TiAl基合金与钢连接技术研究进展
摘 要:TiAl基合金具有质轻耐高温的特点,有可能代替Ni基高温合金在发动机中应用,这必然要求解决TiAl基合金与结构钢的连接技术问题.本文综述了以此为应用背景的TiAl基合金与钢连接技术的研究状况,主要涉及摩擦焊、扩散连接以及钎焊等方法,指出了这些方法的特点、最新进展及适用性.
关键词:TiAl基合金;钢;连接技术;研究进展
(李玉龙 何鹏 冯吉才)
Posts Tagged ‘ 电焊机品牌 ’
摘 要:TiAl基合金具有质轻耐高温的特点,有可能代替Ni基高温合金在发动机中应用,这必然要求解决TiAl基合金与结构钢的连接技术问题.本文综述了以此为应用背景的TiAl基合金与钢连接技术的研究状况,主要涉及摩擦焊、扩散连接以及钎焊等方法,指出了这些方法的特点、最新进展及适用性.
关键词:TiAl基合金;钢;连接技术;研究进展
(李玉龙 何鹏 冯吉才)
中国海运江苏造船基地 马上录
摘 要:本文介绍船体焊接中,使用气电立焊的焊前检查,焊中注意事项,常规故障的处理及立缝的焊接工艺。
关键词:船体气电立焊;焊接常见故障处理;焊接工艺
前 言
气电立焊是由普通熔化极气体保护焊和电渣焊发展而成的一种熔化极气体保护电弧焊接方法。其优点是:生产效率高,成本低。与窄间隙焊的主要区别在于一次成形,而不是多道多层焊。气电立焊的能量密度比电渣焊高且更加集中,焊接技术却基本相同。它利用类似于电渣焊所采用的水冷滑块挡住熔融的金属,使之强迫成形,以实现立向位置的焊接,通常采用外加单一气体(如CO2)或混合气体(如Ar+O2)作保护气体。在焊接电弧和熔滴过渡方面,气电立焊类似于普通熔化极气-渣联合保护焊(如FC-AW),而在焊缝成形上更加美观。
关键词: 磨料 水射流 切割 钢管 高压
高压水射流切割的原理是将水增至超高压100~400MPa,经节流小孔(φ0.15~φ0.4mm),使水压热能转变为射流动能(流速高达900mm/s)。用这种高速密集的水射流进行切割。磨料水射流切割则是再往水射流中混入磨料粒子,经混合管形成磨料射流进行切割。在磨料射流中,水射流作为载体使磨料粒子加速,由于磨料质量大、硬度高,磨料水射流较之水射流其射流动能更大,切割效能更强。磨料水射流切割设备的组成和流程如下:
供水系统:是将水质软化,使pH值达到6~8,并精滤到0.5μm以下。蓝宝石水喷嘴的工作寿命取决于水质,直接用自来水时寿命仅为34h,用软化水寿命为78h,用混合展软水寿命高于200h。
增压系统:增压系统是设备的关键部分,其核心是增压器。增压比一般选10:1~20:1。水在420MPa时将被压缩12%。为使水压稳定在±5%之内,需在增压器与喷嘴之间设置蓄压器。增压缸和蓄压缸都是超高压压力容器,因此要有足够的疲劳强度和工作寿命。
高压水路系统:高压水路连接增压系统和切割头装置。要采用超高压钢管和旋转接头,钢管要有挠性,各类接头要小巧、可靠、灵活,旋转接头要有多种旋向型式和一定的工作寿命。
磨料供给系统包括料仓、磨料、流量阀和输送管。料仓形状和料仓内的网筛要保证磨料供给通畅、不至堵塞。流量阀应能控制磨料流量的通断和大小,还应能排除输送管中的水分。
切割头装置:切割头包括高压水开关阀和宝石质嘴、水/磨料混合室和混合管。混合管是易损件。以前用硬质含金制造,精切割时使用寿命约2h,粗切割寿命约10h。现改用工程陶瓷材料寿命高达20~100h。
接收装置:置于切割头和工件的下方,用来收集切割剩余射流。具有消能、降噪、防溅和安全等功能。射流暴露会产生高达42dB(A)的噪声。设置接收装置后,使噪声被控制在80~90dB(A)以内。
运动控制系统:高压水射流切割是一种高精度的切割工艺方法,必须由高精度的切割设备来实现。目前的切割设备均是微机控制或由工业机器人操作,可实行五轴联动。重复精度可达±0.05mm。
高压磨料水射流切割无尘、无味、无毒、无火花、振动小、噪声低。尤其适合恶劣的工作环境和有防爆要求的危硷环境。它可以切割各种金属、非金属材料,各种硬、脆、韧性材料,如钛镍合金、陶瓷、玻璃、复合材料等。是目前世界上先进的切割工艺方法之一。
