停留的时间有关。熔池在高温液态停留的时间越长,就越有利于气体的逸出,也就越不容易形成气孔,反之,则越容易形成气孔。电弧焊时,电流的种类和极性对焊缝气孔也有影响。采用直流焊接时,焊缝含氢量要比交流焊接低。采用反极性焊接时,焊缝含氢量要比正极性接低。实际焊接生产前,应根据焊接件材料、焊接方法、接头形式等因素综合考虑并经气孔敏感性试验后,优化工艺参数。


三、结论

   1. 奥氏体不锈钢管的焊接气孔主要是氢气孔,氢的主要来自焊条药皮中的有机物、结晶水或吸附水、焊件表面的污染物、空气中的水分等。焊件的清理及焊条的干燥处理可避免这些因素引起的气孔。
 
   2. 选择合适的焊条,控制焊缝合金的成分,使焊缝中铬当量/镍当量<1.5,焊缝结晶时为先奥氏体结晶模式(AF),也能有效减少奥氏体不锈钢焊缝中的气孔。

   3. 实际焊接生产前,应根据焊接件材料、焊接方法、接头形式等因素综合考虑并经气孔敏感性试验后,优化工艺参数。

 
 

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