焊接技术培训-高强钢和特殊钢材的焊接PPT课件.ppt

焊接技术培训 质量部焊接室 COSCONANTONGSHIPYARDCO LTD 南通中远船务工程有限公司 之 高强钢和特殊钢材的焊接 质量部焊接室 1 标准中钢材的分类船用低合金高强钢和超高强度钢低合金高强钢容易产的的焊接缺陷低合金高强钢焊接注意事项 高强钢的焊接 培训内容 2 常用钢材在DNV标准中的分类 DNV OS C401中阐述了这些材料的焊接工艺评定规则 3 常用钢材在AWS标准中的分类 AWS中的常用钢材表列较多 按照表3 1 材料被分成 共4组 材料的屈服强度级别依次递增 如果一定要与DNV对应的话 大致可以这样比较 NS HS EHS 表3 1中包括了美国材料与试验协会 ASTM 美国石油工程协会 API 和美国船检局 ABS 的材料 表4 9 是表3 1的补充 中是ASTM中超高强钢材 4 其他标准 API2Y 2H 2W API5LX52 ASTMA131 ABS标准的A F级的屈服强度在315 A32 以上的船板 16Mn Q345等 均为普通低合金高强度C Mn钢 5 船用高强钢的分类力学性能 先来学习一下常用几种标准中高强钢的分类 6 高强钢材在ABS标准中的分类及力学性能 7 超高强钢材在ABS标准中的分类及力学性能 8 DNV中低合金高强钢船用钢材的分类和力学性能 9 DNV中低合金超高强钢船用钢材的分类和力学性能 10 高强钢的焊接 公司现用的超高强钢有D420 E420 690 EQ43 EQ56 A514Gr Q等 这些材料焊接过程中 相对来说容易出问题 下面我们来进一步来接这些材料的焊接性 11 2 1低合金高强钢的焊接性 强度级别较低的普通强度钢 屈服强度235 270MPa 由于钢中合金元素含量较少 其焊接性良好 接近于低碳钢 随着钢中合金元素的增加 强度级别提高 屈服强度 315MPa 钢的焊接性也逐渐变差 出现的主要问题是 热影响区的淬硬倾向 冷裂纹 热裂纹 粗晶区脆化 12 2 1低合金高强钢的焊接性 热影响区的淬硬倾向含碳量较少 强度级别较低的钢种 如A27钢等 淬硬倾向很小 随着强度级别的提高 淬硬倾向也开始加大 如16Mn A36以上钢焊接时 快速度冷却会导致在热影响区出现马氏体组织 13 2 1低合金高强钢的焊接性 冷裂纹低合金高强钢焊接时 热影响区的冷裂纹倾向加大 并且这种冷裂纹往往具有延迟的性质 危害性很大 例如 某公司材料为EH36钢 壁厚88 9mm的一导管架钢桩结构 由于预热温度不够 焊后在热影响区形成大量冷裂纹 低合金高强钢的定位焊缝很容易开裂 其原因是由于焊缝尺寸小 长度短 冷却速度快 这种开裂属于冷裂纹性质 14 2 1低合金高强钢的焊接性 热裂纹一般情况下 屈服强度等级为315 400MPa的热轧 正火钢 热裂倾向较小 但在厚壁板材的高稀释率焊道 如根部焊道或靠近坡口边缘的多层埋弧焊焊道 中也会出现热裂纹 电渣焊时 若母材的含碳量偏高并含镍时 电渣焊缝中可能会出现呈八字形分布的热裂纹 屈服强度等级为420 690MPa的中碳调质钢 焊接时热裂的敏感性较大 因此 海工标准中对此类钢焊接时的线能量要求更严格 如EQ56 EQ 70 A514Gr Q P460NL1 EH42 NVE420 NVE690等 15 2 1低合金高强钢的焊接性 粗晶区脆化热影响区中被加热至1100 以上的粗晶区 当焊接线能量过大时 粗晶区的晶粒将迅速长大或出现魏氏组织而使韧性下降 出现脆化段 16 2 