在化工生产中,经常要求在各种不同的条件下进行热量交换,换热为化工最基本的单元操作。换热器是化工厂中重要的化工设备之一,约占设备投资的20%~40%。换热器完好与否对化工生产影响巨大。我公司机修分厂每年需要制造和维修大批各种类型的换热器,以满足生产运行的需要。但在其制造及维修过程中时常会出现管板变形,造成密封面紧固不严的现象,使换热器无法正常运行,造成了一定的经济损失。后经分析研究,改进了加工工艺,较好地解决了管板焊接变形这一难题。
1.变形原因分析
焊接后密封面变形多为不规则的波浪状,一般偏差为1~3mm,最大偏差为5mm。产生这种变形的根本原因是构件在焊接过程中,温度分布极不均匀,焊缝处及焊缝的焊接侧为高温区域,冷却后产生的收缩量大,而低温区域收缩量小,这种不平衡导致了管板形状的改变,形状改变的大小与具体结构、焊缝的位置和焊缝本身的收缩量有关。
1.1管束焊接时热输入不均匀导致的变形在以往管束焊接的过程中,焊工操作时从一端向另一端顺序施焊,从而使管板局部受热严重,焊接区温度较高,待焊接区温度较低,这样由焊接引起的横向收缩变形和纵向收缩变形导致了管板的挠曲变形。
1.2管板与壳体焊接时引起的角变形管板与壳体焊接时,由于焊缝的横向收缩导致了角变形,其变形量与板厚、焊缝尺寸和焊接线能量等有关,这是使密封面变形的主要因素。
1.2.1当管板较薄、刚性比筒体小时,在横向收缩应力作用下,较容易产生角变形。1.2.2当对接间隙、坡口角度、焊角尺寸过大时,使得焊缝横截面积增大,所需焊接线能量也随之增高,焊接线能量增加后,受热点的热膨胀加剧,热膨胀的金属由于受到附近温度较低区金属阻碍面的挤压,产生压缩并发生塑性变形。同时由于焊接面的温度高于背面,焊接面产生的压缩塑性变形大于背面,有时背面甚至在弯矩作用下可能产生拉伸塑性变形,因此在冷却后会发生较大的角变形。
2.加工工艺的改进及控制要点
基于以上原因的分析,我们采取了以下的措施:
2.1减小坡口角度和熔敷金属量管板焊接时,在保证焊透及焊接强度的前提下,尽量减小坡口角度和熔敷金属量,以限制热量过多的输入。
2.2采用较小的焊接线能量来降低热输入在满足要求的前提下,工艺上尽量采用较小的焊接线能量,以降低热输入,这样可有效减小变形量。经过多次实践验证,在焊接低碳钢及合金钢时,管板与壳体的焊接所采用的工艺参数见表1,管束焊接时所采用的工艺参数见表2。在有条件的情况下,管束采用氩弧焊效果更好,因为其能量集中,热输入少,热影响区小,从而使变形的因素减少。
2.3使焊接顺序合理化焊接时,焊接顺序和焊接方向的不同,也会影响焊接应力的分布和大小,从而导致变形。在壳体与管板焊接时,无论是打底层、填充层还是盖面层都应对称施焊、分段焊,尽量使热量均匀输入,以使应力分散,变形减少;在管束焊接时应坚持对称施焊、分散焊的原则,并划分焊接区域,不论几个人施焊,都要严格按焊接顺序进行。
以我公司一直径¢800换热器的管板焊接为例(见图1),该换热器共有428根换热管,将其划分为8个焊接区域,按照1、5,3、7,2、6,4、8的顺序,由两人同时对称施焊,焊后管板的变形很小,达到了预期目的。若管板直径很大,可再多分些区域,并由两人或多人同时对称施焊。
3.结论
经过近一年的实践证明,采取以上措施后,换热器管板焊接变形明显减小,没有再出现密封面紧固不严的情况。说明采取这些改进措施对减少换热器管板的变形是行之有效的,在焊接过程中只要采取适当的措施,制定并严格执行焊接工艺纪律,加强对操作人员的管理,就可使变形降到最小,从而避免由于出现管板变形而难以紧固的现象。
轿车车身都采用金属构件和复盖件的分块组合。将各种预先制好的结构件,例如风窗立柱,门立柱、门上横、前后冀子板、前后围板、顶盖等零部件通过焊接和铆接的方式进行组合装配。其中焊接是汽车装配流水线上不可缺少的工序。
车身焊接主要有电阻电焊、缝焊、二氧化碳焊等方式。电阻电焊通过施加在点焊电极上的电流将零件的接触表面熔化,然后在压力作用下连接在一起,主要用于车身构件及车架的焊接。缝焊用滚轮电极代替电阻电焊的点焊电极,滚轮电极传递焊接电流和压力,其转动与零件的移动相互协调,产生连续的焊缝,主要用于密封性焊接或缝点焊工件,例如油箱。二氧化碳焊是一种电弧焊,即局部加热来熔化和连接零件而不需要施压的一种焊接方法,在电极与工件之间的电弧作为热源,同时施加二氧化碳遮住电弧和熔化区,使之与大气隔开,主要用于车身蒙皮的焊接。
