史上最全焊接材料选用知识(下)|存干货

发表于 讨论求助 2018-10-08 09:19:13


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(四)铬钼珠光体耐热钢的焊条选用

1、对耐热钢的认识:

在高温下能够保持化学稳定性(耐腐蚀、不起皮)叫做热稳定性;在高温下具有足够的强度叫做热强性。具有热稳定性和热强性的钢称为耐热钢。

●耐热钢的分类:

(1)低合金耐热钢:

合金元素总含量5%以下。供货状态为退火、或正火+回火。组织主要为珠光体+铁素体,所以也称珠光体耐热钢。以Cr、Mo为主要元素的珠光体耐热钢称为铬钼珠光体耐热钢。

■如:12CrMo、15CrMo、12Cr1MoV等。

(2)中合金耐热钢:

合金元素总含量6-12%,以Cr为主,含Mo0.5-1%。供货状态主要为退火、或正火+回火。也有以调质状态供货。退火状态下的组织为铁素体+碳化物;正火+回火状态下的组织为铁素体+贝氏体。合金元素总含量大于10%以上的耐热钢组织为马氏体。

■如:5Cr-0.5Mo、7Cr-0.5Mo、9Cr-1Mo-V等。

(3)高合金耐热钢:

合金元素总含量大于13%,以Cr或Cr-Ni为主。组织为马氏体、铁素体和奥氏体三种。

■如0Cr13Al(铁素体)、1Cr13(马氏体)、1Cr18Ni9Ti(奥氏体)。

●耐热钢的高温性能:

(1)抗蠕变性能。

蠕变:金属在一定温度和一定应力作用下随着时间的增加,慢慢发生塑性变形的现象

碳钢工作温度超过300-350℃,合金钢的工作温度高于400 ℃,都会发生蠕变。

(2)高温持久强度:金属材料在高温、长期应力作用下抵抗断裂的能力。

(3)蠕变脆性(钢的持久塑性):在温度、应力和时间三者联合作用下所产生的脆性倾向。

(4)高温抗氧化能力。

2、对耐热钢焊接接头性能的基本要求:

(1)接头的等强度和等塑性:不仅要有与母材基本相等的常温和高温短时强度,而且更重要的应具有与母材相当的高温持久强度,同时还应具有与母材相近的塑性变形能力。

(2)接头的抗氢性和抗氧化性:具有与母材基本相同的抗氢性和抗高温氧化性。为此要求焊缝金属的合金成分应与母材基本相同。

(3)接头的组织稳定性:要求接头各区的组织不应产生明显的变化及由此引起的脆变或软化。

(4)接头的抗脆断性:焊接接头应能承受1.5倍工作压力的压力试验,和高温高压设备投运或检修后的冷起动过程。

(5)低合金耐热钢接头的物理均一性:低合金耐热钢焊接接头具有与母材基本相同的物理性能,防止接头材料的热膨胀系数和导热率的差别造成过大的热应力,对接头的提前失效产生不利影响。

★奥氏体耐热钢与奥氏体不锈钢具有基本相同的焊接特点,其焊条选用原则将在后面的奥氏体不锈钢一章中一并介绍。

3、铬钼珠光体耐热钢的焊接特点:

●铬钼珠光体耐热钢的基本合金元素是Cr和Mo,有的还含有V、W、Si、Ti、B等。

●焊接时存在的主要问题是:

(1)热影响区的脆化(淬硬性):在冷却速度较大的情况下,接近熔合线的粗晶区容易形成淬硬的马氏体组织。主要合金元素Cr和Mo能显著地提高钢的淬硬性。

▲虽然多层焊的接头性能比单层焊好得多,但紧靠熔合线的热影响区仍是最薄弱的环节。

 ★防止措施:

◇通过预热尽可能提高焊接加热速度;

◇适中的焊接线能量。

(2)焊缝和热影响区的软化:冷却速度过慢,使接头在AC1附近的停留时间增长,而出现“软化区”,冲击韧性下降,引起断裂。

★防止措施:

◇尽量减小焊接线能量;    ◇控制预热温度不宜过高。

(3)冷裂纹:一般发生在热影响区的粗晶区内。当焊缝强度和氢含量较高时也会发生在焊缝内。

★防止措施:同低合金结构钢。

(4)回火脆性:铬钼钢及其焊接接头在370-565℃温度区间长期运行过程中发生渐进的脆变现象。以2.25Cr-1Mo钢为典型。

★防止措施:

◇降低焊缝金属中的O、Si和P含量;

◇控制线能量(43kJ/cm以下)。

(5)再热裂纹:在焊接之后再次处于高温(如焊后热处理)下产生的裂纹。容易发生在钼钢、铬钼钢及铬钼钒钢等珠光体耐热钢的焊接接头上(多数在粗晶区,少数在焊缝金属中)。

▲再热裂纹的主要影响因素:

◇化学成分:Cr、Mo、V是碳化物的形成元素,会有析出强化作用,增加钢的再热裂纹敏感性。

◇焊接残余应力:再热裂纹发生在高焊接残余应力的部位。焊接接头中的咬边、根部未焊透等处是产生再热裂纹的裂源。

◇焊后热处理条件:加热温度是该钢种的再热裂纹最敏感温度,此时保温时间越长越不利。加热速度较慢时容易发生再热裂纹。

★再热裂纹的防止措施:

◇合理设计接头形式,降低接头的拘束度。

◇正确选用焊接材料:

 ①采用强度较低的焊缝金属,以提高其塑性变形能力,可减轻近缝区塑性应变集中程度;

②也可仅在焊缝表层用低强高塑性焊条盖面。

★注意:上述两点都必须服从设计强度允许的范围。

◇控制焊接工艺:

①堆焊隔离层;☆控制适宜的线能量;

②适当预热和提高层间温度;

③采用回火焊道(焊趾覆层或TIG重熔)有助于细化晶粒,减小应力集中;

④调整施焊方式减少焊接应力(焊接顺序、分段退焊等);

⑤焊后对焊缝的加强高和焊趾部位打磨呈圆滑过渡,减小应力集中程度;

⑥有条件时可采用热输入量小、热影响区窄、焊缝金属含氢量低的焊接方法(如窄间隙焊、熔化极气体保护焊等)。

◇正确选择热处理工艺: 

①采用低温焊后热处理及高加热速度(如CrMoV钢可提高500-720℃区间最终回火的加热速度为400-460 ℃ /h);

②尽量缩短在敏感温度区间的保温时间; 

③采用中间分段消除应力热处理(如CrMoV钢480-500 ℃×1h) ; 

④完全正火处理; 

⑤锤击焊缝表层。

4、铬钼珠光体耐热钢的焊条选用要点:

☆从合金元素过渡方式看,绝大多数低合金耐热钢焊条的主要合金成分都是由药皮来过渡的。

(1)一般可按钢种和构件的工作温度来选用,以保证接头的高温性能。通常选用熔敷金属化学成分和力学性能与母材相同或接近的焊条。

★JB/T4709-2000规定:低合金耐热钢的焊缝金属除应保证力学性能、抗拉强度不应超过母材标准规定的上限值加30MPa外,还应保证化学成分。

(2)如焊件焊后需经退火、正火或热成形,则应选用合金成分和强度级别较高的焊条。 

(3)对于有冲击韧性要求的焊件,一般情况选用的焊条其焊缝金属常温冲击值应不低于相应母材标准规定下限值;

★压力容器焊接的铬钼钢焊条应符合JB/T4747-2002《压力容器用钢焊条订货技术条件》的规定。

(4)不论从提高焊接接头的抗裂纹能力,还是从满足力学性能考虑,都要求采用碱性低氢型焊条。只有在一些小直径薄壁管及一些管道经氩弧焊打底后作盖面焊时才可选用其他类型焊条(如R302、R310等)。