2低合金高强钢焊接时的主要工艺措施 预防冷裂纹的主要措施这里主要从减少淬硬组织 减少扩散氢含量 减少残余应力三方面来讲施工上预防冷裂纹的措施 1 焊前预热 2 选择合适的线能量 3 后热和焊后热处理 4 焊材的发放 使用和存储 17 2 2低合金高强钢焊接时的主要工艺措施 预热预热是防止裂纹的有效措施 并且还有助于改善接头性能 但预热会恶化劳动条件 使生产工艺复杂化 过高的预热温度还会降低接头韧性 因此 焊前是否需要预热以及预热温度的确定应根据钢材的成分 碳当量 板厚 结构形状 刚度大小以及环境温度等决定 18 2 2低合金高强钢焊接时的主要工艺措施 焊接线能量的选择含碳低的热轧钢焊接时 因为这些钢的冷裂淬硬 脆化等倾向小 所以对焊接线能量没有严格的限制 焊接含V Nb Ti的钢种 为降低热影响区粗晶脆化所造成的不利影响 应选择较小的焊接线能量 如A F32到A F40钢的焊接线能量应控制在35kJ cm以下 19 2 2低合金高强钢焊接时的主要工艺措施 后热及焊后热处理后热是指焊接结束或焊完一条焊缝后 将焊件立即加热至200 250 范围内 并保温一段时间 2h左右 使接头中的氢扩散逸出 防止延迟裂纹产生 对于厚板及应力复杂区域的高强钢板 焊后应采取后热工艺措施或覆上足够厚的保温棉 毡 进行缓冷 20 2 2低合金高强钢焊接时的主要工艺措施 后热及焊后热处理对于厚板 高刚性的焊接结构以及一些在低温 耐蚀条件下工作的构件 当现场条件允许时 焊后应及时进行消除应力的高温回火 其目的是消除焊接残余应力 改善组织 焊后立即进行高温回火的焊件 无需再进行后热处理 在低温下 如冬季露天作业 或在大刚性 大厚度结构上焊接时 为防止出现冷裂纹 需采取预热措施 低合金高强钢焊接时 焊材的选用原则为等强原则 21 焊接缺陷 焊接接头在焊后冷却到较低温度下 对于钢来说在Ms温度以下 所产生的焊接裂纹 称为冷裂纹 在由于焊接裂纹引发的事故中 由冷裂纹所造成的事故约占90 焊接技术培训 1 裂纹 1 3冷裂纹 B 焊接缺陷 焊趾裂纹 22 焊接缺陷 焊接技术培训 1 裂纹 1 3冷裂纹 B 焊接缺陷 1 3 1冷裂纹的特征 从产生的条件和原因来看 它与其他裂纹有本质上的区别 2 产生冷裂的材料多产生于有淬硬倾向的低合金高强度钢和中 高碳钢的焊接接头中 裂纹大多在热影响区 通常源于融合区 有时也在高强度钢或钛合金的焊缝中 1 冷裂纹形成的温度大量研究结果表现 对于钢材来说冷裂纹形成的温度大体在 100 100 之间 而对于铸铁型焊缝来说 经测定一般在400 以下 具体温度随母材与焊接条件不同而异 所以现场为什么要求碳刨完需要焊接的地方 要打磨出金属的原色 23 焊接缺陷 1 裂纹 1 3冷裂纹 焊接技术培训 B 焊接缺陷 3 冷裂纹的断口特征宏观上 一般起裂于热影响区高硬度的马氏体区 它具有脆性断裂的特征 表面金属光泽 呈人字形态发展 从微观上看 多起源于粗大的奥氏体晶粒的晶界交错处 与热裂纹单一沿晶界断裂不同 冷裂纹可沿晶界扩展 也可穿晶扩展 常常是晶间与晶内断裂的混合 4 冷裂纹产生的时间冷裂纹较多出现在焊后延迟一段时间才产生 有些也出现在焊接工程中 延迟时间可能是几小时 几天 十几天 甚至数月 1 3 1冷裂纹的特征 24 焊接缺陷 1 裂纹 1 3冷裂纹 焊接技术培训 B 焊接缺陷 5 冷裂纹的分布 1 焊道下裂纹靠近堆焊焊道的热影响区所形成的冷裂纹 走向与熔合线大体平行 裂纹产生没有明显的应力集中 亦无大的收缩应力 但奥氏体化温度最高 