根据不同的零件和要求,在汽车工业中采用了多样化的焊接技术,应用到的焊接技术还有闪光焊、电子束焊、电栓焊、脉冲焊、摩擦焊等等。近年,还出现了激光焊,并且发展得很快,我国生产的一些轿车车身焊接,也采用了激光焊接。
激光技术采用偏光镜反射激光产生的光束使其集中在聚焦装置中产生巨大能量的光束,如果焦点靠近工件,工仵就会在几毫秒内熔化和蒸发,这一效应可用于焊接工艺。激光焊接设备的关键是大功率激光器,主要有两大类,一类是固体激光器,又称Nd:YAG激光器。Nd(钕)是一种稀土族元素,YAG代表钇铝柘榴石,晶体结构与红宝石相似。Nd:YAG激光器波长为1.06μm,主要优点是产生的光束可以通过光纤传送,因此可以省去复杂的光束传送系统,适用于柔性制造系统或远程加工,通常用于焊接精度要求比较高的工件。汽车工业常用输出功率为3-4千瓦的Nd:YAG激光器。另一类是气体激光器,又称CO2激光器,分子气体作工作介质,产生平均为10.6μm的红外激光,可以连续工作并输出很高的功率,标准激光功率在2-5千瓦之间。
激光焊接的特点是被焊接工件变形极小,几乎没有连接间隙,焊接深度/宽度比高,因此焊接质量比传统焊接方法高。但是,如向保证激光焊接的质量,也就是激光焊接过程监测与质量控制是一个激光利用领域的重要内容,包括利用电感、电容、声波、光电等各种传感器,通过电子计算机处理,针对不同焊接对象和要求,实现诸如焊缝跟踪、缺陷检测、焊缝质量监测等项目,通过反馈控制调节焊接工艺参数,从而实现自动化激光焊接。
在激光焊接中,光束焦点位置是最关键的控制工艺参数之一,在一定激光功率和焊接速度下,只有焦点处于最佳位置范围内才能获得最大熔深和好的焊缝形状。在实际激光焊接中,为了避免和减少影响焦点位置稳定性的因素,需要专门的夹紧和设备技术,这种设备的精确程度与激光焊接的质量高低是相辅相成的。
汽车工业中,激光技术主要用于车身拼焊、焊接和零件焊接。激光拼焊是在车身设计制造中,根据车身不同的设计和性能要求,选择不同规格的钢板,通过激光截剪和拼装技术完成车身某一部位的制造,例如前档风玻璃框架、车门内板、车身底板、中立柱等。激光拼焊具有减少零件和模具数量、减少点焊数目、优化材料用量、降低零件重量、降低成本和提高尺寸精度等好处,目前已经被许多大汽车制造商和配件供应商所采用。激光焊接主要用于车身框架结构的焊接,例如顶盖与侧面车身的焊接,传统焊接方法的电阻点焊已经逐渐被激光焊接所代替。用激光焊接技术,工件连接之间的接合面宽度可以减少,既降低了板材使用量也提高了车体的刚度。激光焊接零部件,零件焊接部位几乎没有变形,焊接速度快,而且不需要焊后热处理,目前激光焊接零部件已经广泛采用,常见于变速器齿轮、气门挺杆、车门铰链等
mso-char-indent-count: 0; mso-char-indent-size: 0cm” align=center>
图9 GTA侧沿工件宽度方向电磁力径向分量比较
图10 GTA侧沿工件宽度方向电磁力轴向分量比较
从以上的比较结果可以看出,电弧压缩后所形成的电磁力分布出现了显著变化,电弧越压缩,所产生的电磁力对熔池流体流动所造成的影响也越大。
而且从上述图中可以看出,流经焊接试件的焊接电流主要集中在工件表面的熔池附近,这一点与其他研究者的研究结果也是一致的[2, 4]。
4 结 论
通过对常规单面等离子弧焊、PA-GTA双面电弧熔入焊和PA-GTA双面电弧小孔焊过程中工件上电磁力分布的数值计算,发现与常规单面等离子弧焊相比,双面电弧熔入焊过程中工件上电势绝对值增加了1倍,而双面电弧小孔焊过程中工件上的电势绝对值则增加了2倍,相应的电磁力也成倍地增加了。可见,双面电弧小孔焊过程中的电弧压缩程度更高,从而更大地提高了电弧的能量密度,增大了熔池中的电磁搅拌力,为增加焊缝熔深和改善焊缝组织性能提供了条件。
参考文献
1 M.Zhang, S.B.Zhang. Double-sided Arc Welding Increases Weld Joint Penetration [J]. Welding Journal, 1998, 77(6): 57-61.
