（化工过程机械专业论文）喷瓷管道焊接裂纹敏感性研究.pdf

摘要 为了解决管端带喷焊层的管道焊接接头防护问题，本论文利用模拟现场 的试验，研究了镍基合金喷焊层组织与性能、喷焊层焊接热影响区组织与性 能、喷焊层合金元素对焊缝组织与性能的影响、喷焊层合金元素对碳钢一焊 缝熔合区组织性能的影响、母材一焊缝一喷焊层三角区的组织与性能。结果 表明：镍基合金喷焊层与母材结合性好，界面裂纹敏感性小；喷焊层显微硬 度约为2 1 8 h m ，塑韧性差，熔点为1 0 5 0 ，焊接过程中近缝区液化裂纹敏 感性大。随着焊缝中喷焊层成分的增多，焊缝组织发生显著的变化，铁素体 含量逐渐减少，铁素体的分布趋于均匀化，焊缝热裂纹敏感性增大。焊缝热 裂纹是焊缝金属凝固结晶过程中晶问搭桥断裂的结果。熔合区和近缝区的组 织与性能主要受到焊接线能量的影响。喷焊层合金元素的熔入使熔合区c 、 s 聚集程度增大，使该区出现脆硬组织的可能性有所增加。该区的裂纹敏感 性都很大，出现大量的微小脆化裂纹。这些裂纹是近缝区脆硬马氏体组织在 焊接剪切应力和拉伸应力作用下开裂形成的。母材一喷焊层一焊缝三角区元 素分布和组织组成复杂，硬度约为2 2 3 h m ，塑韧性差，但是它处在特殊的 应力环境中，裂纹敏感性并不大。 关键词：镍基合金喷焊层焊接耐蚀裂纹敏感性 s t u d y o i lt h ec r a c k s e n s i t i v i t yo fs p r a y e d p o r c e l a i n p i p e a b s t r a c t i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fp r o t e c t i n gt h ew e l d j o i n to fo i lp i p e l i n ew i t h s p r a y i n gl a y e ro ni t se n d s ，t h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fn i c k e l - b a s ea l l o y s p r a y i n gl a y e l a n di t sh a z ，i n f l u e n c e o f s p r a y i n gl a y e ra l l o y e l e m e n t so nt h e m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so ft h ew e l da n df u s i o nz o n e ，t h em i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so ft h et r i a n g l ez o n eo fb a s em e t a l ，s p r a y i n gl a y e ra n dw e l dw e r es t u d i e di n t h i s p a p e rb ys i m u l a t i n ge x p e r i m e n t t h c r e s u l t ss h o wt h a tt h ea d h e s i o no f n i c k e l - b a s ea l l o ys p r a y i n gl a y e rw i t hb a s em e t a li s g o o da n dt h ec r a c ks e n s i t i v i t yo ft h e i r i n t e r f a c ei ss m a l l t h ed g i d i t yo fn i c k e l - b a s ea l l o ys p r a y i n gl a y e ri s2 1 8 h m i t sm e l t i n g p o i n ti s1 0 5 0 。c n i c k e l - b a s ea l l o ys p r a y i n gl a y e rh a sb a dt o u g h n e s s ，d u c t i l i t ya n dh i g hc r a c k s e n s i t i v i t yi nt h ea r e an e a rt h ew e l dd u r i n gw e l d i n g a s t h ec o m p o s i t i o no f s p r a y i n gl a y e ri n t h ew e l di n c r e a s e s ，t h em i e r o s t r u c t u r eo f t h ew e l d c h a n g e so b v i o u s l y t h ec o n t e n to f f e r r i t ei n t h ew e l dd e c r e a s e sg r a d u a l l y , f e r r i t ed i s t r i b u t e su n i f o r m l ya n dt h eh o tc r a c k s e n s