晶粒组大 多产生于铁素体焊条焊接且扩散氢含量比较高的情况下 2 焊趾裂纹沿应力集中的焊趾处所形成的焊接冷裂纹 裂纹一般向热影响区粗晶区扩展 有时也向焊缝中扩展 1 3 1冷裂纹的特征 25 焊接缺陷 1 裂纹 1 3冷裂纹 焊接技术培训 B 焊接缺陷 5 冷裂纹的分布 4 横向裂纹横向裂纹起源于熔合线 沿垂直于焊缝长度方向扩展到焊缝和热影响 产生的条件与焊道下裂纹相似 多发生于多层焊表层下金属中 在焊缝接头横截面上扩展 3 焊根裂纹沿应力集中的焊缝根部所形成的焊接冷裂纹 主要发生在含氢量较高 预热不足条件下 可能出现在热影响区的粗晶区 过热区 也可能出现在焊缝中 取决于母材的强韧度及根部状态 焊趾裂纹和焊根裂纹均属于缺口裂纹 缺口处应力集中较严重 裂纹容易发生也容易扩展 26 焊接缺陷 1 裂纹 1 3冷裂纹 焊接技术培训 B 焊接缺陷 1 3 2形成冷裂纹的三个基本因素 大量实验研究已证实 冷裂纹是由扩散氢 钢种的淬硬倾向 淬硬组织 接头所承受的焊接应力 三个因素共同作用的结果 1 焊缝中的扩散氢含量增加 冷裂纹率增加 扩散氢含量还影响延迟裂纹延时的长短 扩散氢含量越高 延时越短 2 钢的淬硬倾向越大 则接头中出现马氏体的可能性越大 则越容易产生冷裂纹 当材料一定时 冷却速度不同 接头组织将相应改变 冷速越高 马氏体含量越高 3 焊接接头的拘束应力 包括焊接过程中因加热不均匀所承受的热应力 相变应力 结构自身几何因素所决定的内应力 在其他条件一定时 拘束应力达到一定数值就会开裂 27 焊接缺陷 1 裂纹 1 3冷裂纹 焊接技术培训 B 焊接缺陷 1 3 2形成冷裂纹的三个基本因素 当扩散氢含量较高时 即使马氏体的数量或拘束应力比较小 也可能会诱发出裂纹 如焊道下裂纹 以上三个因素的作用是相互联系 相互制约 不同条件下起主要作用的因素不同 而当材料的碳当量较高而在接头中形成较多的针状马氏体时 即使扩散氢很少甚至没有 也会产生裂纹 28 焊接缺陷 1 裂纹 1 3冷裂纹 焊接技术培训 B 焊接缺陷 1 3 3形成冷裂纹的三个基本因素 根据主要因素之不同 将冷裂纹分为以下三类 3 低塑性脆化裂纹焊接塑性较低的材料 如铸铁 当焊后冷却到400 以下时 由于焊接收缩应变超过材料的本身变形能力而导致开裂 称之为低塑性脆化裂纹 它可在焊缝中出现 也可发生在焊接热影响区中 其断口具有脆性断裂的形貌特征 2 淬硬脆化裂纹 或称淬火裂纹 主要出现淬硬倾向很大的钢种 在应力作用下即使没有氢的诱发 也会形成开裂 1 延迟裂纹裂纹不在焊后立即出现 延迟现象的产生于扩散氢的活动有着密切的关系 29 焊接缺陷 1 裂纹 1 3冷裂纹 1 3 4冷裂形成机理 B 焊接缺陷 溶解在液态金属中的氢原子 在连续冷却凝固和发生固态相变时溶解度发生突变 氢在奥氏体 中的溶解度大大高于在铁素体 中的溶解度 在快冷时来不及析出 而以饱和溶解的形式存于铁素体 中 由于氢的扩散能力很强 随着时间的延长过饱和的H将不断扩散 迁移 一部分扩散到金属外部 一部分留在金属内部 氢在不同组织中的扩散能力不同 在 相中的扩散能力比在 相中高 在发生 转变时 氢的溶解度突降 而扩散能力突升 这两个突变决定了氢在焊接接头冷却过程中的扩散方向与分布 焊接技术培训 1 氢的作用 焊接过程中进入熔池的氢主要来源于焊接材料中的水分 含氢物质 电弧周围空气的水蒸气 焊丝和母材坡口表面上的水 铁锈及油污等杂质 1 氢在固体金属中的溶解与扩散 30 焊接缺陷 1 裂纹 1 3冷裂纹 B 