2 高洪明. 双面电弧焊接熔池温度场与流场数值模拟及其机理探讨 [D]. 哈尔滨工业大学工学博士学位论文. 2001.
3 D. B. Spalding. A General Purpose Computer Program for Multi- Dimensional One-and-Two-Phase Flow [R]. Mathematics and Computers in Simulation XXIII, 1981: 267-276.
4 A. D. Brent, V. R. Voller and K. J. Reid. Enthalpy-Porosity Technique for Modeling Convection-Diffusion Phase Change: Application to the Melting of a Pure Metal [J]. Numerical Heat Transfer. 1988, 13: 297-318
摘 要:通过对钢执接触焊灰斑形貌特征的描述和灰斑生成机理的分析,介绍钢轨接触焊工艺中控制灰斑
产生的方法。
关键词:钢轨接触焊灰斑焊接工艺
铁路钢轨接触焊质量检查结果表明,灰斑已成为无缝线路钢轨焊接接头中最突出的缺陷。在落锤和静弯试验中,灰斑是主要的断裂源。目前,由于在各国焊轨生产中还没有行之有效的灰斑无损检测手段,也不能借助热处理来消除,因此,必须加强对其生成机理的研究,寻求在工艺上消除灰斑的办法。
1 灰斑形貌特征
灰斑缺陷主要出现在轨底和三角区部位,形状极不规则,常见的有长圆形和长条形,其中长条形的原貌仍是圆形,只是由于顶锻作用使阻力小的边拉长所致。在焊 接 接 头断口上,灰斑典型的颜色是浅灰色和深灰色,表面较周围基体平坦,有时表面上还有大量的反光亮点。颜色越暗,韧窝组织越多,属于硅酸盐夹杂型灰斑;灰斑颜色发亮则属于枝晶露头型灰斑,即空洞型灰斑;若反光亮度呈银白色,属氧化铁型灰斑。
硅酸盐夹杂型灰斑对小试样拉伸强度影响不大,强度只比母材下降5%;空洞型灰斑对拉伸强度影响较大;氧化铁型灰斑强度很低,一般出现时面积较大,静弯、落锤试验均不合格。
大多数灰斑属硅酸盐夹杂型,静弯试验易合格,但强度较难满足落锤试验要求。
2 灰斑产生机理
(1) 灰斑源于火坑残留物。接触焊的本质是液态金属过梁的爆破,爆破后过梁的两端各留下一个圆形的坑,称为火坑。如果爆破剧烈,出现的火坑则较大较深,随后该处即不参与后续闪光过程,而坑内硅锰铝三种元素的电机电位均高于铁,与侵人空气中的氧反应生成硅铝酸盐,由于硅铝酸盐熔点高,生成后呈固态,流动性差,易固结在融化面上,如果火坑比较深,硅锰铝在顶锻时不易排挤出而残留在坑内,从而生成硅酸盐夹杂型灰斑;如果坑中的硅锰铝来不及氧化,顶锻力不够大,则为枝晶露头型灰斑,其特征是,如果将闪光中断,可以见到接触焊两端密密麻麻大小对称的圆坑,因此焊接时要求闪光不能过于剧烈,且应细密而不中断。K系焊机(乌克兰焊机)和Z系焊机(瑞典焊机)都采用脉冲闪光技术,产生灰斑的几率较低。而G系焊机(瑞士焊机)采用电流反馈控制,在闪光过程中电流已经超出预设值,由于液压滞后的原因,出现持续12.2 s的大电流,易产生较多灰斑。
(2) 顶锻挤出方法的误区。当闪光焊末期的火坑较浅或火坑位于对接面的边缘时,一般认为可以靠顶锻把残留物挤出。在G型系列焊机上通过提高预热参数(提高预热电压,延长加热时间)等方法,用加大顶锻量的方法克服灰斑产生。采取措施后使轨端温度场梯度减少,但顶锻时徽粗量很大,加大了钢轨端面后的变形量,前端挤出效果反而差,出现顶锻前基底软,顶锻后灰斑面积大,流动感强的现象。经观察,灰斑呈长条形(边界为直线,无圆弧线),表面平坦,是呈银白色的氧化亚铁。因此,用加大顶锻量来减少灰斑的产生是一个误区。
