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珠光体耐热钢焊接工艺

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文章出处:网责任编辑:作者:人气:-发表时间:2013-11-13 12:06:00

  一、珠光体耐热钢焊接特点及工艺要点

  (1)焊接特点

  珠光体耐热钢属于低合金钢,主要合金元素是铬、钼,还含有少量钨、钒、铌等元素,加热后在空气中冷却具有明显的淬硬倾向,焊接时在焊缝及热影响区易产生硬脆的马氏体组织,这不仅影响焊接接头的力学性能,还会产生很大的内应力,常导致焊缝和热影响区出现冷裂纹。硬化倾向还与下列因素有关:钢中碳、铬含量,构件厚度、刚性及焊件拘束度等。焊接时预热是防止冷裂纹的有效措施,焊件未预热或预热温度太低,工件冷却速度加快都会加重焊缝及热影响区硬化。

  (2)工艺要点及焊料选择

  ①焊接过程中,应保持焊件温度不低于预热温度(包括多层焊时的层间温度)。焊接过程中尽量避免中断,不得已中断时,应保证焊件缓慢冷却,重新施焊前仍需预热。

  ②焊件厚度较大时,可采用短道焊,使被焊的这一段焊缝在较短时间内重复加热,目的是为了使焊缝及热影响区缓慢冷却。

  ③焊缝正面的余高不宜太高。

  ④保持在自由状态下焊接。由于铬钼耐热钢裂纹倾向比较大,故在焊接时应严格遵守焊接程序,收缩量大的焊缝先焊,尽量减少拘束度。

  ⑤焊后缓冷。焊后缓冷是必须遵守原则,一般是焊后立即用石板布等保温材料覆盖在焊缝及近缝区,覆盖务必严实,确保缓冷。

  ⑥焊后热处理,防止延迟裂纹,消除应力,改善组织。对于厚壁容器及管道,焊后常进行高温回火。

  ⑦焊条选择,摘自钢制压力容器焊接规程JB/T4709-92、工业金属管道施工规范GB50236-1997
 

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  二、典型珠光体耐热钢的显微组织观察

  本实验所采用的珠光体耐热钢为2.25Cr-1Mo、12CrMoV(C=0.15%,M=0.6%,Cr=1.2%,Mo=0.3%,V=0.3%)等。

  显微组织观察是研究材料内部组织最重要的方法,用光学显微镜观察研究任何材料的显微组织,一般要分三个步骤进行:抛光所截取试样的截面,采用适当的腐蚀剂显示显微组织,用显微镜观察和分析试样的显微组织。

  采用气割或机械加工方法切下大块试样,取下的试样还要去除不必要的部分,之后进行试样的平整、磨光、抛光、浸蚀等一系列加工。试样用砂纸磨制后,除表面磨痕外还有一层变形的损伤层,最表层部分经受相当于冷轧量大于90%塑性变形,试样表面变形是不均匀的。因此,试样磨光时,每一道工序必须去除前一道工序造成的损伤层,同时,该道工序本身应造成最少的损伤,使下道工序易于进行。对磨光后的试样进行抛光处理,抛光的目的是要尽快把磨光工序留下来的损伤层除去,使抛光产生的损伤层不影响显微组织的观察。抛光最好分二步进行,先是粗抛,目的在于以最大抛光速率除去磨光时的损伤层;其次是精抛,目的是去粗抛所产生的表面损伤,抛光损伤减到最小程度。焊接接头进行抛光后,光滑的接头表面经过显示组织才能被清楚的看到,所以显示方法是制样过程中相当重要的一步,显示焊接金相的试样组织的方法有两种:一种是化学试剂显示法;另一种是用电解浸蚀剂显示。我们采用第一种方法。化学浸蚀的原理是:位于晶界上的原子排列的规律性较差,具有较高的自由能,所以晶界处受浸蚀深而成凹沟,金属原子的溶解大多是沿着原子排列最密的晶面进行,由于抛光面上每颗晶粒的原子排列的位相不同,所以每个晶粒的溶解速度不同,浸蚀后每个晶粒都以原子排列最密的面为表面,有些晶粒就相对与原来的抛光面倾斜了一定的角度,在垂直光线照射下,则显示出明暗不一的晶粒,由于晶粒与晶粒之间、晶粒与晶界之间溶解速度不同,所以组织就显示出来了。化学浸蚀前必须将试样冲洗干净,以防污垢、油膜存在,妨碍浸蚀作用,然后用夹子夹住试样,浸入浸蚀剂中,必须使磨面各部位同时地浸入浸蚀剂中,并不时摇动试样,以保证试样均匀浸蚀,或者用蘸有浸蚀剂的脱脂棉来擦拭试样的抛光面。完成了以上两个步骤后,就可以进入显微分析的第三步,即显微组织的观察。本试验中的显微组织观察是在光学金相显微镜上进行的。

  三、珠光体耐热钢焊接工艺分析

  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:

  1、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℃用氩弧焊打底和CO2气体保护焊时,可以降低预热温度或不预热。

