奥氏体不锈钢304的TIG焊接
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奥氏体不锈钢板材的焊接工艺设计
奥氏体不锈钢304具有非常好的塑性和韧性,这决定了它具有良好的弯折、卷曲和冲压成型性,因而便于制成各种形状的构件、容器或管道。奥氏体不锈钢韧性、塑性好,焊接时不会发生淬火硬化,尽管其线膨胀系数比碳钢大得多,焊接过程中弹塑性应力应变量很大,却极少出现冷裂纹;尽管有很强的加工硬化能力,由于焊接接头不存在淬火硬化区,即使受焊接热影响而软化的区域,其抗拉强度仍然不低。
304钢的热胀冷缩特别大所带来的焊接性问题主要有两个:一是焊接热裂纹,这与奥氏体不锈钢的晶界特性和对某些微量杂质如硫、磷等敏感有关;二是焊接变形大。
1 焊前准备
基于以上的种种考虑,所采用的焊接设备、焊接评定用材料、试板坡口型式等如下。
1.1 焊接设备
设备选用日本产(OTC)P-300交直流氩弧焊机,焊接电源为直流陡降外特性,由2只流量计来控制正面和背面的保护气体。
1.2 焊接评定用材料
对厚度为4mm的304板进行焊接工艺试验。其化学成分和机械性能列于表1;填充金属用ER308L的焊丝,其化学成分和机械性能见表2;焊接用保护气体分析见表3。
表1 304化学成分(%)和机械性能
C S P Si Mn Cr Niσb
(Mpa)δs (%)
0.0390.0020.0180.44 1.2118.238.09 795
47.1表2 ER308L的化学成分(%)和机械性能
C S P Si Mn Cr Niσb
(Mpa)δs (%)
0.0160.0020.0230.430 1.8619.859.80 590 45表3 保护气体分析(L)
材料纯度 N2 O2 H2H2O露点
氩气>99.99%<100ppm<15ppm<5ppm<30ppm-50℃
1.3 试板坡口型式
由于焊接层数的增多,在焊接过程中会产生较大的变形和焊后收缩。因此,坡口尺寸的制定原则为尽量减少焊接层数和焊缝金属填充量。具体坡口型式见图1。
1.4 焊件和焊丝的清洗
坡口两侧各20mm范围内应打磨呈现金属光泽,以上范围内及坡口表面上的水、锈和油污等有害物质应清理干净;焊丝表面应清除油锈。
2 焊接工艺评定试板试验
对焊接工艺规范参数进行认真选择,是保证304板焊接质量的前提。影响因素主要有保护条件和焊接规范。
2.1 焊接保护效果
2.1.1 喷嘴流量选择
因喷嘴的气流直接对焊接熔池进行保护,所以它的保护效果是影响焊缝质量的重要因素。在焊枪结构固定后,涉及保护效果的主要有喷嘴距工件距离和喷嘴流量。喷嘴距工件距离增大会使空气侵入熔池的可能性增加,因此在不影响焊接可见度和方便填充焊丝的情况下,这个距离应尽量小,图2为焊丝与焊接熔池的相对位置。
2.1.2 喷嘴及背面保护气流的匹配
当正面焊第1道时,背面氩气如果很大,会对正面的保护有影响。因此,喷嘴、背面保护气流要有很好的匹配,背面的气流不能太大。
3.2 焊接规范参数选择
手工钨极氩弧焊焊接奥氏体不锈钢板,焊接规范参数主要考虑焊接电流和焊接速度。电流太小熔深浅,焊工操作疲劳。电流太大,高温停留时间长,焊缝晶粒粗大,热影响区保护变差;由于焊接时既要顾及板材背
板厚(mm)钨极直径(mm)焊丝直径(mm)氩气流量
(L·min
)焊接电流(直流正
接)
(A)
焊接电压(V)焊接速度(mm·min )
4
2.4 2.0 8~1090~120 16 200
面的保护效果,还要填充焊丝,因此焊速不能太快。