焊接缺陷 1 3 4冷裂形成机理2 氢在金属结晶过程中的扩散 焊缝金属的 分解温度TFA高于母材的分解温度TMA 图中ab两点间两侧的组织不同 焊缝已经完成分解为 Fe P 或B M 而仍为 相 当焊缝进行 分解时 氢的溶解度突降 扩散速速突升 过多的氢必然通过熔合线向尚未转变的热影响区扩散 氢扩散到HAZ 或母材 后 由于 相中溶解度大而扩散速度低 在快冷时 就聚集在熔合线附近形成了高H带 焊接技术培训 母材完成相变以后 氢以过饱和形式残留于M B 中 并扩散到应力集中或晶格缺陷处结合成分子 形成较高的局部应力 加上热应力 组织应力的共同作用 就可能开裂 31 焊接缺陷 1 裂纹 1 3冷裂纹 焊接技术培训 B 焊接缺陷 1 3 4冷裂形成机理 氢以饱和的形式残留在组织中 并扩散到应力集中或晶格缺陷处结合形成分子 形成较高的局部应力 氢在金属中的扩散还受到应力状态的影响 它有向三向应力区扩散的趋势 常在应力集中或缺口等有塑性应变的部位产生氢的聚集 使该处最早达到氢的临界含量 这就是氢的应力诱导扩散现象 应力梯度愈大 氢的驱动力也就愈大 也即应力对氢的诱导扩散作用愈大 3 氢的应力诱导扩散 32 焊接缺陷 1 裂纹 1 3冷裂纹 焊接技术培训 B 焊接缺陷 1 3 4冷裂形成机理 综上所述 氢的扩散行为 从高温到低温受不同机理控制 使氢向热影响区的熔合线附近 特别是向应力集中的部位扩散聚集 当这些部位的氢含量达到一定的临界含量值时 就会诱发冷裂 氢的扩散有一定的速度 聚集到临界有一定的时间 这就是宏观上表现为焊后到产生裂纹要有一定得潜伏期 孕育期 即冷裂具有延迟开裂的特征 延时长短与与应力水平 扩散氢含量和氢的析出条件等因素有关 具体的说 就是与焊接接头的拘束情况 应力集中程度 焊缝金属的扩散氢含量 冷却速度以及接头缺口处金属的韧性等条件有关 33 焊接缺陷 焊接技术培训 B 焊接缺陷 1 3 4冷裂形成机理 2 钢材的淬硬倾向作用 组织的作用 M 马氏体 是典型的淬硬组织 这是由于间隙C原子的过饱和 使Fe原子偏离平衡位置 晶格发生明显的畸变所致 当快速冷却时 粗大的A转变成粗大的M 硬淬的M断裂时所需的能量较低 因此 焊接接头中有马氏体存在时 裂纹易于形成和扩展 马氏体对冷裂的影响除了其本身的脆性外 还与不平衡结晶所造成的较多晶格缺陷有关 这些缺陷在应力作用下会迁移 集中 而形成裂源 裂源数量增多 扩展所需能量又低 必然使冷裂敏感性明显增大 如果仅以M的数量来对比不同钢种的冷裂敏感性 会造成较大的误差 不同组织对冷裂纹的敏感性 大致按下列顺序递增 34 焊接缺陷 B 焊接缺陷 焊接技术培训 某材料冷却速度对组织的影响 35 焊接缺陷 B 焊接缺陷 焊接技术培训 36 焊接缺陷 焊接技术培训 B 焊接缺陷 1 3 4冷裂形成机理 承受交变外力的T型接头 主机基座某部位 从焊趾处断裂外貌 截面突变处应力集中焊缝断裂外貌 37 焊接缺陷 焊接技术培训 1 裂纹 1 3冷裂纹 B 焊接缺陷 三向应力集中区域由于组织应力 热应力 拘束应力都较大 而形成的裂纹 38 焊接缺陷 1 裂纹 1 3冷裂纹 焊接技术培训 B 焊接缺陷 1 3 5冷裂纹的防止措施主要是对影响冷裂的三大要素进行控制 如改善接头组织 消除一切氢的来源和尽可能降低焊接应力 2 合理选择和使用焊接材料 1 选用对冷裂敏感性低的母材 2 1选用优质低氢焊接材料或低氢的焊接方法 对于重要结构 则应选择低氢 超低氢 超高强度韧性的焊接材料 严格控制氢的来源 