  2、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。

  3、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加火脆性现象。

  四、珠光体耐热钢焊接再热裂纹的防治

  4.1焊缝成形

  由于焊缝成形影响应力集中的大小,再热裂纹易产生于应力集中的热影响区粗晶区,因而也影响再热裂纹的产生。焊缝与母材过渡不圆滑,焊缝余高过高或存在咬肉、未熔合、未焊透等缺陷,在焊后再热过程中均能诱发再热裂纹。因此焊接过程中应尽可能的控制焊缝成形,对成形不理想或存在缺陷的部位进行修补,以达到降低焊接应力的作用,从而控制再热裂纹的产生。

  4.2组装应力

  组装时采用强力组对等,都会使得焊缝处存在大的组装应力。焊后再热过程中,容易引发再热裂纹,因此组装珠光体耐热钢时要避免强力组装,以减少组装应力。

  4.3预热

  为防止再热裂纹的产生,焊前预热是十分有效的。预热可以降低残余应力,形成对裂纹不敏感的组织等。日本的焊接专家认为,预热可以提高热影响区粗晶区的强度。珠光体耐热钢焊前按要求进行预热,在很大程度上可以防止再热裂纹的产生。

  4.4焊后后热

  实验证明,珠光体耐热钢焊后进行150~200℃的后热处理,可以有效地消除焊缝中的扩散氢,从而减少焊缝中残存的空穴,有利于防止再热裂纹的产生。同时焊后后热可以使得焊缝晶界的有害杂质S、P等进行一步弥散,减少因S、P等杂质偏析而导致的再热裂纹。焊后在不太高的温度下进行等温处理,也可以产生类似预热的效果,这样还可以降低焊前的预热温度。

  4.5焊接线能量

  焊接线能量对再热裂纹的影响有两个方面。首先大的线能量可以有利于降低拘束应力,降低粗晶区的硬度,使得晶内的沉淀增多,减弱焊后加热时析出的强化程度,有利于减少再热裂纹的倾向。但另一方面,大的焊接线能量却使过热区的晶粒更加粗大,晶界结合力更加脆弱,从而增加了再热裂纹的倾向。因此,在焊接珠光体耐热钢时,对焊接线能量的选择,应考虑线能量对晶粒长大的敏感程度,对某些晶粒长大敏感的钢种,焊接时应选较小的线能量,反之,可适当选择较大的焊接线能量。

  4.6晶粒度

  焊接热影响区粗晶区的晶粒大小对再热裂纹的敏感性也有影响。晶粒度大,裂纹敏感性大;晶粒度小,晶界所占的面积就大,在其它条件均相同的情况下,晶界所能承受的蠕变变形量相对大,产生再热裂纹的倾向也就相应变小。

  焊接材料的选择通常有两种原则:一为“等成分原则”即选用焊接材料在化学成分上与母材相同;二为“等强度原则”即选用的焊接材料在化学成分上与母材成分相近,主要保证焊接接头的强度与母材相同。在进行珠光体耐热钢焊接时,一般采用“等强度原则”,甚至在使用条件允许的情况下,可以适当降低焊接接头的强度。实验证明,通过适当降低焊缝金属的强度,提高其塑性变形能力,从而降低焊接接头的应力集中程度,以降低再热裂纹的敏感性。仅仅焊缝表层采用低强度高塑性的焊接材料来盖面也是比较有效的。

  4.7合金元素的影响

  (1)碳由于碳化物的形成,碳在热裂纹中有着重要的作用。在Cr-Mo钢中,当含碳量由0.05%增至0.20%时,裂纹倾向明显增加。在含V量高的钢种中,碳的影响更大。

  (2)铬Cr的影响是两个方面的。当钢中的含Cr量<1.5%时,随着含Cr量的增加,裂纹倾向增大;当含Cr量>2.0%时,随含Cr量的增加,裂纹倾向逐渐减小。当然,Cr对再热裂纹的影响在很大程度上还取决于钢种中Mo与V的含量。

  (3)钼Mo能够降低蠕变塑性,增加裂纹。其作用是通过对相变特性的影响及碳化钼的析出而实现的。模拟热循环试样缺口应力试验,当Mo的含量为0.21%时,627℃断裂的时间为1300min,而Mo的含量为0.54%时,断裂时间降为2min,说明Mo含量的增加,提高了钢的再热裂纹的敏感性。

  (4)钒V通常与Cr、Mo等元素同时加入,在同时含有其它元素时,增加V是极其有害的。V含量为0.73%,钢材应力—断裂塑性最低。当V含量<0.15%时,随其含量的增加裂纹率明显增大。如V含量由0增至0.08%时,Y型坡口拘束试样的裂纹率由0增至95%。V的影响主要是形成V4C3的析出,使应力松驰率下降。

  (5)微量杂质元素从金属材料主要元素成分含量相同,而再热裂纹倾向相差很大的事实来看,微量杂质元素起着很大的作用。这是因为这些杂质元素在晶界偏析,促使晶界空穴形成,大大降低金属的蠕变性能。如降低断裂应力和断裂塑性。

  4.8重熔焊道

  在再热裂纹的预防上,焊后利用TIG对焊缝表面进行一次重熔,可以减少焊接接头的残余应力,因而也有利于减少再热裂纹的产生。

 

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