i t i v i t yi nt h e w e l di n c r e a s e s h o tc r a c k si nt h ew e l dp r o d u c eb e c a u s ed e n d r i t i cb r i d g e sb r e a kd u r i n gt h e w e l dm e t a lc o n c r e t i o na n dc r y s t a l l i z e n l em i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so ff u s i o nz o n e a n dw e l d i n gs e a mz o n ea r em o s d yi n f l u e n c e db yh e a ti n p u t s p r a y i n gl a y e ra l l o ye l e m e n t s i n c r e a s et h ec o n g r e g a t i o no fca n dsi nt h ef u s i o nz o n ea n dt h ep o s s i b i l i t yo fh a r db r i c k s t r u c t u r e c r a c ks e n s i t i v i t yo ft h e s ez o n e si s h i g ha n da l o to fe m b r i t t i ec r a c k s t h e s ec r a c k s p r o d u c ew h e nb r i t t l em a r t e n s i t es t r u c t u r ei nt h ew e l d i n gs e a m z o n ec r a c k sa tt h ef u n c t i o no f s h e a r i n gs t r e s sa n dp u l l i n gs t r e s s t h ee l e m e n t sd i s t r i b u t i o na n ds t r u c t u r ei nt h et r i a n g l ez o n e o fb a s em e t a l ，s p r a y i n gl a y e ra n dw e l da r cc o m p l e x n e r i g i d i t yo ft h i sz o n ei s2 2 3 h m i t s t o u g h n e s sa n dd u c t i l i t ya r eb a d ，b u t t h ec r a c k s e n s i t i v i t yi sn o th i g hb e c a u s et h es p e c i a ls 1 2 t s s c o n d i t i o n k e yw o r d s ：n i c k e l - b a s ea l l o ys p r a y i n gl a y e r ；w e l d i n g ；a n t i - c o r r o s i o n ；c r a c k s e n s i t i v i t y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：乃年 f 月7 , 9 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借 阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：攀 必 年 f 月刀日 导师签名：兰墨 口弓年 j - 月，口日 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 1 1 问题的提出 第1 章前言 石油管道的腐蚀一直是石油工业中油、气和水集输系统中存在的严重问 题，不仅影响了企业的正常生产，而且造成了巨大的经济损失。据中原油田 防腐中心1 9 8 8 年统计，污水、注水管线一年内腐蚀穿孔多达5 8 0 0 次，报废 5 7 9 公里，更新补焊9 1 公里。据1 9 9 3 年统计，仅更换油管、地面管线、油 库改造方面，一年的费用就高达5 千多万元，这还不包括因环境污染、农作 物损害等付出的赔偿费和停产、跑油等其它的间接经济损失。胜利油田东辛 采油厂有的新建管线半年就会产生穿孔，最严重的只用一年就需全部更新【1 】， 腐蚀情况特别严重。 目前，石油管线的防腐主要采用有机涂层防护技术，但是有机涂层存在 着易老化和不耐高温的弱点【2 1 ，其实际有效寿命不超过2 0 年【3 l 。 针对油田管道防腐的这种现状，北京喷釉技术研究所进行了在管道内外 壁上热喷玻璃釉防腐技术的研究，成功开发了不用窑炉烧成的玻璃釉层防腐 新工艺，采用特别设计的燃气喷枪和特殊的玻璃釉料，将釉料热喷涂到管道 内外壁表面，形成永不 老化的玻璃釉层。采用 热喷熔玻璃釉防腐新工 艺，涂层不但防腐，而 且耐高温 j j 。但是，各 段成品管道需要通过焊 接方法连接起来构成长 距离的输油管线。