CO2气体保护电弧焊具有氧化性 可以获得低氢焊缝 H 仅为0 04 1 0ml 100g 39 焊接缺陷 1 裂纹 1 3冷裂纹 焊接技术培训 B 焊接缺陷 1 3 5冷裂纹的防止措施 2 5改善焊缝金属的塑性和韧性 1 通过焊接材料向焊缝过渡Ti Nb Mo V B Te或稀土元素来韧化焊缝 利用焊缝的塑性储备来减轻热影响区的负担 从而降低整个焊接接头的冷裂纹敏感性 2 合理选择和使用焊接材料 2 2选用低匹配焊接材料 2 3采用奥氏体焊条焊接某些淬硬倾向较大的中 低合金高强度钢 2 4严格按规定对焊接材料进行烘培及进行焊前清理工作 40 焊接缺陷 1 裂纹 1 3冷裂纹 焊接技术培训 B 焊接缺陷 1 3 5冷裂纹的防止措施 1 钢种的强度等级在焊缝与母材等强的情况下 钢材的强度 s越高 预热温度也应越高2 焊条类型3 坡口形式坡口根部所造成的应力集中越严重 要求的预热温度越高 4 环境温度环境温度过低会使冷却速度上升 预热温度应相应提高 DNV OS C401中规定最大可以提高25 3 制定合理的焊接工艺3 1合理的预热温度和控制层间温度选择最佳预热温度 影响预热温度的因素有以下几方面 41 焊接缺陷 焊接技术培训 B 焊接缺陷 3 1 1合理的预热温度 1 3 5冷裂纹的防止措施 42 焊接缺陷 3 1 2预热和层间温度控制 温度测量设备 在焊接操作规程中应规定用来测量温度的设备 测温棒 炭棒 温度敏感材料 温度表 接触式热电偶 无接触式测量光装置 B 焊接缺陷 1 3 5冷裂纹的防止措施 焊接技术培训 43 焊接缺陷 测量点间的距离t 50 A 4xt Max 50mmt 50 A 75 层间温度 在紧接实行下一层操作前 多焊道焊缝和濒临母材温度 通常表示为最高温度 在电弧通过短时间前必须测量焊缝金属的的层间温度 通常得 层间温度不应超过220 250 C B 焊接缺陷 预热和层间温度 焊接技术培训 44 焊接缺陷 1 裂纹 1 3冷裂纹 焊接技术培训 B 焊接缺陷 1 3 5冷裂纹的防止措施 一般不采用增加线能量的方式来降低冷却速度 可能造成过热区晶粒粗大 接头韧性下降 降低其抗裂性能 但热输入过小 冷却速度快 增加淬硬冷裂倾向 因此 对每种钢的焊接工艺评定合格的焊接热输入 都应严格执行 不能随意乱动 3 制定合理的焊接工艺 3 2严格控制焊接线能量 45 焊接缺陷 1 裂纹 1 3冷裂纹 焊接技术培训 B 焊接缺陷 1 3 5冷裂纹的防止措施 因冷裂存在潜伏期 一般在焊后一段时间后才产生 所以在裂纹产生之前进行热处理 及所谓紧急后热 也就能达到防止冷裂的目的 紧急后热工艺的关键就在于及时 一定要在热影响区冷却到产生冷裂纹的上限温度TUC 一般在100 左右 之前迅速加热 加热温度也应高于TUC 并且需保温一定时间 目的是使氢充分扩散逸出 若焊后间隔时间较长裂纹已经产生才后热就失去意义 钢的碳当量越高 后热所需温度也越高 后热温度越高 则后热时间越短 一般200 1 2h 3 制定合理的焊接工艺3 3紧急后热 46 焊接缺陷 1 裂纹 1 3冷裂纹 焊接技术培训 B 焊接缺陷 1 3 5冷裂纹的防止措施 3 4必要时焊后热处理焊后进行不同的热处理 可以分别起到消除扩散氢 降低和消除残余应力 改善组织性能 3 制定合理的焊接工艺 47 焊接缺陷 1 裂纹 1 3冷裂纹 焊接技术培训 B 焊接缺陷 1 3 5冷裂纹的防止措施 4 加强现场管理 许多焊接裂纹事故并不是由于母材或焊材选择不当或结构设计不合理 