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如何解决水电工程中低碳钢与奥氏体不锈钢焊接后易产生裂纹焊缝韧性低级碳迁移焊缝剥离现象
发布者:不锈钢管厂(www.zjhstg.com) 发布时间:2020/4/25 阅读:217

 浙江宏盛特钢有限公司针对低碳钢与奥氏体不锈钢在焊接过程中易产生裂纹、焊缝韧性较低、碳的迁移以及焊缝剥离等问题,通过对材料焊接性能的理论分析,并结合现场实践经验,提出了有效控制焊接过程中产生上述缺陷的相关措施。主要包括严格控制母材熔合比、焊接时采用过滤层、使用含镍量较高的填充材料等,并提出了一系列改进焊接工艺的建议,在实际工程中取得了良好的效果。


 
 水电工程建设中闸门止水埋设件通常使用奥氏体不锈钢与低碳钢,为保证止水埋设件与闸门止水件接触紧密,除要控制止水埋设件的尺寸精度和形位公差外,它的焊接工艺质量也不容忽视。闸门止水方法一般是:在闸门上设止水件,在止水埋件上设不锈钢座板,止水件与不锈钢座板之间有适当的压缩,从而使闸门达到封水效果。止水座板的材料通常采用奥氏体不锈钢(1Cr18Ni9 或 1Cr18Ni9Ti ),埋件其他钢板通常采用优质碳素结构钢Q235或低合金钢Q245,它们之间的焊接在金属结构中的应用较为广泛,因而研究它们的焊接工艺具有一定的实际意义。

 

 一、焊接中常见问题分析

 

 低碳钢和奥氏体不锈钢之间的导热系数、线胀系数和化学成分存在较大差异,焊接接头的成分和性能变化比较复杂,焊接过程中常会出现下列问题。

 

 1.焊缝的稀释引起裂纹。焊接Q235碳钢与1Cr18Ni9不锈钢时,焊缝是由两种不同类型的母材和填充材料混合而成,由于Q235碳钢熔入焊缝,焊缝的合金成分被冲淡,即母材对焊缝起到了稀释的作用。焊缝的稀释程度取决于母材熔入量(即熔合比),母材熔合比越大,焊缝的稀释率越大。由于稀释作用,焊缝中奥氏体形成的元素含量降低,焊缝会出现马氏体组织,使焊接接头脆性增大,容易产生裂纹。

 

 2.熔合区脆性层使塑性和韧性降低。焊接低碳钢和奥氏体不锈钢时,熔化的母材和填充金属相互混合的程度在熔池内部和熔池边缘是不同的。由于熔池边缘液态金属温度较低、流动性较差、液态金属停留时间较短,相应受到机械力的搅拌作用也较小,熔化的母材和填充金属不能充分混合,在这部分焊缝金属中,母材所占的比例较大;而越靠近熔合线,母材的比例越大,越容易形成脆性层,使焊缝的塑性、韧性显著下降,甚至导致熔合区的破坏,降低了焊接结构的可靠性。

 

 3.碳的迁移。在Q235碳钢和1Cr18Ni9不锈钢的焊接接头中,Q235碳钢比304不锈钢含碳量高,含形成碳化物的元素少,在熔合区两侧会出现碳和形成碳化物元素的浓度差。当焊接接头在350℃~400℃的高温中长期工作时,熔合区会出现明显的碳迁移,即碳从Q235碳钢通过熔合区向奥氏体焊缝迁移,造成靠近熔合线的Q235碳钢母材侧出现脱碳层(铁素体)而软化,在奥氏体焊缝侧出现增碳层而硬化。加热温度越高,高温停留时间越长,熔合区两侧碳和形成碳化物元素浓度差越大,产生硬化和软化就越严重,对结构的高温持久强度影响也越大。

 

 4.热应力导致焊缝剥离。由于低碳钢和奥氏体钢的导热系数和线胀系数相差较大,因此,在焊接和堆焊过程中,焊接接头易产生很大的热应力。当应力值超过焊缝金属的强度时,就会沿熔合线产生裂纹,甚至使焊缝剥离。

 


二、控制措施

 