(3) 钢轨母材的缺陷。灰斑的生成除与焊接工艺有关外,还取决于钢轨母材。如果钢轨断面上有疏松和夹杂,在闪光过程中,该区域的电阻值通常偏大,电流密度小,在烧化时不会产生闪光,会产生一个大的火坑,火坑中将有较多硅、锰、硫、铝元素,其化学性质比铁元素活跃,与氧或液态氧化亚铁发生反应生成复合硅酸盐,远远超过钢轨中的平均成分,留下灰斑。
3 Gaas80/580焊机减少灰斑方法
(1)预热阶段温度场的调节。在钢轨焊接闪光加热时,大部分热量的析出发生在钢轨的对接面上,通过热传导向后传,温度场梯度较大,但短路加热电流也很大,在两钳口之间的钢轨被加热,主要热量析出在钳口间的一段钢轨上,造成温度场梯度较小,对顶锻排挤减少灰斑不利。此时,应注意预热短路前的快闪时间,一般设置在is以下,不让其发生闪光,如这个时间不合适,应当将其设置在1.3 s左右,使其可以闪光,提高短路预热梯度。还有预热次数,对于合金轨,应适当增多。
(2) 烧化阶段参数匹配。烧化量、电压、电流和烧化极限速度4个参量,可先凭经验确定,试焊并经检验合格后,用小正交试验得出最佳匹配值,但对于加速烧化阶段的烧化量,由于此时闪光很激烈,应控制烧化量,使温度梯度的温度场过渡到顶锻阶段的时机比较合适。
(3) 顶锻工艺参数的控制。顶锻不是生成灰斑的原始因素,但却是减少灰斑的重要措施。增加顶锻过程中的前端挤出量,可将对接面的火坑排挤到钢轨轮廓线外。该阶段工艺参数的特点是:快速顶锻时位移量定得大一些,调节快速顶锻时间(顶锻阀开启时间),使之起限制作用,让它一般小于这个走行量,留有余量,以适应不同的加热状态,且前端的变形量可以大一些;在快速顶锻后,增加有电流的时间,由通常的1 s增加到1.5一2s,电压也可以升高,使前端热的金属进一步析出热量,增加前端的挤出量,以利于灰斑的排出。
4 结 语
通过对钢轨闪光焊接中灰斑生成机理的探讨,提出了调整焊接工艺参数减少灰斑的办法,并将其应用于U75V 和BNbRe钢轨焊接工艺中,取得了70%80%试样无灰斑产生的良好效果。
0 前言
中原油田第三气体处理厂改扩建工程是中原油田重点工程。工程中针对工作温度为(-40~-120℃)的工艺管道先用了0Cr18Ni10Ti(ASTM 321TP)奥氏体不锈钢。为保证装置的安全、平稳、长期运行,对该不锈钢的焊接行为进行了分析研究,并进行了工艺评定对比试验,确定了性能最优的焊接材料。
1 0Cr18Ni10Ti奥氏体不锈钢焊接行为
0Cr18Ni10Ti不锈钢属于奥氏体,其显微组织为A(奥氏体)+3%~5%δ-F(δ-铁素体),其焊接性良好,无淬硬性。但在实际时接中应注意如下问题。
1.1 抗晶间腐蚀性能差
奥氏体不锈钢在450~850℃加热时,会由于在晶界沉淀析出铬的碳化物,致使晶粒周边形成贫铬区,在腐蚀介质中即可沿晶粒边界发生所谓晶间腐蚀。
1.2 易形成热裂纹
奥氏体不锈钢导热系数小,线膨胀系数大,在焊接局部加热和冷却的条件下,接头在冷却过程中可形成较大的拉应力;另外奥氏体钢易于形成方向性强的柱状晶的焊缝组织,有利于有害杂质的偏析而促使形成晶间液态夹层,易于产生焊缝凝固裂纹。
1.3 焊缝成形不良
铬镍奥氏体不锈钢焊接时,由于焊缝中合金元素含量高,熔池流动性差,易造成焊缝表面成形不良。主要表现在根部焊道背面成形恶化及盖面焊道表面粗糙。焊缝表面成形不良对焊缝性能的影响在常温或高温工况下表现不明显,但在低温工况下,其成形不良所造成的应力集中对焊缝低温性能的影响不亚于焊缝内部质量的影响。
根据以上分析,为解决晶间腐蚀及凝因裂纹的问题,焊缝组织以A+δ相双相组织为宜。一般δ相数量为4%~12%比较适宜。