更多的由于施工质量差所造成 因此要防止冷裂纹 在施工中应注意 1 彻底清理焊接坡口 除油 水 锈等 渗碳层氧化层要清理干净 严格限制C H的侵入 现场这些处理很不好 这是现场几个项目造成横向冷裂的最主要得原因之一 2 保证焊条焊剂的烘干 保温 焊条筒保证预热和通电 随取随用 3 提高装配质量 减少填充金属量 4 严格焊工持证上岗制度 保证焊接质量 5 注意施工环境 48 焊接缺陷 1 裂纹 1 3冷裂纹 焊接技术培训 B 焊接缺陷 1 3 5冷裂纹的防止措施 4 加强现场管理 6 背面碳刨时 在去除缺陷的同时 不可使剩余的金属太薄 否则容易被撕裂 7 合理的减小应力的焊接顺序先焊收缩量大 自由度大的焊缝 8 锤击焊缝表面 使其产生压应力 以改善焊缝应力场 减小延迟裂纹产生的几率 除底层和盖面层不许锤击外 在破口内和焊趾处敲击 用风铲更好 震动频率越高越好 49 焊接缺陷 焊接技术培训 1 热影响区的淬硬倾向 硬化 强度等级和含碳量低的钢 热影响区淬硬倾向小 屈服强度450MPa以上的低合金高强钢 热影响区可能出现硬而脆的马氏体组织 冲击韧性下降 冷裂敏感性增大 可焊性变差 防止硬化的措施 采用适中的线能量配合以适当的预热 以获得适当小的焊接冷却速度 因为线能量增大可使硬化倾向降低 但易使晶粒长大 低合金结构钢的焊接特点 2 焊接接头的冷裂纹倾向 产生冷裂纹的三要素 热影响区或焊缝金属的淬硬倾向 组织硬化 焊接接头的拉应力存在 拘束度大 焊缝金属内的高含氢量 扩散氢的影响 B 焊接缺陷 50 2 3低温用钢的焊接工艺 前面讲过的很多材料 如D级以上的船板 包括16Mn材料 都具有低温性能 随着行业分工的进一步深入 钢厂同时开发了专用的耐低温材料 如A333 16MnD 09MnNiD KL33以及一些如2 5 Ni 70 和3 5 Ni 90 钢 对低温用钢的主要要求是应保证在使用温度下具有足够的塑性及抵抗脆性破坏的能力 低温用钢由于含碳量低 淬硬倾向和冷裂倾向小 所以焊接性良好 焊接时 为避免焊缝金属及热影响区形成粗晶组织而降低低温韧性 要求采用小的焊接线能量 焊接电流不宜过大 宜用快速多道焊以减轻焊道过热 并通过多层焊的重热作用细化晶粒 多道焊时要控制层间温度不得过高 层间温度不得大于250 低温用钢焊后可进行消除应力热处理 以降低焊接结构的脆断倾向 A333及KL33焊接 我公司选用的焊材是TGS 1N和LB 52NS 51 2 4珠光体耐热钢的焊接工艺 高温下具有足够的强度和抗氧化性的钢称为耐热钢 以Cr Mo为主要合金元素的低合金耐热钢 基体组织是珠光体 或珠光体 铁素体 称为珠光体耐热钢 常用钢号有1 25Cr 0 5Mo 2 25Cr 1Mo等 我公司海工项目高压泥浆管线上使用的AISI4130属于1 25Cr 0 5Mo系 由于珠光体耐热钢中含有一定量的Cr Mo和其它一些合金元素 所以热影响区会产生硬脆的马氏体组织 低温焊接或焊接刚性较大的结构时 易形成冷裂纹 因此在焊接时应采取以下几项工艺措施 预热预热是焊接珠光体耐热钢的重要工艺措施 为了确保焊接质量 不论在定位焊或正式施焊过程中 焊件都应预热并保持为80 150 焊后缓冷焊后应立即用石棉布覆盖焊缝及热影响区 使其缓慢冷却 焊后热处理焊后应立即进行高温回火 防止产生延迟裂纹 消除应力和改善组织 焊后热处理温度应避免在350 500 温度区间内进行 因珠光体耐热钢在该温度区间内有强烈的回火脆性现象 当耐热钢以调质 Q T 供货时 