 1.克服母材对焊缝稀释作用

 

 a.严格控制母材的熔合比。焊接Q235碳钢与1Cr18Ni9不锈钢时,将两种钢的熔合比控制在30%以下,能有效防止母材对焊缝的稀释作用,并可获得奥氏体+铁素体的双相组织,焊接抗裂性显著提高。

 

 b.焊接时采用过渡层。焊接Q235碳钢与1Cr18Ni9不锈钢时,可先在Q235碳钢的坡口表面用含铬镍量高的焊条堆焊一层奥氏体过渡层,再将过渡层与1Cr18Ni9不锈钢进行焊接。这种方法不但能防止Q235碳钢母材对焊缝的稀释作用,增加了焊缝的抗裂性能,而且焊接时不易产生缺陷,焊接质量容易保证。

 

 2.提高熔合区塑性和韧性

 

  熔合区宽度与焊接电流有很大关系。采用大电流焊接时,由于液态金属高温停留时间延长,相应加强了熔池的搅拌作用和熔池边缘金属的流动性,从而改善了结晶条件,使熔合区脆性层的宽度减小。另外,选用的焊条种类不同,对熔合区脆性层的宽度影响也不同。由于镍是决定焊缝奥氏体化的主要元素,因此,焊缝中的含镍量对熔合区脆性层的宽度影响最大,当使用镍基填充材料时,脆性层的宽度会完全消失。所以,为防止脆性层的产生,常选用奥氏体化能力强的镍基填充材料。

 

 3. 防止碳迁移现象

 

 a. 采用过渡层。焊接低碳钢与奥氏体不锈钢时,在碳钢母材一侧先用含碳化物较多元素的珠光体焊条或镍基焊条堆焊一层过渡层,以防止碳钢热影响区的碳向熔合区迁移,然后再用奥氏体焊条将过渡层与奥氏体不锈钢焊接起来。

 

 b. 采用中间过渡段。焊接碳钢与奥氏体不锈钢时,选用含碳化物较多元素的珠光体钢做中间过渡段,然后将中间过渡段分别与碳钢和奥氏体不锈钢焊接起来。

 

 4. 防止焊缝剥离

 

 为了改善低碳钢与奥氏体不锈钢焊接接头的应力分布,必须合理选用填充金属。如果填充金属的线胀系数与奥氏体不锈钢母材接近,则高温应力将集中在碳钢母材的熔合区内;反之,如填充金属的线胀系数与碳钢母材接近,则高温应力将集中在奥氏体不锈钢母材熔合区内。由于碳钢具有塑性变形的特征,降低应力的能力较弱,因此,高温应力集中在奥氏体不锈钢母材熔合区内相对有利,故焊接时最好选用线胀系数接近碳钢的镍基填充材料。

 

三、焊接工艺

 

 1.焊接低碳钢与奥氏体不锈钢时,为了减少母材对焊缝的稀释作用,常采用小电流、高电压和快速焊的焊接工艺。

 

 2.采用奥氏体填充金属。若选用碳钢或低合金钢焊填充材料,会使整个焊缝成为马氏体组织,容易产生裂纹。使用18-8型填充材料,能提高熔合区的塑性,但焊缝的抗裂性能较差,因此,必须采用含镍、铬比较高的25-13型或25-20型填充材料。采用A102(18-8型)焊条焊接时,当母材熔合比为40%~30%时,焊缝组织为奥氏体+马氏体,只有熔合比小于15%,才可避免焊缝出现马氏体组织;采用A307(25-20型)焊条焊接时,当母材熔合比为40%,则焊缝组织为单相奥氏体;当母材熔合比为30%,则焊缝组织为含5%铁素体的双相组织(A+F);采用A407(25-20型)焊条焊接Q235碳钢和1Cr18Ni9不锈钢时,母材熔合比为30%~40%,焊缝组织为单相奥氏体,熔合比高达70%时仍可保证焊缝不出现马氏体组织,而为单相奥氏体组织。

 

四、结语

 

  水电工程建设中低碳钢与奥氏体不锈钢的焊接应用较多,焊接中常会出现各种问题,但经过合理选择焊接方法、填充材料和焊接规范,就可避免焊缝金属产生裂纹,甚至出现焊缝剥离等后果,从而保证低碳钢与奥氏体不锈钢的焊接质量。

 

 

 
 

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