在焊 接过程中，焊接电弧热 产生的高温会使管口及 图1 - l 管端带内堆合金层的接头焊接示意图 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 其附近的玻璃釉层熔化、剥离，耐蚀性下降，严重影响管道的使用寿命h 。 如果直接采用低碳钢焊条对已经制备了玻璃釉层的管道进行焊接，那么，一 方面，焊缝处的玻璃釉层会在焊接电弧的高温作用下遭到破坏；另一方面， 金属是普通碳钢，其内侧没有玻璃釉层的保护，直接暴露在腐蚀介质( 石油) 中，会发生严重的腐蚀。在油田生产中，焊接接头的防护历来都是输油管线 防腐技术的难点。 针对焊接接头的防护问题，人们研究了各种内补口方法。但是以往的各 种管道内补口工艺存在着局限性。为了彻底解决输油管道焊接接头防腐问题 并克服管道内补口的各种限制，石油大学( 华东) 提出“一种取代金属焊后 防腐处理的焊接方法”( 专利申请号9 7 1 0 6 1 0 7 ) 取代管道内补口，该工艺示 意图见图1 - 1 。其主要思想是利用比玻璃釉层韧性较好的镍基合金喷焊层来 代替管口附近的玻璃釉层。其工艺过程如下： 利用氧乙炔火焰喷焊的方法在管道两端内壁上制备一层镍基合金 喷焊层。 在整个管道内外壁上制备玻璃釉层。 管道焊接管道焊接时先进行打底焊，打底焊条采用耐蚀焊条 自行研制的t h l 焊条。 管口附近的耐蚀合金层承受焊接电弧高温作用的能力高于玻璃釉层，发 生开裂、剥离等破坏的危险性较小。焊接过程中，喷焊层在焊接热作用下重 熔并和耐蚀的打底焊缝连成一体，完全覆盖住了焊缝附近的碳钢母材。离焊 缝较远处，焊接热作用较小，玻璃釉层不会遭到破坏。这样，打底焊缝一镍 基合金喷焊层一玻璃釉层连成一体，形成了对整个碳钢管道内壁的完整防护 层。 带复合层管道的焊接是一个难题。如果是大口径管道，可以先焊覆层后 焊基体瞪1 ；如果覆层厚度较大也可采用增加过渡层焊缝的工艺完成焊接。但 是输油管线多数是小口径管道，不可能从管道内部进行焊接。该工艺中用到 的镍基合金喷焊层厚度一般为0 5 r a m 左右，不可能采用增加过渡层焊缝的工 艺。所以，进行打底焊接时只能用一种焊条同时焊接镍基合金喷焊层和碳钢 管道。为了保证管口部位具有优良的耐蚀性，该工艺采用镍基台金喷焊层作 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 为管端耐蚀层，选用自行研制的t h l 耐蚀焊条作为打底焊条。t h l 焊条是 铬镍舆氏体焊条，具有优良的耐蚀性，其熔敷金属中含有较多的合金元素， 主要是n i ( 1 2 2 ) 、c r ( 1 9 ) 。该工艺要求焊接后必须使镍基合金喷焊层 熔化，并和耐蚀打底焊缝连成一体，这样才能起到防护管道的作用。然而却 带来了以下几个问题。 一、熔合区裂纹敏感性问题 输油管道的材质是普通碳钢，采用高合金的耐蚀焊条焊接低碳钢属于异 种钢的焊接，由于母材和焊缝金属在成分、组织、性能上存在较大的差别， 焊缝熔合区便成为一个成分和组织极不均匀的过渡区。成分过渡层中容易形 成脆化层，加之母材金属和焊缝金属热胀系数的差别引起该处的焊接应力增 加，脆化层在焊接应力的作用下容易发生破坏。 二、焊缝金属裂纹敏感性问题 ( 1 ) 焊接过程中，低碳钢母材熔化，与熔敷金属混合，熔敷金属被稀 释，导致焊缝金属中容易形成脆硬的马氏体组织嘲，可能使焊缝裂纹敏感性 增大。 ( 2 ) 焊缝热裂纹是现场应用中遇到的最主要问题，该工艺要求管端的 镍基合金喷焊层在焊接热循环的作用下重熔，并与t h l 打底焊缝熔为一体。 这样，就不可避免地会有一部分喷焊层成分与熔敷金属混合。因为镍基合金 喷焊层中含有大量的n i 、c r 、b 、s i 等元素，其中n i 、b 、s i 都是形成低熔 共晶的元素，所以，喷焊层成分的增加可能导致焊缝金属的热裂纹敏感性增 大。 三、镍基合金喷焊层裂纹敏感性问题 ( 1 ) 该工艺要求镍基合金喷焊层必须与打底焊缝熔合在一起，这就涉 及到镍基合金与高合金焊缝的异种金属焊接问题，镍基合金喷焊层导热性 差，具有较大的晶粒长大倾向。焊接热作用会使近缝区的镍基合金喷焊层过 热，造成品粒长大，使其力学性能下降。在焊接热应力的作用下，近缝区有 产生裂纹的危险。 ( 2 ) 镍基合金喷焊层虽是通过“喷焊”制备的，但是，由于手工喷涂 操作的不稳定性和工作环境所限，制备的喷焊层可能存在着一定的缺陷，包 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 括喷焊层中的气孔、喷焊层与基体的界面空隙等。这些缺陷降低了喷焊层的 结合强度。由于镍基合金喷焊层和低碳钢母材在物理化学性能上存在差别， 焊接过程中，二者的界面上会产生较大的热应力，使得喷焊层有发生剥离的 危险。 四、碳钢母材一喷焊层一高合金焊缝三角混合区问题 采用t h l 焊条打底焊方法同时焊接镍基合金喷焊层和母材金属，不可 避免地存在一个母材一喷焊层一焊缝三角混合区。该区的成分由三部分材料 混合而成，其组织性能如何，是否会对接头产生严重的不利影响尚不可知， 本文对此三角混合区进行了研究。 以上四方面的问题是目前该工艺在裂纹敏感性方面存在的主要问题。本 论文针对这四方面的问题，自行设计了模拟现场的试验，通过试验研究了各 个工艺参数对接头裂纹敏感性的影响规律，进而从微观机理方面作了深入研 究，具体的研究内容主要有以下几方面。 ( 1 ) 管端镍基合金喷焊层组织与性能；焊接热循环对镍基合金喷焊层 组织号性能的影响；镍基合金喷焊层近缝区裂纹形成机理。 ( 2 ) 镍基合金喷焊层一t h l 打底焊缝熔合区组织与性能。 ( 3 ) 镍基合金喷焊层成分对焊缝组织与性能的影响，镍基合金喷焊层 成分对焊缝热裂纹敏感性的影响机理，焊缝热裂纹形成机理。 ( 4 ) 耐蚀焊缝一碳钢母材熔合区、近缝区的组织特征、成分分布；喷 焊层对熔合区组织与性能的影响。 ( 5 ) 母材一喷焊层一焊缝三角区组织与性能。 ( 6 ) 通过大量的研究工作，总结了从成分、焊接工艺参数、喷焊层的 制备三方面降低焊接接头裂纹敏感性的措施。 在论文工作进行的过程中，进行了异种金属焊接的研究，如低碳钢一耐 蚀焊缝熔合区的组织性能，喷焊层一耐蚀焊缝熔合区组织与性能等。 4 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 2 焊接热裂纹的研究现状 1 2 1 焊接热裂纹概述 热裂纹是在高温下产生的，故称为热裂纹( h o tc r a c k i n g ) ，它的特征是 沿原奥氏体晶界开裂。根据所焊金属的材料不同，产生热裂纹的形态、温度 区间和主要原因也各有不同。 结晶裂纹主要产生在含杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝( 含s 、p 、s i 、 c 偏高) 和单项奥氏体钢、镍基合金以及某些铝合金的焊缝中。个别情况下， 结晶裂纹也能在热影响区产生【6 。 1 2 2 结晶裂纹形成机理研究现状 热裂纹是合金凝固过程中产生的一种缺陷，它破坏合金的健全陛。对热 裂纹的研究表明，热裂纹的形成与合金的准固态力学性能、合金的凝固组织、 晶界状态以及合金凝固过程密切相关。然而，受研究条件的限制，对热裂纹 的形成过程还无法直接观测1 0 】。 结晶裂纹的形成机理主要有以下几种。 ( 1 ) 脆性温度区理论 在生产和试验研究中发现，结晶裂纹都是沿焊缝中心的树枝状晶的交界 处发生和发展的，最常见的是沿焊缝中心的纵向开裂。有时也发生在焊缝内 部两个树枝状晶体之间。 结晶裂纹的这种分布，说明焊缝在结晶过程中晶界是个薄弱地带。从金 属结晶理论可知，先结晶的金属较纯，后结晶的金属含杂质较多，并富集在 晶界。一般来讲，这些杂质所形成的共晶都具有较低的熔点，在焊缝金属凝 固结晶的后期，低熔点共晶被排挤在柱状晶体交遇的中心部位，形成一种所 谓的“液态薄膜”( l i q u a t i o nf i l m ) o 此时由于焊缝收缩产生了拉伸应力，焊 缝中的液态薄膜就成了薄弱地带，在拉伸应力的作用下就有可能开裂而形成 结晶裂纹口 。 该理论把金属结晶过程分为三个阶段。 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 液固阶段熔池中出现固态晶体，但始终保持有较多的液相，相邻 晶粒之间不发生接触，液态金属可在晶粒之间自由流动。此时虽然存在拉伸 应力，但流动着的液态金属能及时地填满被拉开的缝隙，不会产生裂纹。 固液阶段随着结晶过程的进行，固相不断增多，且不断长大。冷 却到某一阶段时，已结晶的固相彼此接触，并不断地倾轧到一起，这时液态 金属的流动就发生了困难，熔池结晶进入了固液阶段。此时由于液态金属少 ( 主要是那些低熔点共晶) ，在拉伸应力作用下所产生的微小缝隙都无法填 充，只要稍有拉伸应力存在就有产生裂纹的可能，故把这个阶段叫做“脆性 温度区”。 完全凝固阶段熔池金属完全凝固之后所形成的焊缝，受到拉伸应 力时，就会表现出较好的强度和塑性，很难发生裂纹。 焊缝热裂纹的产生主要决定于焊缝金属在脆性温度区内所具有的塑性 与应变增长率的对比关系喁 。 在一般情况下，杂质越少的金属( 包括母材和焊接材料) ，脆性温度区 的范围越窄，拉伸应力在此区间的作用时间越短，总应变量越小，焊接时产 生裂纹的可能性越小【6 1 。 ( 2 ) 液膜理论 液膜理论u ”认为，热裂纹的形成是铸件在凝固末期晶闻存在液膜和铸件 在凝固过程中受到拉力共同作用的结果，液膜是产生热裂纹的根本原因，而 铸件收缩受阻是产生热裂纹的必要条件。 ( 3 ) 强度理论 强度理论认为口”，铸件在凝固后期，固相骨架已经形成并开始收缩。由 于收缩受阻，铸件中产生应力和应变。当应力或应变超过合金在该温度下的 强度极限或承受应变的能力时，铸件便产生热裂纹。对钢的高温力学性能研 究表明，在固相线附近，合金的强度和断裂应变都很低，合金呈脆性断裂。 郑淑贤【1 2 1 等人在强度理论的基础上，建立了电磁铸造( e m c ) 板坯凝固 过程中预测热裂纹萌生部位与应力的解析表达式。通过理论推导，结果表明 凝固过程中最大拉应力值与板坯表面温度有关，材料的力学性能及材料的组 织结构不是诱发裂纹萌生的直接原因。 石油大学( 华东) 硕士论文 第l 章前言 ( 4 ) 晶间搭桥理论 b o r l a n d 1 3 1 曾进行准固态力学性能的研究，并与液膜理论的计算结果进行 比较，发现凝固末期合金强度远高于液膜理论的计算结果。在对一s n 合金 高温性能研究的基础上，提出了凝固末期的合金存在晶间搭桥的设想。c l y d e 等人“4 提出将合金凝固过程分为准液相区、物质补缩区、晶间分离区和晶间 搭桥区。 