2.3 工艺评定试板的焊接
通过大量的工艺试验,确定了如下焊接工艺规范参数(表4),并进行了工艺评定试板的焊接。工艺评定试板焊接区颜色亮白,证明(氩气)保护效果良好。
表4 焊接工艺规范参数
单相奥氏体组织的奥氏体型不锈钢焊接接头易发生焊接热裂纹,这种裂纹是在高温状态下形成的。常见的裂纹形式有弧坑裂纹、热影响区裂纹、焊缝横向和纵向裂纹。就裂纹的物理质上讲,有凝固裂纹、液化裂纹和高温低塑性裂纹等多种。易产生焊接接头热裂纹的主要原因有以下几点:
1.1 焊接接头的热裂纹及其对策
1.1.1 焊接接头产生热裂纹的原因
1.1.1.1 焊缝金属凝固期间存在较大的拉应力,这是产生凝固裂纹的必要条件。因奥氏体型不锈钢的热导率小,线膨胀系数大,在焊接区降温(收缩)期焊接接头必然要承受较大的拉应力,这也促成各种类型热裂纹的产生。
1.1.1.2 方向性强的焊缝柱状晶组织的存在,有利于有害杂质的偏析及晶间液态夹层的形成。
1.1.1.3 奥氏体不锈钢的品种多,母材及焊缝的合金组成比较复杂。含镍量高的合金对硫和磷形成易熔共晶更为敏感,在某些钢中硅和铌等元素,也能形成有害的易熔晶间层。
1.1.2 避免奥氏体型不锈钢焊接热裂纹的途径
1.1.
2.1 冶金措施
1.1.
2.2 工艺措施
(1)焊缝金属中增添一定数量的铁素体组织,使焊缝成为奥氏体-铁素体双相组织,能很有效地防止焊缝热裂纹的产生。这是由于铁素体能够溶解较多的硫、磷等微量元素,使其在晶界上数量大大减少;同时由于奥氏体晶界上的低熔点杂质被铁素体分散和隔开,避免了低熔点杂质呈连续网状分布,从而阻碍热裂纹的扩展和延伸。常用以促成铁素体的元素有铬、钼、钒等。
(2)控制焊缝金属中的铬镍比,对于304型不锈钢来说,当焊接材料的铬镍比小于1.61时,就易产生热裂纹;而铬镍比达到2.3~3.2时,就可以防止热裂纹的产生。这一措施的实质也是保证有一定量的铁素体的存在。
(3)在焊缝金属中严格限制硼、硫、磷、硒等有害元素的含量,以防止热裂纹产生。对于不允许存在铁素体的纯奥氏体焊缝,可加入适当的锰和少许的碳、氮,同时减少硅的含量。
1.1.
2.2 工艺措施
(1)采用适当的焊接坡口或焊接方法,使母材金属在焊缝金属中所占的分量减少(即小的熔合比)。与此同时,在焊接材料的化学成分中加入抗裂元素,且其有害杂质硫、磷的含
量比母材金属中的少,即化学成分优于母材金属,故应尽量减少母材金属熔入焊接熔池的数量。
(2)尽量选用低氢型焊条和无氧焊剂,以防止热裂纹的产生。
(3)焊接参数应选用小的热输入量(即小电流快速焊)。在多层焊时,要等前一层焊缝冷却后再焊接次一层焊缝,层间温度不宜高,以避免焊缝过热。施焊过程中焊条不允许摆动,采用窄焊缝的操作技能。
(4)选择合理的焊接结构、焊接接头型式和焊接顺序,尽量减少焊接应力,可以减少热裂纹的产生。
(5)在焊接过程结束和中途断弧前,收弧要慢且要设法填满弧坑,以防止弧坑裂纹的形成。
1.2 焊接变形与收缩
奥氏体型不锈钢与碳钢相比,在物理性能上有很大差异,前者在焊接过程中会产生较大的变形和焊后收缩。304不锈钢焊后产生很大变形和收缩的原因:与碳钢相比,其电阻是碳
钢的5倍,在同样的焊接电流、电弧电压条件下的热输入量要多;其热导率低,约为碳钢的1/3,导致热量传递速度缓慢,热变形增大;再则304型不锈钢的线膨胀系数又比碳钢大40%左右,更引起加热时热膨胀量和冷却时收缩量的增加,当然焊后的变形量就显得更加突出了。焊接变形量的大小与焊接参数的选择、焊接次序的正确性、操作的合理性都有