焊后热处理的温度必须低于母材调质处理的回火温度 52 3 不锈钢 不锈钢是在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一种高合金钢 不锈钢具有美观的表面和良好的耐腐蚀性能 不必经过镀色等表面处理 就能发挥所固有的表面性能 从金相学角度分析 因为不锈钢含有铬而使表面形成很薄的铬膜 这个膜隔离开了介质中的氧化物质而使不锈钢起到耐腐蚀的作用 为了保持不锈钢所固有的耐腐蚀性 钢必须含有质量分数在12 以上的铬 不锈钢种类 不锈钢可以按用途 化学成分及金相组织来大体分类 以奥氏体系类的钢由18 铬 8 镍为基本组成 各元素的加入量变化的不同 而开发各种用途的钢种 以化学成分分类 Cr系列 铁素体系列 马氏体系列 Cr Ni系列 奥氏体系列 异常系列 析出硬化系列 以金相组织的分类 奥氏体不锈钢 铁素体不锈钢 马氏体不锈钢 双相不锈钢 沉淀硬化不锈钢 53 3 1不锈钢的晶间腐蚀 不锈钢在腐蚀介质作用下 在晶粒之间产生的一种腐蚀现象称为晶间腐蚀 产生晶间腐蚀的不锈钢 当受到拉应力作用时 即会沿晶界断裂 强度几乎完全消失 这是不锈钢的一种最危险的破坏形式 晶间腐蚀可以分别产生在焊接接头的热影响区 焊缝或熔合线上 在熔合线上产生的晶间腐蚀又称刀状腐蚀 不锈钢具有耐腐蚀能力的必要条件是铬的质量分数必须大于12 当温度升高时 碳在不锈钢晶粒内部的扩散速度大于铬的扩散速度 因为室温时碳在奥氏体中的熔解度很小 约为0 02 0 03 而一般奥氏体不锈钢中的含碳量均超过此值 故多余的碳就不断地向奥氏体晶粒边界扩散 并和铬化合 在晶间形成碳化铬的化合物 如 CrFe 23C8等 但是由于铬的扩散速度较小 来不及向晶界扩散 所以在晶间所形成的碳化铬所需的铬主要不是来自奥氏体晶粒内部 而是来自晶界附近 结果就使晶界附近的含铬量大为减少 当晶界的铬的质量分数低到小于12 时 就形成所谓的 贫铬区 在腐蚀介质作用下 贫铬区就会失去耐腐蚀能力 而产生晶间腐蚀 54 3 2不锈钢产生晶间腐蚀的 危险温度区 敏化温度区 不锈钢产生晶间腐蚀与钢的加热温度和加热时间有关 304 L 不锈钢的晶间腐蚀与加热温度和加热时间的关系 见图3 从图中可看出 当加热温度小于450 或大于850 时 不会产生晶间腐蚀 因为温度小于450 时 由于温度较低 不会形成碳化铬化合物 而当温度超过850 时 晶粒内的铬扩散能力增强 有足够的铬扩散至晶界和碳结合 不会在晶界形成贫铬区 所以产生晶间腐蚀的加热温度为450 850 这个温度区间就称为产生晶间腐蚀的 危险温度区 或称 敏化温度区 其中尤以650 为最危险 焊接时 焊缝两侧热影响区中处于危险温度区的地带最易发生晶间腐蚀 即使在焊缝冷却过程中 其温度也要穿过危险温度区 所以也会产生晶间腐蚀 焊接接头在危险温度区停留的时间越短 接头的耐晶间腐蚀能力越强 所以不锈钢焊接时 快速冷却是提高接头耐腐蚀能力的有效措施 由于奥氏体不锈钢冷却过程中没有马氏体的转变过程 所以快速冷却不会使接头淬硬 可以在非焊接侧浇水 55 3 3不锈钢焊接时 为什么要控制焊缝中的含碳量 随着不锈钢中含碳量的增加 在晶界生成的碳化铬随之增多 使得在晶界形成贫铬区的机会增多 在腐蚀介质中产生晶间腐蚀的倾向就会增加 因此不锈钢焊接时 为提高接头的耐腐蚀能力 必需控制焊缝中的含碳量 采取的措施是 采用超低碳不锈钢及其焊接材料奥氏体不锈钢根据含碳量的不同 可分成三个等级 即一般含碳量级 碳的质量分数为 0 14 低碳级的为 