在合金结晶末期，极少量的晶间液相对晶间结合力的破坏作用减弱，晶 界强度提高，外力作用将造成晶粒变形而不是晶间分离，因此也不易形成热 裂纹，此阶段称为晶间搭桥区。 晶间搭桥理论n 哪认为，晶间搭桥的存在加强了合金凝固末期的晶间结合 力，使合金断裂应力远高于液膜理论的计算结果。而热裂纹是晶间收缩受阻 时，晶间搭桥被遭到破坏而形成的。如果晶间搭桥大量形成，使晶间结合力 提高到晶内水平，则凝固收缩受阻产生的应力将可能造成晶粒变形，而不是 破坏晶间搭桥形成热裂纹。因此，在凝固过程后期，应该存在晶间搭桥区。 曹禄华等人i l 副在通过对定向凝固a 1 - c u 合金和r e n e l 2 5 合金产生的热裂纹和 裂纹断面进行电子扫描分析，观察验证了晶间搭桥理论。 ( 5 ) 凝固收缩补偿理论 凝固收缩补偿理论将合金凝固过程分为准液相区、可补缩区、不可补缩 区和晶间搭桥区四个阶段“。 合金凝固初期，枝晶问未形成连续骨架，强度低，塑性高，这一凝固阶 段成为准液相区；枝晶间形成连续骨架后，合金建立起一定的强度，塑性开 始降低，随合金不断凝固，强度升高，塑性降低到最低值，这一阶段称为准 固相区；降低到一定温度后，合金的强度和塑性都升高，这是由于晶间搭桥 的形成使晶问强度提高及晶粒参与变形造成的。这一阶段称为晶问搭桥区； 准固相区中合金的强度和塑性都很低，如果合金凝固收缩受到阻碍，很可能 会造成晶间分离。如果晶间分离得到补缩，就不会形成热裂纹，反之，则产 生热裂纹。依此可将准固相区分为可补缩区和不可补缩区。 该理论认为，由于晶间搭桥的存在，造成了晶界初始热裂纹的不连续， 生成小的晶间孔洞，收缩受阻产生的应力引起晶间搭桥破断，则孔洞进一步 7 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 扩展形成连续的热裂纹。合金的不可补缩温度区间越大，得不到补偿的收缩 量越大，当外界阻碍一定时，受到收缩产生的应变越大，越容易产生热裂纹。 文献d 6 利用等径圆柱和等径圆球模型对a 1 c u 合金和舢s n 合金的温度 区间进行计算，将计算值与试验值进行比较，发现合金的热裂纹倾向并不取 决于液固共存区的温度间隔，而与不可补缩区温度间隔有很好的对应关系。 1 2 3 含金元素对结晶裂纹的影响因素 合金元素对结晶裂纹敏感性的影响十分复杂，但又非常重要，是影响裂 纹的最本质的因素，而且，多种合金元素的相互影响，往往比单一元素复杂 得多，在某些情况下，彼此甚至是矛盾的。下面简述合金元素对碳钢和低合 金钢中结晶裂纹的影响。 ( 1 ) 硫和磷硫、磷几乎在各类钢中都会增加结晶裂纹的倾向，即使 是微量存在，也会使结晶区间大大增加。它们在钢中能形成多种低熔共晶， 使结晶过程中极易形成液态薄膜，从而显著增大裂纹倾向。 ( 2 ) 碳碳在钢中是影响结晶裂纹的主要元素，并能加剧其它元素的 有害作用( 如硫、磷等) ，国际上采用碳当量作为评价钢的焊接性的尺度。 由f e c 平衡图可知，由于含碳量的增加，初生相可由0 【一f e 转为_ y f e ，而 硫、磷在奥氏体相中的溶解度比在理f e 相中的溶解度低很多，如果初生相 或结晶终了前是 r f e ，被析出的硫、磷就会富集于晶界，因而增加结晶裂纹 倾向。 ( 3 ) 锰锰具有脱硫作用，能置换f e s 为m n s ，同时能改善硫化物的 分布形态，使薄膜状f e s 改变为球状分布，从而提高了焊缝的抗裂性。 ( 4 ) 硅硅是a - f e 形成元素，本应有利于消除结晶裂纹，但是含硅量 超过0 4 时容易形成硅酸盐夹杂，反而增加裂纹倾向。 ( 5 ) 钛锆和稀土稀土对焊接接头抗裂性能特别是抗热裂性能有无 影响在国内至今未取得统一的看法。有的认为稀土的作用不大，有的则认为 作用显著。值得指出的是，即使认为稀土对提高接头的抗热裂性有利的学者， 对其作用机理的认识也是众说纷纭f 】7 】。多数研究者的观点归纳起来主要有以 下几点， 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 期脱硫脱氧，减少易熔相的体积u ”。 与焊缝中的硫磷作用，生成位于晶内的圆球状稀土硫化物或磷化物， 减少硫磷在晶界上的偏析【”j 。 改变晶间相的形态，由膜状变为球状、棒状。破坏液膜的连续性， 可以提高固液阶段焊缝的抗拉强度1 。 缩小结晶温度范围，抑制柱状结晶，细化组织。 赵卫民等的研究结果1 7 1 表明，稀土的适量加入能有效提高焊缝的抗热裂 性能，但加入量太大焊缝的抗裂性能反而恶化。柱状晶方向性及硅、硫等促 进热裂的有害元素在晶间偏析程度减弱，特别是热裂纹面高熔点第二相粒子 的存在，是稀土加入适量时焊缝抗热裂性能提高的主要原因。晶间液态薄膜 重新形成以及热裂纹面上高熔点第二相粒子的消失是稀土过量时焊缝抗热 裂性能下降的重要原因。蔚红【2 1 1 的研究结果也表明，稀土元素对焊缝金属的 组织性能有明显的改善作用，对焊缝中的夹杂物起变质作用，使夹杂物细化， 夹杂物的体积分数减少。此外稀士元素在焊接中还具有良好的稳弧性和脱氧 能力。另外，钛、锆和稀土元素能形成高熔点的硫化物，它们比锰的脱硫效 果还好，故对消除结晶裂纹有良好作用。 ( 6 ) 镍镍在低合金钢中易与硫形成低熔共晶，因此会形成结晶裂纹。 但是加入锰、钛等合金元素可以抑制硫的有害作用。 ( 7 ) 钼奥氏体不锈钢熔敷金属中的钼含量对热裂纹敏感性的影响也 很大。