2 焊缝组织预测分析
根据奥氏体不锈钢焊接过程中的问题,应选择合适的焊接材料,使焊缝组织中有合适的δ相比例,确保焊缝的室温显微组织及低温机械性能。
舍夫勒(Schaeffler)图是估算δ相的常用方法,它以铬当量”Creq”及镍当量”Nieq”作为横纵坐标,其中:
Creq=Cr%+Mo%+1.5xSi%+0.5xNb%
Nieq=Ni%+30xC%+0.5xMn%+0.33xCu%
它反映了化学成分对组织的影响。因此借助于舍夫勒图,首先对备选取焊接材料的焊缝组织于行预测。
根据JB4708-92及GB50236-98推荐,0Cr18Ni10Ti手工电弧焊可以选择E347-16(A123)或E347-150(A137)焊条,钨极氩弧焊可以选择H0Cr18Ni10Ti或H00Cr2Ni10焊丝。推荐焊条、焊丝以及母材成分和相应的计算预测结果见表1~表2。
1、前言
随着火力发电站参数的不断提搞,奥氏体不锈纲在电站传统领域,如化学系统管道、热工仪表管、热交换器管等系统广泛应用的同时,还在锅炉高温过热器和高温再热器管中得到广泛应用,由此而引出的奥氏体不锈钢管的焊接问题,在电站设备安装和检修中是累见不鲜,人们往往由于对奥氏体不锈钢的认识不足,对其焊接性能不甚了解,造成一些焊接缺陷,导致具有寿命优势的奥氏体不锈钢管早期失效。
2、电站常用奥氏体不锈钢
奥氏体不锈钢是在铬含量为18%的铁素体型不锈钢中加入Ni、Mn、N等奥氏体形成元素而获得的钢种系列,在电站管道中常用的有18-8型(TP304)、18-12型(TP347、TP316)、25-20型(TP310)等。它之所以在电站管道应用较广,是因为奥氏体不锈钢具有优良的耐腐蚀性能,有比铁素体/珠光体钢更好的抗高温氧化性能,同时还有优良高温热强性能。
但由于奥氏体不锈钢的物理性能与低碳钢和低合金钢相比有很大差异,如奥氏体不锈钢的导热率只有低碳钢的三分之一,线膨胀系数比低碳钢高约50%,有晶间腐蚀倾向,成本高等,所以,奥氏体不锈钢在锅炉受热面管上未被大量使用,同时也因为这些不足,给焊接工作带来了一些不利影响。
3、奥氏体不锈钢的焊接性能
奥氏体不锈钢比其他不锈钢更容易焊接,不因温度变化发生相变,对氢脆不敏感,在焊态下奥氏体不锈钢接头也有较好的塑性和韧性。焊接的主要问题:易产生焊接热裂纹、脆化、晶间腐蚀、应力腐蚀、表面氧化,此外,因其导热性能差、线膨胀系数大,所以焊接应力和焊接变形较大。
3.1 焊接热裂纹
奥氏体不锈钢较一般结构钢易产生焊接热裂纹,焊缝的金相组织、化学成分和焊接应力是导致焊接接头产生热裂纹的主要原因。奥氏体稳定性好,对硫、磷等杂质敏感,且与一些极限溶解度小的元素,如铝、硅、钛、铌等,易形成低熔点共晶体,使金属的实际凝固点温度下降,从而増大结晶温度区间;奥氏体导热率低、线膨胀系数大,在焊接过程中易形成较大的焊接拉应力;单相奥氏体焊缝易形成方向性强的粗大柱状组织,有利于上述杂质和元素的偏析,从而形成连续的晶间液态夹层。这些因素表明单相奥氏体不锈钢焊接接头呈现较大的热裂纹敏感性。
合金成分和金相组织是产生热裂纹的“内因”,焊接应力是引起热裂纹的重要的“外因”,奥氏体钢导热率低,线膨胀系数大,在焊接热循环的作用下,焊缝在凝固过程中易形成较大的焊接内应力,为热裂纹的产生创造了力学条件。焊接工艺是产生热裂纹的另一个“外因”,为了避免焊缝枝晶粗大,以致增大偏析,应尽量采用小的热输入量、不预热、降低层间温度,另外,合理的坡口设计和焊接顺序、减少接头拘束力,都有利于降低焊接应力,防止焊接热裂纹。
3.2 晶间腐蚀
