薄不锈钢复合管焊接工艺及接头的抗腐蚀性能

薄不锈钢复合管焊接工艺及接头的抗腐蚀性能

0锈钢衬层焊接由中国航天科技集团四院41研究所开发的20.0ec18ni9复合管，主要用于油压机和腐蚀介质的输送。由于不锈钢衬层厚度只有0.5~1.0mm,焊接时存在一定困难。主要是焊接第1层时,如何保证其与18-8型不锈钢相同的抗腐蚀性能,如何保证在焊接过程中不产生冶金及工艺缺陷以及如何保证焊缝的单面焊双面成型等。目前对此类复合管焊接性的全面研究还未见报道,作者对此进行了工艺试验和研究,为此类复合管在工程上的应用打下了基础。120清除结晶中的和双相组织不锈钢内衬复合管的焊接,由于不锈钢衬层很薄,事实上不可能单独焊复层,第1层就是过渡层,且要求它的性能与OCr18Ni9基本一致。因此,对过渡层的成份、组织控制以及抗腐蚀性能等都提出了较严格的要求。过渡层焊缝要严格限制S,P以及Sn,Sb之类的杂质,同时要避免形成单相奥氏体组织,而应该使焊缝具有γ+δ双相组织。这种特征组织(δ铁素体位于枝晶主干部位)是以铁素体为先析出相,然后发生L+δ→γ包晶转变及δ→γ固态相变,但由于最先析出的铁素体富Cr而非常稳定,凝固结束后不再发生转变而以骨架状的树枝晶存在于结晶组织中,构成γ+δ双相组织。这种组织能有效提高焊缝抗晶间腐蚀和抗热裂纹性能,可以有效地清除单相γ组织的方向性而使奥氏体晶粒细化,并可显著减少晶间偏析。此外,要合理调整和控制焊缝的化学成份,特别是Cr的含量,根据Tomman理论n/8定律使Cr的含量控制在12.5%~25%之间,同时尽可能降低焊缝中的含碳量,以使焊缝金属与18-8钢的电极电位相接近,从而提高焊缝的抗腐蚀性能。2不锈钢焊丝tgs-133l和tig焊20/0Cr18Ni9复合管是内层0.5mm厚的OCr18Ni9不锈钢衬层和外层3mm厚的20钢复合钢管,理想的过渡层焊缝的组织是γ+5%~10%δ铁素体,复合管过渡层宜选择25-13型焊接材料,以补充母材对它的稀释。当焊缝稀释率小于30%时,采用25-13型焊材,根据Schaeffler图可确定过渡层焊缝为γ+5%~10%δ铁素体组织。又由于不锈钢衬层很薄,且要求单面焊双面成形。因此,选用日本神户制钢所的25-13型超低碳奥氏体不锈钢焊丝TGS-309L和TIG焊方法作为第1层(即过渡层)焊缝的焊接工艺(焊丝化学成分见表1),焊接时焊缝背面充氩保护。而第2层和第3层焊缝则选用与母材相对应的焊接材料,这里采用J427焊条,手工电弧焊方法。焊缝的坡口形式为V型,间隙2.0mm,钝边0.5mm(即衬层厚度),坡口角度为70°,焊接工艺参数见表2,TIG焊电源极性为直流正极性,手工电弧焊为直流反极性。3第1层焊缝蚀复合管焊接的关键问题是焊缝的抗腐蚀问题,而焊缝是否抗腐蚀取决于第1层焊缝。第2层和第3层焊缝为盖面层,由于基层是20钢,用J427焊的焊缝强度是够的。因此,主要对第1层焊缝进行研究分析,以检验所选焊接工艺的合理性。3.1点的cr、ni、mn含量分布取第1层焊缝的一段截面,用JSM-5800扫描电镜进行能谱成分点分析和能谱线扫描成分分析,检测部位见图1。对图1中的不锈钢母材1点和底层焊缝中心点2点进行能谱成份点分析,以对这两点的主要合金元素含量进行对比。经分析,1点的Cr含量为20.39%,Ni含量为7.85%,Mn含量为1.91%;2点的Cr含量为13.59%,Ni含量为5.14%,Mn含量为1.28%。从分析结果看,2点的Cr,Ni含量偏低,但Cr的含量已超过12.5%,根据Tomman理论的n/8定律,已达到与18-8钢同一电极电位区;由于焊接冶金的特点,焊缝点成分的分布有不均匀性,因此再用线扫描对焊接接头进行总体的成份分布分析,以检验成分分布的均匀性。线扫描结果见图2。图2a竖线为熔合线,其左、右分别为焊缝和不锈钢母材的元素含量分布。从线扫描结果可见,焊缝和熔合区中Cr,Ni,Mn的平均含量分布与0Cr18Ni9母材基本一致,这说明了焊缝从成分方面保证了其强度和抗腐蚀性能与不锈钢母材基本相同。3.2显微硬度检测取底层焊缝和OCr18Ni9不锈钢母材的热影响区(HAZ)做光学金相和显微硬度分析,金相组织见图3。图中从左到右依次为焊缝、HAZ和OCr18Ni9母材的金相组织。焊缝是γ+δ双相组织,其中黑色条虫状的组织是沿奥氏体晶界分布的δ铁素体,白色的是奥氏体基体;熔合区组织中,交互结晶区清晰可见。母材和焊缝的奥氏体晶粒形态有所区别,母材基本上是等轴晶粒,焊缝是柱状晶粒。这种金相组织保证了焊缝的抗裂性能和抗晶间腐蚀性能,应为理想的金相组织。沿图1线扫描部位进行显微硬度测量。测量点见图3,测量结果见图4。从图4可见,焊缝、HAZ、母材的硬度值相差不大。HAZ的硬度值介于焊缝和不锈钢母材之间,这是因为随钢种碳当量CE(IIW)的增加,HAZ最高硬度也随之增加,即淬硬倾向增加,而由于焊丝是超低碳,使过渡层极薄或没有过渡层的存在,从而使HAZ硬度降低,并与焊缝和母材硬度值接近。由于通过显微硬度可以反应材料的力学性能,可以看出,焊缝、HAZ和不锈钢母材的力学性能是基本一致的。3.3极化曲线测试电化学试验采用常规的三电极体系,参比电极为饱和甘汞电极,辅助电极为Pt片,电解质为3.5%NaCl溶液。采用TD3691型恒定电位仪,以5mV/s的扫描速率,从-500mV到+500mV外加等速上升的恒电位,测示电流的变化并进行电流、电位的数据采集,然后通过数据处理得到腐蚀电流密度随时间的变化曲线,即极化曲线。工作电极分别取图1中1点和2点所在的区域,工作电极表面积分别为3.1mm2和6.3mm2,由此可测得两条极化曲线。通过对两条极化曲线的特征值(即活化时间)进行对比分析来判断被测区的抗腐蚀能力的大小。两区的极化曲线见图5,其中图5a为1点所在区域的极化曲线,图5b为2点所在区域的极化曲线。由极化曲线可见,不锈钢母材和第1层焊缝都有钝化现象。而且第1层焊缝的活化时间要略小于不锈钢母材的活化时间,即第1层焊缝在腐蚀介质中要先于不锈钢母材停止腐蚀。因此,第1层焊缝的抗腐蚀性能完全达到了不锈钢母材的水平。4焊接接头性能(1)采用背部充氩保护的TIG焊作为20/0Cr18Ni9复合管第1层焊缝的工艺方法,可使焊缝背面成形良好,能