异种钢焊接性能分析与研究

异种钢焊接性能分析与研究

摘要:奥氏体型不锈钢与低合金钢在化学成分和物理性能方面有很大的差异,特别是中厚板异种钢的焊接拘束力大、冷裂倾向大,为了获得一个满意的焊接接头,必须对两种钢的化学成分、力学性能、物理性能、组织和形成的焊接接头可能出现的问题进行对比分析,来确定合理的焊接工艺。

关键词:异种钢焊接焊接工艺厚板坡口堆焊

为了分析研究异种钢焊接工艺,并通过焊接工艺评定试验证实该焊接工艺的正确性,为现场施焊提供了可靠的数据,以某公司粗甲醇收集器的制造为例进行分析研究。该设备设计压力为8.3MPa,工作温度为40℃,最低设计金属壁温为-18.4℃,筒体主材为16MnR+00Cr19Ni10复合板,厚度(62+3)mm,设备筒体基层在与00Cr19Ni10Ⅲ材料的接管锻件焊后超探发现焊缝熔合区裂纹,深度集中在20mm～40mm焊缝厚度范围之内。

1 异种钢焊接主要存在的问题

1.1 熔点的差异

如果相焊的两种金属熔点相差很大,接头性能难以得到保证,16MnR熔点1430℃,00Cr19Ni10熔点1398℃～1420℃,两种金属熔点相差不是很大,一般能获得一个满意的焊接接头。

1.2 线膨胀系数差异

由于低合金钢与奥氏体型不锈钢两种金属线膨胀系数相差很大,产生的应力容易使焊缝热影响区产生裂纹。

1.3 热导率的差异

一般低合金钢的热导率为0.288～0.504W/cm·℃,不锈钢的热导率为0.168～0.336W/cm·℃,低合金钢随温度的增加,热导率是下降的,不锈钢随温度的增加,热导率是上升的,所以热导率的不同可使被焊材料熔化不同步,导致金属之间结合不良。

1.4 形成脆性的化合物

异种钢焊接时由于在焊接热循环的作用下可能会形成某些金属的脆性化合物,这种化合物会降低焊缝的塑性和韧性,在热胀冷缩的环境下,可能使焊接接头发生脆性断裂。

2 异种钢焊接性分析

预热、缓冷、焊后热处理,特别是针对中厚板、拘束力较大的焊接,采用一定温度的预热、缓冷以及焊后消应力热处理的措施,可以有效地减小焊接应力,降低冷裂倾向。

焊缝金属化学成分的不均匀,熔焊时,焊缝是由局部熔化的母材和

熔化的焊条金属形成,不同的坡口型式和焊接参数,熔合比也不同,为确保焊缝金属成分的稳定性,防止焊缝因熔合比过大在熔合区产生马氏体组织,因此在焊接时要控制焊接参数等,减小熔合比的影响。

熔合区碳的迁移,异种钢焊接在焊后热处理后往往会在低合金钢侧母材上形成脱碳层,高合金钢侧形成增碳层,导致熔合区接头的塑性下降,硬度增加,可能在熔合区产生破坏,所以在异种钢焊接时,采用隔离层堆焊,防止碳迁移现象。

熔合区应力的形成,由于异种钢焊接两种金属的线膨胀系数不一样,焊接时可产生较大的残余应力,这种应力即使通过消应力热处理也无法消除,而熔合区这个薄弱地带往往受到这个应力的影响,极易在此附近造成焊接接头的破坏,所以我们要控制这种异种钢的焊接接头,可采用隔离层堆焊后用同种钢焊条焊接则接头的性能可大为改善。

3 焊接工艺的制定

在设备筒体上用火焰割刀开坡口。

用砂轮机将坡口打磨干净光滑,并对坡口表面做100%PT,符合JB/T4730.5-2005,I级合格。

用电加热带或火焰对坡口200mm范围内预热至150℃,达到规定温度后进行坡口堆焊。

采用A302,φ3.2mm小直径焊条,小电流,多层多道堆焊坡口,减小熔合比和焊缝的稀释率,堆焊3层,厚度至少8mm,堆焊完毕后打磨坡口,清除有害熔渣(焊接工艺参数见:表1)。

坡口表面作100%PT,符合JB/T4730.5-2005,I级合格后作100%UT,符合JB/T4730.3-2005,I级合格。用电加热带对堆焊坡口进行620±20℃,保温2.5h消应力热处理。热处理后100%PT,符合JB/T4730.5-2005,I 级合格后作100%UT,符合JB/T4730.3-2005,I级合格。

组对接管与筒体D类焊缝,保证装配间隙尺寸,然后用同种钢A002焊条先焊内侧焊缝,内侧焊接完毕后外侧气刨清根,彻底打磨掉渗碳层后作100%PT,符合JB/T4730.5-2005,I级合格后进行外侧的焊接,焊接完毕后将焊缝打磨圆滑(具体焊接工艺参数见:表1)。

焊后内外100%PT,符合JB/T4730.5-2005,I级合格后100%UT,符合JB/T4730.3-2005,I级合格。

4 焊接操作要点

焊条焊接时不允许焊条作横向的摆动,多层多道焊,堆焊前一定要预热到规定的温度,中间停止焊接需重新预热,A302焊条焊接时控制层间温度在150℃左右,坡口至少堆焊3层,堆焊时尽量采用小线能量焊接,减少碳的迁移和熔合比,保证焊缝成分的均匀性,A002焊条焊接

时控制层间温度70℃左右,减少高温停留的时间,提高耐腐蚀性能,每道焊缝焊接结束后及时清除熔渣,防止产生夹渣等缺陷。

5 焊接工艺评定试验

为验证该焊接工艺的正确性,确保焊接接头能达到理想中的使用要求,按照JB/T4708-2000制定焊接工艺评定试验方案,试板采用δ=42mm的16MnR板材坡口堆焊A302后与00Cr19Ni10Ⅲ锻件相焊(坡口尺寸如图2),按照拟定的焊接工艺施焊,焊接完毕后经100%RT检测,符合JB/T4730.2-2005,I级合格,焊接接头经拉伸、弯曲、冲击力学性能试验,完全符合相关标准要求。

6 结语

虽然异种钢焊接难度较大,需要解决的问题较多,但我们只要了解其焊接性能,分析可能产生缺陷的因素,选择合理的焊接方法和焊接材料,制定合理的焊接工艺,还是能获得理想、优质的异种钢焊接接头。

参考文献

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