奥氏体不锈钢焊接接头晶间可能发生在焊缝区、熔合区,也可能发生在热影响区的敏化区(600~1000℃)。在焊缝区,多层多道焊的前一层焊接热影响区达到敏化温度的区域,在晶界容易析出铬的碳化物,形成贫铬的晶粒边界,若该区域正好露在焊缝表面,并与腐蚀介质接触,则会发生晶间腐蚀,防止焊缝区晶间腐蚀方法包括选用超低碳的焊接材料和含有Ti、Nb等稳定化元素的焊接材料,调整焊缝成分,使奥氏体焊缝中获得少量的δ相,利用δ相散布在奥氏体晶粒边界上来阻隔形成连续的贫铬层。热影响区的敏化区晶间腐蚀产生的原因也晶界容易析出铬的碳化物,形成贫铬的晶粒边界所致,可以通过采取低的焊接线能量,快速通过敏化温度区的方式来避免产生热影响区晶间腐蚀。熔合区的晶间腐蚀通常只发生在含有Ti、Nb合金的奥氏体不锈钢中,主要原因也是在晶界M23C6沉淀而形成贫铬层所致,可以采用超低碳焊材、小的焊接线能量来避免熔合区的晶间腐蚀。
3.3 应力腐蚀
奥氏体不锈钢焊接接头对应力腐蚀比较敏感,因为它的导热率小、线膨胀系数大,焊后存在较大的焊接残余应力,为应力腐蚀开裂创造了必要条件。减少焊接残余应力的影响,对电站不锈钢管道或构件而言,退火处理是不可取的,只能通过工艺手段加以控制,如采用窄坡口、小的线能量、控制层间温度、对称施焊等。
3.4 焊接接头的脆化
前面说过,为了避免镍含量较低(Ni<15%)的奥氏体不锈钢产生焊接热裂纹,通常希望通过选择焊材来使焊缝出现少量的δ相,当δ相较多时,就会出现脆化现象,这主要是由于焊缝中的δ相在高温下析出而脆化,为了确保焊缝的塑性和韧性,研究表明,长期在高温状态下工作的奥氏体不锈钢焊缝中所含的δ相的体积比应小于5%。
3.5 焊接接头表面氧化
奥氏体不锈钢接头中有多种合金元素,在焊接过程中,如果对熔池及高温成型区保护不好,将引起合金元素的氧化,铬等合金元素的氧化使焊缝表面出现贫铬区,加剧焊缝晶间腐蚀,由于表面合金氧化物很脆,运行过程中易脱落,严重影响表面成型,在应力的作用下很容易发生应力腐蚀。
4、奥氏体不锈钢焊接工艺
电站奥氏体不锈钢多用于壁厚一般不超过6mm的压力管道及管件,且焊口分散,在制订焊接工艺时,应同时考虑质量、实用性和经济因素。
4.1 焊接方法
手工钨极氩弧的氩气保护效果好,合金元素过渡系数高,焊缝成分易于控制,同时由于氩弧焊热量集中、热影响区窄,晶粒长大倾向小,加上良好的氩气冷却效果,焊缝成型好,可进行全位置焊接,氩弧焊对对口质量、环境要求较高,易于保证焊接质量,所以电站不锈钢压力管道对接焊口通常采用手工钨极氩弧焊;而对于厚度不等的插接式角接接头,为了保证熔合效果,通常采用热量不是特别集中、热影区稍大的手工电弧焊。
4.2 焊接材料选用
焊接材料通常根据奥氏体不锈钢材质、工作条件(温度和介质)、焊接方法来选择,原则上选用使焊缝金属成分与母材相同或相近的焊接材料,同时考虑以下因素:
4.2.1 由于焊缝含碳量对其耐腐蚀性能影响较大,因此,尽量选用含碳量较低的焊接材料,以确保熔敷金属的含碳量不高于母材。
4.2.2 对锅炉过热器、再热器管等工作在高温条件下的奥氏体不锈钢,在保证焊缝金属具有与母材化学成分相近的同时,选择含有钼、钨、锰等提高热强性和抗裂性合金的焊接材料。
4.2.3 对于化水系统输送盐酸、硫酸、盐类水溶液等酸性介质的奥氏体不锈钢管,选用焊接材料除了保证与母材相近的铬镍含量外,还应考虑含有适量的钼、铜元素,以提高焊缝的耐腐蚀性。
4.2.4 对于要求具有双相奥氏体组织的不锈钢焊缝,因含有一定量的铁素体,宜选用焊接工艺性能好的钛型或钛钙型药皮的焊条;对于要求具有单相奥氏体组织的不锈钢焊缝抗裂性能较差,宜选用碱性药皮的奥氏体钢焊条。
