2010/10/9 10:30:02
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内容摘要:奥氏体不锈钢的焊接性能
奥氏体不锈钢的焊接性能主要是和焊缝金属中的气孔、焊接热裂纹及焊接接头的耐腐蚀性相关。
气孔是在铬-镍奥氏体不锈钢焊接中经常遇到的一种焊接缺陷。它不仅削弱焊缝的有效工作断面,降低焊缝的强度及韧性,而且也易在此处形成应力集中,对动载强度和疲劳强度不利,有时还会诱发裂纹。研究表明,铬-镍奥氏体不锈钢焊缝中的气孔主要是氢气孔。影响焊缝中气孔产生的因素有很多,水分和油污等分解而产生的氢是产生气孔的根本原因。因为钢中含C一般较低,且钢中含有大量对氧亲合力大的合金元素,所以,不会产生CO气孔。目前,在生产实践中,气孔还是影响焊缝工艺性的重要因素。
(1)焊条药皮中的水分含量对气孔形成的影响 熔滴及熔池中氢的主要来源是药皮中的水分,因而药皮中水分含量对气孔的形成有很大的影响。为了防止气孔的产生,在大多数情况下,要求焊条在使用前进行复烘以排掉一部分水分。图3-5所示是钛型不锈钢焊条药皮中原始含水量与气孔敏感性之间的关系,Ⅰ区和Ⅲ区表示对气孔不敏感,Ⅱ是气孔敏感区。从图中可以看出,当药皮中原始水分少于0.4%或大于1.6%时(质量分数),焊缝金属中气孔倾向性很小。然而,当水分太少时会因为药皮太干易开裂成块脱落,影响工艺性,因而不能使药皮过于干燥。药皮中原始水分太多时也会影响焊条的工艺性,因此也不能通过增加药皮中原始水分含量的方法来消除气孔。图3-5所示的规律可以作如下解释:焊接时氢在高温时溶入熔池,而在随后的结晶过程中,又由熔池中逸出,因此,氢气孔的形成取决于这两个过程进行的程度。当焊条药皮含水量很低时(<0.4%),熔滴和熔池中溶解的氢很少,熔池结晶后,少量的氢以不饱和或过饱和的状态存在于焊缝金属中,而不产生气孔;随着药皮中含水量的增大,熔池中溶解的氢增加,而在熔池结晶前氢有逸出,但不能完全逸出,因而,气泡可能滞留在焊缝金属中或是在焊缝金属内留下气泡逸出的痕迹,形成气孔;随着熔池中溶解的氢量的进一步增加(药皮中水分>1.2%),氢的溶解和氢的逸出这两个过程都会增强,氢的大量逸出会引起熔池的激烈沸腾,有利于熔池中氢的充分逸出,结果会使气孔得到消除。
(2)焊缝结晶模式对气孔的影响 不锈钢焊缝金属结晶模式不同,气孔敏感性大小也不同。当焊缝先以奥氏体相结晶时,气孔倾向要比先以铁素体相结晶时小。图3-6所示是Cr-Ni伪二元相图,从图中可以看出,合金系统的化学成分不同,则相变过程和结晶后的组织也不同。焊缝可能先结晶为δ相,然后发生部分δ→γ的相变,或者先结晶为γ相,然后发生部分γ→α的相变。焊缝究竟以哪一种模式结晶,可以用Cr
eq/Ni
eq来确定,铬当量Cr
eq和镍当量Ni
eq可以分别用下式表示:
Cr
eq=Cr%+1.37%Mo+1.5%Si+2%Nb+3%Ti (3-4)
Ni
eq=Ni%+0.81%Mn+22%C+14.2%N+Cu% (3-5)
当Cr
eq/Ni
eq<1.5时,是先奥氏体结晶模式(AFmode),当Cr
eq/Ni
eq>1.5时,是先铁素体结晶模式(FA mode)。当焊缝以AF模式结晶时,奥氏体是从母材的奥氏体晶粒上生长,铬和镍都在晶界处富集(图1-32b),在固液界面的液相中产生了由于共晶反反应而生成的δ铁素体。由于氢在奥氏体中的溶解度要比在铁素体中的溶解度大,此时大部分在结晶时从液相中析出的氢已被溶于奥氏体中,气体状态的氢数量很少。加之在结晶过程中固-液相之间的界面能比较高,树枝晶的二次晶轴不易生长,因此,气泡不易在此形核。当焊缝以FA模式结晶时,通过共晶反应或包晶反应生成的初晶δ铁素体,以树枝状结晶。由于固-液相之间的界面能低,树枝晶的二次晶轴容易生长,为气泡的形核提供了有利的条件。且在液相结晶时析出的氢只有一小部分溶于δ铁素体中,因而气泡容易形成。溶池的逸出条件差时,就会残留在焊缝中形成气孔。
(3)熔滴过渡模式对气孔的影响 焊条熔滴的过渡形态与过渡方式不仅直接影响到焊条的工艺性,而且对气孔的形成也有很大的影响。研究表明:细熔滴过渡时气孔倾向大,焊条的工艺性好;粗熔滴短路过渡时气孔倾向小,焊条工艺性差。这与电弧中熔滴吸收的氢量有关:细熔滴过渡时,熔滴的比表面积大,吸收的氢量多,从而带入熔池中的氢量也多,因此产生的气泡就多,容易形成气孔;粗熔滴过渡时,情况则相反,因此不易形成气孔。另外,促使熔滴粗化的组成物如氟石(通过在药皮中添加适量的氟石,在高温下分解与氢形成即使在高温下也非常稳定的HF是常用的去氢方法)含量多时气孔倾向小。有研究表明用双层药皮来防止焊缝中气孔的产生,取得了很好的效果。具体方法是将焊条的药皮分为内、外二层分别压涂,内层药皮采用熔滴细小,工艺性好但气孔敏感性大的配方,碱性很小;而外层则采用熔滴粗大,工艺性差但气孔敏感性小的配方,碱性稍大。试验结果表明,该种焊条既有较好的工艺性,气孔敏感性又小。但是由于该种焊条制作工艺复杂,因而限制了它在生产实践中的广泛应用。
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