因为铝是碳化物形成元素，很容易形成铝的碳化物m o c ，其熔点很高， 可达2 9 6 5 c ，当熔池凝固时可作为异质结晶核心。加入适量的钼使焊缝金属 组织细化，减少晶界低熔点物质偏析，从而提高材料的高温塑性。但是，当 钼含量超过最佳值且继续增大时，过量的钼会与硫反应形成低熔点物质 ( m o z s 3 和m o s 2 ) ，同磷反应形成复杂的共析物，其碳化物也不再是单纯的 点状物，而是以多种形式存在，使焊缝高温塑性下降，焊缝热裂敏感性上升。 另外，钼是焊缝金属中的强化元素，含量太多会使焊缝韧性下降，强度显著 增加，焊接接头受力状态复杂，使热裂纹敏感性增加拉2 。 ( 8 ) 氧氧对焊缝产生结晶裂纹的影响目前尚无定论，但很多试验表 明，焊缝中有一定的含氧量能降低硫的有害作用。研究认为氧的增加使焊缝 9 石油大学( 华东j 硕士论文 第1 章前言 中形成f e f e s f e o 三元共晶、f e s 由薄膜状变为球状嘲。 1 3 奥氏体焊缝一碳钢母材焊接性分析 奥氏体焊条焊接低碳钢主要存在以下几方面的问题， 1 3 1 焊缝稀释和熔合区性能恶化问题 由于基体金属的熔化使焊缝金属受到稀释。焊缝金属中可能形成脆性 马氏体组织，并有出现裂纹的可能【5 】。一般用s c h a e f f l e r 图来确定焊缝金属 的稀释程度。通常希望在奥氏体焊缝中得到5 1 0 的铁素体组织。这是因 为单一的奥氏体焊缝具有热裂倾向，易产生凝固裂纹。 在焊缝金属与热影响区之间存在一个过渡区，称为熔合区。该区很窄， 用常规的光学显微镜观察，有时看到的是近似于一条线，因此，也称为熔合 线。实际上它是一个区，而且该区存在着比较复杂的组织结构。s a v a g e 等人 将熔合区分为“不完全混合区( u n m i x e dz o n e ) ”和“部分熔化区( p a r t i a n y m e l t e dz o n e ) ”两部分，中间由焊接边界( w e l di n t e r f a c e ) 分开【9 】。有学者利用 透射电镜( t e m ) 技术的最新研究发现。在更高的放大倍数和分辨率下，熔 合区的组织变化更为复杂，它有单相奥氏体区、奥区体+ 马氏体区、类马氏 体( m a r t e ns i t el i k e ，m l ) 区和细小铁素体+ 珠光体晶粒等组成阱 。一般认为， “不完全混合区”主要由马氏体或称类马氏体( m - l ) 的组织构成，它是由 细小板条马氏体、孪晶马氏体、贝氏体和碳化物等组成的一种混合组织阱。6 1 。 它的产生机理如下，从焊缝金属到母材i - i a z 之间，随着c r 、n l 含量的减少， 马氏体的开始转变温度( m s ) 升高，当c r 、n i 含量达到某一数量时，特别 是当n i 含量低予5 一6 时，开始发生马氏体转变，形成一个马氏体层 2 7 1 。 “部分熔化区”是指靠近焊接熔池的h a z 由于受到高温作用发生部分熔化 的区域。潘春旭等人的研究发现“部分熔合区”的宽度和形态与母材中的碳 含量有关。碳含量增高，呈“锯齿状”的“部分熔化区”增宽。这是由于母 材的局部熔化特征取决于碳含量、冷却速度及合金元素的偏析等因素口8 1 。异 种钢焊接接头的显微组织研究大多数仍是沿用光学金相法进行观察。但由于 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 受腐蚀剂的影响和光学显微镜放大倍数的限制，对熔合区的显微组织结构的 研究和认识还远远不够。因为熔合区显微组织有时很难被显示出来，许多起 源于熔合区的失效断裂机理还不能得到很好的解释。有的学者克服了样品制 备方面的困难，对熔合区的显微组织变化特征进行了较系统的t e m 观察 2 7 - 2 9 1 。不仅可以直接观察到熔合区的连续组织变化规律，还可以观察到组织 和成分发生突变的焊接边界。焊接边界的形态有奥氏体( a ) 一类马氏体 ( m l ) 边界和类马氏体( m l ) 一铁素体( f ) 或类珠光体( p l ) 边界。 1 3 2 熔合区碳迁移层的研究现状 ( 1 ) 碳迁移现象 异种钢焊接接头在焊后热处理或高温条件下服役时所发生的碳迁移现 象，一直受到工程技术人员和理论研究者的高度重视。因为碳迁移是造成接 头高温力学性能降低，高温下失效断裂增加，影响高温使用寿命的主要原因 之一。失效主要表现在增碳层的韧性下降引起的脆性断裂以及脱碳层强度下 降而导致的断裂。碳迁移不是由于浓度差引起，而是由化学势差引起的上坡 扩散。最新的研究表明，在高温服役过程中碳的迁移主要局限在熔合区的马 氏体层中，很难向奥氏体焊缝中作长程扩散 2 7 、3 0 1 。这是因为在高温下，碳在 n f e 中的扩散活动能力比在1 - f e 中大得多( 在9 1 0 。c 时大3 9 倍，在7 5 5 时大1 2 6 倍，在5 0 0 c 时大8 3 5 倍) 。碳很难跨过奥氏体( a ) 一类马氏体 ( m l ) 焊接边界向焊缝内作长程扩散。有关碳迁移现象的理论分析和计算 尚进行得不多。j p a c l o v s k y 等人采用静态模型计算了焊接边界两侧碳的异常 扩散过程，得到的理论结果与实验较为符合【3 ”。但是，这个计算没有考虑马 氏体过渡区问题，且只有一个焊接边界，即一侧是奥氏体焊缝，另一侧是铁 素体基体，这与实际情况有差异。