0 06 超低碳级的为 0 03 因为室温时 奥氏体中能溶解的最大碳的质量分数为0 02 0 03 所以超低碳奥氏体不锈钢原则上就不会产生晶间腐蚀 属于超低碳的奥氏体不锈钢有304L和316L等 焊接这类钢时 应采用超低碳不锈钢焊材 在母材或焊接材料中添加稳定剂在钢材和焊接材料中加入Ti Nb等与碳的结合能力比铬更强的元素 能够与碳结合成稳定的碳化物 可以避免在奥氏体晶界形成贫铬区 所以 常用奥氏体不锈钢及焊接材料中都含有Ti或Nb等元素 进行固溶处理焊后将焊接接头加热到1050 1100 此时碳又重新溶入奥氏体中 然后急速冷却 便得到了稳定的奥氏体组织 这种工艺处理称为固溶处理 固溶处理的缺点是 如果焊接接头需要在危险温度区工作 则仍不可避免地会形成贫铬区 进行稳定化处理将焊接接头加热至850 900 保温2h 使奥氏体晶粒内部的铬有充分时间扩散至晶界 使晶界处铬的质量分数又恢复到大于12 贫铬区得以消失 56 3 4为什么奥氏体不锈钢中要求具有一定数量的铁素体组织 18 8型奥氏体不锈钢中 具有一定数量的铁素体组织 可以增加钢材的抗热裂纹及耐晶间腐蚀的能力 铁素体对热裂纹的影响1 铁素体可以细化奥氏体组织 并在一定程度上打乱树枝晶的方向性 见图4 如果焊缝是单相组织 奥氏体柱状晶很粗大 易熔共晶物集中在较少的晶界上 形成较厚的晶间偏析夹层 焊后冷却过程中在拉应力的作用下很容易沿晶界被拉裂 形成热裂纹 若在组织中加入了少量铁素体后 会使柱状晶变细 晶界增多 同样数量的易熔共晶物被分割 将不连续地分散在各个晶界上 从而降低热裂纹倾向 2 铁素体能比奥氏体溶解更多的有害杂质如S P等 铁素体对晶间腐蚀的影响双相组织对防止晶间腐蚀的有利作用 见图5 单相组织的焊缝由于柱状晶发展较快 晶间夹层厚而连续 析出碳化物后 贫铬区贯穿于晶粒之间 构成侵蚀性介质的腐蚀通道 双相组织的焊缝由于树枝晶被打乱 晶间夹层分散而不连续 并且由于铁素体中的含铬量远高于奥氏体 碳化铬优先在铁素体的边缘以内析出 因而不致在晶界上形成贫铬区 即使形成了贫铬区 也容易从邻近的富铬铁素体中 及时得到铬的补充 57 3 5如何保证不锈钢焊缝金属能得到双相组织 钢中的合金元素是形成双相组织的主要因素 合金元素对组织的影响可以分为两大类 奥氏体生成剂 Ni N Cu Co C Mn 铁素体生成剂 Cr Nb Ti Si V Mo 当不锈钢中的含碳量与含镍量之比大于1 8时 就会出现铁素体组织 因此 为了保证焊接不锈钢时焊缝金属能得到双相组织 关键在于选择含铁素体生成剂比较多的焊接材料 如焊接1Cr18Ni9Ti不锈钢时 常选用A132焊条 因为该焊条中含有一定量的Ti Nb 焊缝金属为双相组织 具有较高的抗热裂和耐腐蚀能力 实践证明 焊缝组织中铁素体的质量分数为2 3 时 就能足以防止产生热裂纹 焊接18 8型不锈钢用焊条都能保证堆焊金属中含有质量分数为3 8 的铁素体 因此这类焊条都有较强的抗热裂能力 当焊接奥氏体不锈钢或多层焊的根部焊道 可采用铁素体含量更高 质量分数5 10 的焊条 如Cr Ni比更高的Cr22Ni9型焊条A122 但是 焊缝金属中出现更多的铁素体含量是不必要的 因为过多的铁素体会引起焊缝金属的脆化 尤其是工作在高温下的焊接结构 通常铁素体的质量分数应控制在5 以内 58 3 6焊接单相奥氏体不锈钢时如何防止产生热裂纹 单相奥氏体不锈钢如0Cr25Ni20焊接时的热裂倾向比1Cr18Ni9Ti不锈钢要大得多 特别是在根部打底焊道以及弧坑