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不锈钢焊接的主要问题及防治措施

发布者:魏连峰,王 群| 发布于:2016-06-08

  核电工程基本上都采用奥氏体不锈钢作为覆面材料,由于奥氏体不锈钢含有较高的铬,可形成致密的氧化膜,所以具有良好的耐蚀性。当含C r18%,含N i8%时,即可获得单一的奥氏体组织,故奥氏体不锈钢具有良好的耐蚀性、塑性、高温性能和焊接性能。但在不同工况条件下,奥氏体不锈钢焊接接头往往面临着一些特殊的问题,易造成包括晶间腐蚀、应力腐蚀、刀蚀、焊接热裂纹、α相脆变等施工缺陷。

焊接接头的腐蚀性分析

  焊接接头的晶间腐蚀

  晶间腐蚀是奥氏体不锈钢最主要的腐蚀问题之一,一旦产生晶间腐蚀,严重时其强度几乎丧失,施加一定应力就会产生沿晶断裂。导致奥氏体不锈钢焊接接头发生晶间腐蚀的原因主要是由于碳化铬析出引起的。奥氏体不锈钢在500~800 ℃温度区间进行敏化处理时,过饱和固溶的碳向晶粒间界扩散比铬的扩散速度较快,在晶界附近与铬结合成(Cr,Fe)23C6的碳化物,并在晶界沉淀析出,形成了晶粒边界附近的贫铬现象,当该区域的铬含量降低到钝化所需的极限含量(W(C r)12.5%)以下时,就会加速该区域的腐蚀,形成晶间腐蚀。热影响区敏化温度区的晶间腐蚀发生在热影响区中加热峰值温度在600~1 000 ℃范围的区域,产生晶间腐蚀的原因仍是奥氏体晶界析出碳化铬所致。减少和防止晶间腐蚀的主要防治措施包括:

  ①采取小规范(小电流、大焊速)、多道焊等工艺措施;

  ②尽量降低母材、焊材中碳元素的含,采用C含量小于0.03%的焊材;

  ③使焊缝由单一的奥氏体相改变为奥氏体加铁素体双相,C r在铁素体中扩散速度比在奥氏体中快,因此,铬在铁素体中较快地扩散到晶界,减轻了奥氏体晶界贫铬现象;④在钢材和焊接材料中加入T i、N b等与碳的亲和力比铬强的元素,能够与碳结合成稳定的化合物,从而避免在奥氏体晶界造成贫铬。

  焊接接头的应力腐蚀

  不锈钢的应力腐蚀开裂是危害性最大的腐蚀行为,开裂时没有任何变形,事故往往是突发性的,后果严重。不锈钢在使用条件下产生应力腐蚀开裂的影响因素很多,包括钢的成分、组织和状态、介质的种类、温度、浓度、应力性质、大小及结构特点等。

  减少和防止应力腐蚀的措施主要有:

  ①避免强力组装、机械撞伤和电弧烧伤,减小冷作变形和应力;

  ②严格控制介质与环境中的杂质(特别是氯化物、氟化物等);

  ③合理选材(母材、焊材):避免晶粒粗化及硬化的马氏体组织;

  ④焊缝成形良好,不产生任何应力集中(如咬边等);

  ⑤合理安排焊接顺序,降低应力;

  ⑥防腐处理:涂层、衬里或阴极保护等位置添加缓蚀剂。

  焊接接头的热裂纹敏感性分析

  奥氏体不锈钢的热裂纹主要是结晶裂纹,是在焊缝金属液态金属凝固过程中产生的,此时熔点共晶存在一次晶,主要是树枝晶之间。其产生原因主要有以下3个方面:

  ① S、P、C等与Ni形成低熔点共晶(如NiS+Ni的熔点为644 ℃),弱化晶界强度;

  ② 奥氏体不锈钢液相线与固相线距离大,结晶时间长,枝晶方向性强,易产生杂质元素的偏析;

  ③钢导热系数小,线膨胀系数大,易产生应力。防治焊接热裂纹的主要措施包括:

  ①严格控制母材和焊材有害制母材和焊材有害杂质硫、磷的含量;

  ②焊缝中产生有5%左右铁素体的双相组织,打乱奥氏体柱状晶的方向;③工艺上的措施:采用碱性焊条、小规范(小电流、快速焊),防止产生热裂纹。

  焊接接头的铁素体含量的控制

  奥氏体钢焊缝金属中铁素体含量的多少,不仅关系到α(σ)相脆变的生成和热强性,还直接影响着接头的抗热裂性。工件经受一定时间高温加热后,会析出σ脆性相,加热时间越长,高温停留时间越长,析出越多,将严重影响接头的力学性能。从抗热裂性出发,要求焊缝金属内含有一定量的铁素体,但从α相脆变和热强性来考虑,要求铁素体含量越低越好。因此,对于高温强度要求较高的焊接接头,必须严格控制铁素体含量,在某些场合下,必须采用奥氏体的焊缝金属。

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