有学者考虑到两个边界情况，对静态模型 做了进一步的修正，并得到了更好的结果【3 列。 ( 2 ) 母材中碳进入熔池的方式研究 迄今，对焊后高温条件下长期服役或经焊后热处理的接头中的碳迁移已 做了大量研究，而对焊态下接头中的碳迁移研究则较少【5 1 。目前，已从浓度 ( 或活度) 梯度5 3 3 + 蚓、相变顺序 3 5 1 、碳化物固溶温度3 唰和合金元素影响3 4 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 ”1 等不同角度，对焊态下碳迁移进行了研究，但对焊态下接头中的形成原因、 形成时期的认识分歧仍然很大瞄。 有学者试图根据熔焊接头中不均匀混合区的形貌划分理论口刚并结合熔 焊过程特点，研究了熔焊时母材中的碳进入熔池中的方式。在此基础上，分 析和探讨焊态下接头中的碳迁移行为以及焊缝中的碳分布特点，把母材中的 碳按照进入熔池的方式进行划分，将有助于正确分析焊态下接头中脱、增碳 层的形成原因，形成时期以及焊缝不均匀混合区中碳分布特点，进而为研究 碳对熔池结晶后组织的影响、母材侧和焊缝侧的相变顺序、接头的性能特点、 失效原因等提供依据【3 ”。 研究结果表明，母材中的碳进入熔池的方式1 3 9 有以下几种。 机械混合方式熔焊时熔池前部的母材在电弧直接加热作用下熔 化，并在电弧吹力作用下进入熔池，完全熔化了的母材中的碳以机械混合方 式进入熔池中。 母材团方式熔焊时在电弧吹力或熔池热传导作用下，一部分母材 以团块状进入熔池中。熔池结晶前，这些母材团未完全熔化或熔化但未完全 散开，熔池结晶后，这些母材团成为焊缝不均匀混合区中的小岛、半岛、后 续熔化滞留层。 扩散混合方式熔池阶段，在熔合线两侧固液相共存时，母材的不 完全熔合区中的部分碳，将以扩散混合方式进入熔池中。 ( 3 ) 合金元素对碳迁移层的影响 有资料显示，焊缝金属中含铬量从o 6 增加到5 时，对低碳钢母材脱 碳层宽度的影响最显著，进一步提高含铬量时则影响比较小。当焊缝中的含 镍量提高到2 5 时，脱碳层宽度显著减少，同时也减少了焊缝中增碳层的宽 度。一般来讲，母材中含有一定数量的碳化物形成元素( c r 、t i 、w 、v 、 n b ) 能够显著减弱碳的扩散迁移【5 】。 1 3 3 镍及镍合金与钢的焊接 镍及镍合金与钢焊接时，焊缝金属的主要成分是铁和镍。铁和镍在化学 元素周期表中处于同一周期和同一族内，它们在物理化学性能方面都很接 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 近，并且能够无限互溶。虽然铁与镍在高温下可能形成金属间化合物，但温 度下降时即自行分解。所以，铁与镍焊接时不会存在特殊问题，主要是钢或 镍中的杂质或合金元素在熔敷金属中的不良影响【5 1 。 因为液态镍的流动性较差，所以容易形成气孔和裂纹。焊接时镍容易氧 化成n i o ，n i o 与镍形成低熔共晶，这些都会影响钢与镍的焊接性。 因为镍及镍合金的导热性差，且具有比较大的晶粒长大倾向，所以焊接 镍基合金与钢时，由于焊接热作用，焊缝和基体金属容易过热，造成晶粒长 大，接头的力学性能和耐蚀性能下降曙】。 石油大学( 华东) 硕士论文勇望章堡墨盒垒堕竖星塑塑量堡堂 第2 章镍基合金喷焊层组织与性能 2 1 试样的制备 实验钢材为q 2 3 5 钢板，供货状态为热轧，其成分见表2 - 1 ，试块形状尺 寸见图2 一l ，试块下料采用剪板机剪切，坡口的加工为铣削加工。试件试验 前对备用面进行砂轮打磨除锈处理。 表2 1 母材试块的成分含量 制备喷焊层之前先将试块坡口背 面离板边约2 0 m m 范围内的锈蚀用电 动砂轮打磨干净，再采用氧一乙炔火 焰喷焊方法制备喷焊层。喷焊层原始 粉末的成分见表2 - 2 。制备喷焊层的范 围如图2 - 1 中的划斜线部分所示( 制备 这样的试样是为了模拟现场施工情 况) 。喷焊前，烘干喷焊粉末，烘干温 度为1 5 0 0 c ，烘干时间为3 h 。喷焊工 具为为q h - 1 h 火焰喷枪、氧气瓶、乙 炔瓶。喷焊为室外操作，选用喷枪喷 嘴直径为2 2 m m ；氧气压力为0 5 m p a ； 乙炔压力为0 0 5 m p a ，火焰性质为中性 火焰，喷焊距离为1 0 0 - 4 - 2 0 r a m 。重熔 时喷嘴与金属表面距离5 1 5 r a m 。冷 却方式为自然空冷( 元风) o 喷焊层的 制备采取二步法，工艺过程为预热一 1 4 图2 - 1 喷焊层制备位置示意图 净 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章镍基合金喷焊屋塑墨 堡丝 喷涂一重熔一冷却。对待喷试样进行预热，在预热未完成，即未达到喷涂温 度时，就先喷涂一些喷焊粉末覆盖待喷表面，这是防止待喷面被氧化，提高 喷焊层质量。因为试样体积较大，散热较快，预热时间较长，待喷面容易被 氧化。达到预热温度后，喷涂粉末，达到一定厚度时，再重熔。重熔时喷枪 的移动速度主要根据喷焊层的表面现象决定，即重熔加热恰好使得喷涂层熔 化并出现镜面反应为佳。喷焊层厚度为1 0 0 2 m m 。 表2 - 2 镍基合金喷焊层的成分含量 喷焊层制备完毕后，沿垂直于喷焊层、垂直于试块长边的截面截取试样， 磨制金相试样，测量喷焊层显微硬度，采用金相显微镜和扫描电子显微镜进 行观察分析。 2 2 试验结果与分析 2 2 1 赜焊层组织分析 图2 2 是整个喷焊 层截面金相组织照片。 