4.2.5 在电站热力设备中,珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢形成的异种钢接头比较常见,如锅炉受热面管、热工仪表取样测试管等,由于化学成分和金相组织差异,根据舍夫勒-德龙组织图,选择与任何一侧成分相近或介于两者之间的焊接材料焊接,均会在非奥氏体钢熔合线附近形成较宽的脆化过渡层(以马氏体组织为多),严重影响接头的抗裂性能,如果选用镍基合金为填充材料,由于大大提高了奥氏体形成元素镍的含量,将显著减小脆化过渡层的宽度,改善接头的抗裂性能。照片二是1Cr18Ni9Ti与2Cr1MoV钢采用ENiCrFe-1焊材焊接的异种钢接头2Cr1MoV钢侧熔合线附近的组织状态,未见马氏体组织。
照片一 照片二 照片三
4.3 焊接工艺要点
4.3.1 正确选择焊材直径
焊接材料的直径关系到焊接热输入量的大小,电站不锈钢管由于壁厚较小,通常电焊选用2.5mm直径的焊条,氩弧焊选用2.4mm直径的焊丝。
4.3.2 焊接参数的选择
正如前文所述,奥氏体不锈钢焊接线能量直接影响到接头的抗裂性能、耐腐蚀性能、焊接变形等,因此,电站不锈钢管焊接时,在保证完全焊透、完全熔合的情况下,尽量采用小电流、低电压(短弧焊)焊接,以减少热输量,改善接头性能,减少焊接变形。下表为电站奥氏体不锈钢焊接常用的手工电焊和TIG焊的焊接推荐参数。
焊材 推荐电流(A) 推荐弧长(mm) 焊接速度(cm/min) 氩气流量(L/min)
Ф2.5mm的焊条 60~80 2~3 15~20 /
Ф2.4mm的焊丝 100~130 1~3 10~15 7~10
4.3.3 工作场所的要求
电站现场施工环境较差,而奥氏体不锈钢焊缝受到油、锈、水、风、灰等外来因素的影响将使其耐蚀性和强度变差,所以,焊前必须对焊接区及附近表面进性彻底清理,室外焊接采取必要的防风挡雨措施,炉内焊接必须吹扫周围灰尘,氩弧焊焊丝表面清理无污物,层间彻底清渣。
4.3.4施焊要求
选用电弧焊时,焊条必须烘干并存放在保温桶内备用。
焊接过程中,采用直线运条,不作横向摆动,大直径管道采用双人对称施焊;多层焊接时,层间温度不宜过高,可待冷至60℃以下清渣后再进行焊接,层间接头错开,收弧一定要填满。
4.3.5 充氩保护
电站压力管道对接焊缝均要求进行氩弧焊打底,如果内壁不进行充氩保护,将使焊缝内表面的铬等合金元素氧化,影响接头质量,照片三是未充氩保护接头根部的氧化层组织形态。管道内部充氩保护通常有两种方法,一是置换充氩,它是将管子两端封堵或在距焊接部位一定距离用水溶纸封堵(介质为汽/水的管道),用氩气将管内空气完成置换出来,这种方法主要用于小直径管和短管;另一种是背充保护,它是利用一根压扁的小管从对口间隙中伸到焊接部位的背面、以略小于正常氩弧焊的氩气流量,游动跟踪保护,这种方法主要用于直径较大的管子对接焊口。
5、结束语
由于奥氏体不锈钢焊接时易出现裂纹或诱发裂纹的组织缺陷,加上奥氏体不锈钢导热性能差、膨胀系数大、熔池的流动性差等不利于焊接的因素,因此,要求焊接奥氏体不锈钢的焊工进行专门培训考试,取得相应合格证方可上岗。有了技术熟练的焊工,采用适应性较强的手工电弧焊和手工钨极氩弧焊,选择合适的焊接材料和工艺参数,就可以保证电站奥氏体不锈钢管及管件的焊接质量,保证了焊接质量,奥氏体不锈钢的寿命优势就能得到充分发挥。
2005年4月
参考文献:
1、 吉林工业大学 周振丰 金属熔焊原理及工艺 1981年
2、 陈祝年 焊接工程师手册 2002年1月
3、 Welding ,NDT&Heat Treatment Procedures (For Huaneng Fuzhou Phase Ⅱ 2×350MW Power Station,11/1997)