低合金鋼與上海不銹鋼管焊接時,因稀釋反應、組織變化、內應力等,降低了焊接接頭質量。通過試驗對異種金屬焊接接頭力學性能和金相組織進行分析和驗證,總結工藝上所存在的問題以及長時間熱處理對此類焊接接頭的影響。

1試驗背景

高壓加熱器由殼體和管系兩大部分組成,特殊的結構要求導致了在生產過程中不可避免地產生異種鋼之間的焊接,高壓加熱器封頭如圖1所示。

高壓加熱器管板材料為SA-516Gr70,換熱管材料為SA-688TP304L,為了獲得較好的上海不銹鋼管-管端焊接接頭,在管板上堆焊了上海不銹鋼管,堆焊焊接材料為E309L-16+E308L-16。管板堆焊層除了要與換熱管焊接外,還要與水室封頭隔板焊接,水室封頭隔板材料為SA-516Gr65,因低合金鋼和不銹鋼在力學性能、物理因素、焊接冶金等方面存在差異,故選擇合理的焊接材料和焊接工藝參數是獲得優質焊接接頭的保證。

2試驗內容

21焊接方法

珠光體鋼與上海不銹鋼管焊接時,常規的焊條電弧焊和氣體保護焊都可采用。選擇焊接方法除考慮生產條件和效率外,還應考慮選擇熔合比小的焊接方法,保證良好的工藝性能。故本文采用鎢極氬弧焊打底和焊條電弧焊組合的方法進行試驗。

22焊接材料

異種金屬焊接接頭的焊縫及熔合區的組織和性能主要取決于焊接材料。SA-516Gr65鋼、堆焊層和選用焊接材料的化學成分列于表1。根據焊接性分析,選擇焊接材料時要著重考慮以下因素:

(1)分析SA-516Gr65對焊縫的稀釋作用。焊縫中易出現脆性馬氏體組織,合理的焊縫金屬合金系組分能降低焊縫中馬氏體組織形成的可能和減小馬氏體脆性層的寬度,增加穩定奧氏體組織的元素數量。

(2)抑制熔合區碳的擴散。

(3)控制焊接接頭的應力分布。

防止外在拘束條件下的焊縫產生冷、熱裂紋。

23焊接工藝

為改善焊縫金屬被稀釋以及碳擴散的問題,應減小焊條或焊絲直徑,采用大坡口、小電流、快速多層焊等工藝。由于焊接接頭兩側母材的線膨脹系數不同,可借助適當的系統設計和焊接接頭布置以改變應力分布。長焊縫應分段跳焊。

24焊接工藝評定試驗

試驗采用規格為500 mm×150 mm×25 mm的試板,試板開單面V形坡口,角度為60°,鈍邊為(1+0.5)mm,坡口示意圖見圖2。焊接試板的順序依次為:堆焊隔離層→熱處理(615±15)℃×8 h→坡口對接(手工氬弧焊打底,焊條電弧焊蓋面)。具體焊接工藝參數見表2。

3焊接性分析

31熔合區的熱應力

堆焊層的焊縫金屬:首先堆焊一層E309L-16的過渡層,然后堆焊E308L-16,最終厚度打磨至6 mm,則堆焊層成為含Ni量較高的奧氏體不銹鋼。熱導率小而線膨脹系數大,在焊接局部加熱和冷卻的條件下,熔合線區存在較大的熱應力,并在焊縫分界面上造成應力集中。焊縫和近縫區易產生熱裂紋,同時應力集中還能引起優先氧化問題,在靠熔合線合金元素量低的一邊產生氧化缺口。

32稀釋反應

由于金屬成分相差懸殊,SA-516Gr65只含有少量的合金元素,根據杠桿定律及舍夫勒組織圖,當熔合比一定時,用188型焊接材料,焊縫金屬因受到珠光體母材的稀釋作用,導致熔池邊緣液態金屬溫度低,流動性差,因此過渡區易產生馬氏體組織,從而增大焊接接頭脆性,甚至產生裂紋。采用2520型焊接材料時,可避免產生馬氏體組織,但又有可能使焊縫形成單相奧氏體組織,從而降低抗熱裂紋性能。

33熔合線區的碳擴散反應

由于管板堆焊層的成分是少量鐵素體+奧氏體,焊接時熔合線區的合金元素要進行重新再分配。碳元素從低合金母材一側通過熔合區向奧氏體焊縫遷移,在珠光體母材一側形成強度很低的脫碳層,在奧氏體一側形成脆而硬的游離碳化鉻的增碳層。高溫下長時間加熱時,母材脫碳層由于碳元素的減少,珠光體組織將轉變為鐵素體組織而軟化,同時促使脫碳層處晶粒長大,沿熔合區生成粗晶粒層,導致脆化。隨著熱輸入的增加,增碳層和脫碳層的寬度也在增加。使熔合區成為異種鋼接頭的最薄弱部位,危害性比稀釋反應更嚴重。

4焊接接頭力學性能及組織分析

41拉伸試驗

ASME IXJB4708分別取樣,抗拉強度值依次為560、535、540535 MPa,均高于強度較低母材的標準抗拉強度。

42側彎試驗

焊縫的橫向上取4片側彎試樣,包含焊縫全橫截面。按照標準GB/T232-1999進行試驗,彎心直徑4a,彎曲角度為180°。由圖3看到,側彎全部斷裂于堆焊層焊接接頭上,并且首先由先焊面開裂。這是因為打底焊時熔合比較高,熔合區內產生了脆硬性的馬氏體組織。更重要的是堆焊后進行的8 h熱處理過程中,σ硬化相及碳化物析出,導致整個焊接接頭脆化傾向增加。

異種鋼接頭在350750℃范圍內碳遷移強度呈現遞增趨勢,表現為脫碳層的鐵素體化、強度和韌性降低,晶粒長大;而奧氏體不銹鋼焊縫金屬一側則由于增碳析出鉻的碳化物使之變得脆硬。

43夏比沖擊試驗

按標準取6組夏比沖擊試樣,并按照GB/T 229-2007-10℃進行沖擊試驗。試驗結果見表3,沖擊值滿足相應標準和產品的要求。

44焊接接頭金相檢查和顯微硬度測定

取接頭局部進行了光學金相顯微組織分析,如圖4所示。

焊縫為典型的A+F組織,對比圖4a和圖4b,SA-516Gr65側熔合線處過渡均勻,組織為奧氏體和鐵素體;堆焊層-母材側熔合線為一條有一定寬度的光亮帶,其顯微硬度值高達478、446466 HV,說明有脆硬相的析出。圖5為焊接接頭各區硬度值,由圖5看出,堆焊層熔合線與兩側硬度值差異很大,這也解釋了側彎在此處開裂的原因。

5結論

(1)分析了異種鋼焊接特點及焊接材料選用原則,選擇合適的焊接材料和焊接工藝,能得到比較理想的焊接接頭。

(2)堆焊層熱處理后產生脆硬相導致側彎開裂,說明E309L型焊接材料在此類焊接接頭中不適于進行長時間焊后熱處理以及高溫運行部件的焊接。