可看出，晶粒为等轴晶， 晶粒平均尺寸较小，并 且各晶粒尺寸差别不 大。喷焊层最表层晶粒 细小，喷焊层内部晶粒 较大，晶粒大小不均匀， 存在区域性差别。为了 分析形成这种规律的原 因，首先来说明喷焊层 图2 - 2 喷焊层截面金相照片 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章镍基合鲤蟹组塑量丝韭 的受热过程。喷焊层制备过程中最重要的两道工序是喷涂和重熔。喷涂只是 将喷焊粉末堆积在金属基体表面上，涂层中喷焊颗粒之间有大量的间隙，相 互之间的结合性较差，涂层表面也比较粗糙。重熔工序是将整个喷涂层重新 加热使之熔化再结晶，其主要作用是使涂层重新进行冶金反应，消除涂层中 的气孔，增强涂层内部的强度，使“喷涂层”转变为“喷焊层”。在此过程 中加热温度很高，甚至使基体表面部分熔融，与喷涂层发生冶金反应，形 成冶金结合。即由喷涂层变成了喷焊层。喷焊层的内部组织也主要在这一工 序中形成。重熔的过程是一个升温降温的过程。重熔的峰值温度稍高于喷焊 层的熔点( 1 0 5 0 ) ；重熔时间没有具体的规定( 只要求喷枪缓慢扫过涂层 时，涂层的表面要能够出现镜面反应) 。值得注意的是，涂层熔化之后，喷 枪并没有迅速离开，而是继续加热邻近的涂层。这相当于对前一部分涂层进 行后热，涂层所经历的是一个介于正火和退火之间的、缓和的、接近平衡的 热过程。喷焊层各部分之间温度分布均匀，温度梯度小，晶核均匀地朝各个 方向成长，形成等轴晶组织喷焊层的这些组织特征有利于提高涂层的塑韧 性，降低在焊接过程中的裂纹敏感性。喷焊层表层散热要比涂层内部快，过 冷度大，晶核数量多，冶金反应进行的也快，形成了一层细小晶粒。这有利 于提高表层的塑韧性，减少表层缺陷，从而减少了表层的裂纹源，有利于降 低喷焊层的裂纹敏感性。 图2 3 是喷焊层不同部位的高倍显微组织照片，其中( a ) 是涂层表层 ( b ) 是中部，( c ) 是底层( 即喷焊层与基体的界面处) 。三部分晶界宽度不 同，表层最小，底部次之，中部则明显大于前两者。形成这种规律的原因也 可根据上述热过程来分析。喷焊层中部散热慢，冷却速度小，晶间相有较充 分的时间析出，晶界宽度较大。喷焊层组织不均匀导致强度的不均匀，不利 于降低其裂纹敏感性，可通过更均匀的重熔、缓冷过程来减小这种差别，有 利于提高喷焊层的塑韧性。 同时应该注意，喷焊层中晶粒大小分布不均匀。一个原因是自然差异， 即晶粒的长大本来就不是完全一致的，即使没有其它因素影响，晶粒尺寸也 会存在一定的差异；另一个原因是手工喷焊操作过程中工艺参数的稳定性较 差，不同部位的喷焊层受热状况存在差别。后者是主要原因。 1 6 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章镍基合金喷焊层组织与性能 从图2 ，2 中还可看出，喷焊层中气孔缺陷比较严重，大多数分布在喷焊 层上半部分，气孔体积大，而中部和底部的气孔数量少，体积比上部气孔也 小。气孔的形成是因为在喷焊层凝固之前，气体没来得及逸出。底部的小气 孔在上浮的过程中合并成较大的气孔，所以上部气孔的体积较中部、下部的 气孔大。这说明传统的喷焊工艺中，涂层重熔的时间不充分，重熔方式有待 改进。气孔的存在可导致应力集中，减小涂层的有效截面积，降低涂层强度， 严重影响了喷焊层的性能，增大了焊接时喷焊层的裂纹敏感性。 喷焊层中的又一关键位置是喷焊层一碳钢基体的界面处，图2 - 4 是喷焊 层一碳钢基体的界面s e m 照片，从中可以看出，界面上存在着大量的微小 孔隙，并且靠近界面处，微小孔隙的数量增多。产生这些缺陷的主要原因是： 在喷焊层制备过程中预热温度控制不稳定，温度过高使基体表面氧 化物过多，形成夹杂物。 在制备喷焊层时，喷焊层中的气体主要靠重熔时逸出，喷焊层底层 靠近碳钢基体，由于该区与基体进行了冶金反应，部分基体成分熔入喷焊层。 致使喷焊层熔点有所提高，加之该区靠近碳钢基体，散热速度快，导致喷焊 层重熔过程中该部分重熔的时间过短，甚至不发生重熔。所以喷涂时界面处 的气体不易逸出，并且它们不能移动，不能合并聚集形成大气孔。最后造成 ( a ) 袁层 ( b ) 中部 ( c ) 底部界面处 图2 - 3 喷焊层不同部位金相照片 1 7 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章镍基合金暖焊层组织与性能 了喷焊层一碳钢基体界面上微 小孔隙较多。 这些孔隙虽然体积小，但 是数量多，大大降低了喷焊层 一基体的有效结合面积，使喷 焊层界面结合强度降低，在后 续焊接过程中发生剥离破坏的 可能性增大。 2 - 2 2 赜焊层硬度测量 图2 - 4 喷焊层一碳钢界面s e m 照片 在焊接过程中，喷焊层将 承受热应力，其塑韧性好坏将决定在热应力作用下它是否会发生破坏。硬度 是衡量其塑韧性的一个很好的指标。 通过采用显微硬度计对喷焊层的硬度进行测量，可知其硬度约为 2 1 8 h i v l 。所以，喷焊层的硬度较大，塑韧性较差。 喷焊材料为自熔性合金粉末，熔点较低，其塑韧性又较差，决定了其近 缝区液化裂纹敏感性可能较大。关于喷焊层在焊接过程中的裂纹敏感性分 析，将在第三章中详细讨论。 2 2 3 赜焊层一基体界面电子探针分析 为了进一步研究喷焊层与基体的结合性，利