(5)考虑到防止热裂纹,通常将焊材中的碳含量控制在低于母材的碳含量。

▲焊缝金属的含碳量一般应不大于0.14%。对于1.25Cr-0.5Mo钢和2.25Cr-1Mo钢,焊缝金属的最佳碳含量为0.10%左右。

▲碳含量过低的铬钼钢焊缝经长时间的焊后热处理会促使铁素体形成,导致韧性下降,故应谨慎使用碳含量过低的焊材。

(6)对于不便于进行高温预热或焊后热处理的场合(尤其是现场补焊),可采用奥氏体焊条或镍基合金焊条。

▲一般情况下选用Cr25Ni13型焊条,如A307、A312等;

(五)奥氏体不锈钢的焊条选用

1、对不锈钢的认识:

不锈钢是指主加元素Cr高于12%,能使钢处于钝化状态、又具有不锈钢特性的钢。不锈钢实际是不锈钢(耐大气、水等弱腐蚀介质)和耐酸钢(耐酸、碱、盐等强腐蚀介质)的总称。不锈钢并不一定耐酸,而耐酸钢一般具有良好的不锈性能。

●不锈钢的分类

◆不锈钢根据其显微组织分为铁素体型、马氏体型、奥氏体型、奥氏体+铁素体型和沉淀硬化型不锈钢。

◆不锈钢根据主要合金元素大致分为高铬型不锈钢和高铬镍型不锈钢。

◆高铬型不锈钢包括马氏体型不锈钢和铁素体不锈钢两大类。

◆高铬镍型不锈钢则包括奥氏体、奥氏体+铁素体型和沉淀硬化型不锈钢。

▼马氏体不锈钢:常见的以Cr13不锈钢为代表,在常温下具有马氏体组织,如1Cr13、2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2、9Cr18MoV。

▼铁素体不锈钢:常见的以Cr13、Cr17为代表,在常温下具有铁素体组织,如0Cr13、0Cr13Al、1Cr17、1Cr17Ti、1Cr25Ti。

▼奥氏体不锈钢:大致分为:

◇Cr18-Ni8型,如0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2等;

◇Cr25-Ni13型,如0Cr23Ni13; 

◇Cr25-Ni20型,如0Cr25Ni20 ;

◇Cr25-Ni35型,如4Cr25Ni35(国外铸造不锈钢) ;

◇超级奥氏体型,如254SMo(20Cr-18Ni-6Mo)。

☆Cr18Ni9不锈钢是基本的铬镍奥氏体不锈钢。

★注意:

不锈钢的不锈性和耐蚀性是相对的和有条件的,目前还没有对任何腐蚀环境都具有耐蚀性的不锈钢,所以不锈钢的选用应根据具体的使用条件加以合理考虑。 技术人员在进行材料代用时应注意。

●奥氏体不锈钢的组织特点:

◆通常在常温下的组织为纯奥氏体,也有一些为奥氏体+少量铁素体,这种少量铁素体有助于防止热裂纹。

◆不能用热处理方法强化。但具有显著的冷加工硬化性,可通过冷变形方法提高强度。

◆经冷变形产生的加工硬化,可采用固溶处理便之软化。

2、奥氏体不锈钢的焊接特点:

(1)热裂纹。

★防止措施:

◇尽量使焊缝金属呈双相组织,铁素体的含量控制在3-5%以下。因为铁素体能大量溶解有害的S、P杂质。

◇尽量选用碱性药皮的优质焊条,以限制焊缝金属中S、P、C等的含量。

(2)晶间腐蚀:根据贫铬理论,焊缝和热影响区在加热到450-850℃敏化温度区时在晶界上析出碳化铬,造成贫铬的晶界,不足以抵抗腐蚀的程度。

★防止措施:

◇采用低碳或超低碳的焊材,如A002等;采用含钛、铌等稳定化元素的焊条,如A137、A132等。

◇由焊丝或焊条向焊缝熔入一定量的铁素体形成元素,使焊缝金属成为奥氏体+铁素体的双相组织,(铁素体一般控制在4-12%)。

◇减少焊接熔池过热,选用较小的焊接电流和较快的焊接速度,加快冷却速度。

◇焊后稳定化退火处理(对耐晶间腐蚀性能要求很高的焊件而言):850 ℃/2-3h,空冷。 

(3)应力腐蚀开裂:

●应力腐蚀开裂——焊接接头在特定腐蚀环境下受拉伸应力作用时所产生的延迟开裂现象。

●奥氏体不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂是焊接接头比较严重的失效形式,表现为无塑性变形的脆性破坏。

●应力腐蚀开裂的宏观特征:裂纹从表面开始向内部扩展,点蚀往往是裂纹的根源。断口上常附有各种腐蚀产物及氧化现象。

●影响应力腐蚀开裂的三要素:化学成分、拉应力、工作介质。

▲化学成分:不同的材料本身对于应力腐蚀敏感性有所不同。

▲工作介质:主要是介质的浓度和温度的影响:

① 对于碳钢及低合金钢的应力腐蚀开裂:

◇H2S介质的存在:H2S的浓度达到饱和状态;H2S水溶液的温度在室温附近开裂倾向最大。

◇NaOH介质的存在:在超过5% NaOH的几乎全部浓度范围内都可产生碱脆,而以30% NaOH附近最为危险。碱脆的临界温度约为沸点,碱脆的最低温度约为60℃。

② 对于奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂:

◇氯化物介质的存在:几乎只要有Cl- 存在,即可发生应力腐蚀开裂;温度升高,应力腐蚀开裂加速,在Cl- 浓度少的稀溶液中,存在一个SCC敏感温度范围,一般在150-300℃。

◇NaOH介质的存在:OH-的浓度高于0.1%即发生SCC,40-42%的NaOH是最危险的浓度;最低发生应力腐蚀开裂的温度是115℃左右(对于40-42%的NaOH)。

◇高温高压水介质的存在:其中溶解的氧(O)浓度对不锈钢应力腐蚀开裂倾向影响很大,且存在一敏感温度范围150-300℃,在300℃附近最易产生应力腐蚀开裂。

▲接头拉应力:拉应力的存在是SCC的先决条件。压应力不会引起SCC。据调查,造成SCC的应力主要是残余应力,约占80%,其中由焊接引起的残余应力约占30%。

★应力腐蚀开裂防止措施:

◇合理设计:①耐蚀材料的合理选择,实用上选用高Cr、Ni且含高Mo的奥氏体不锈钢是合理的,双相不锈钢具有最好的抗SCC性能,超级奥氏体不锈钢显示明显的耐应力腐蚀能力; ②最大限度地减少应力集中和减少高应力区。

◇合理制定成形加工和组装工艺,尽可能减小冷作变形度,避免强制组装,防止组装过程中造成各种伤痕(各种组装伤痕及电弧灼痕都会成为SCC的裂源,易造成腐蚀坑)。

◇合理选择焊材:焊缝与母材应有良好的匹配,不产生任何不良组织,如晶粒粗化及硬脆马氏体等;

◇采取合适的焊接工艺:保证焊缝成形良好,不产生任何应力集中或点蚀的缺陷,如咬边等;采取合理的焊接顺序,降低焊接残余应力水平;

◇消除应力处理:焊后热处理,如焊后完全退火或退火;在难以实施热处理时采用焊后锤击或喷丸等。 

◇生产管理措施:介质中杂质的控制,如液氨介质中的O2、N2、H2O等;液化石油气中的H2S;氯化物溶液中的O2、Fe3+、Cr6+等;防蚀处理:如涂层、衬里或阴极保护等;添加缓蚀剂。

(4)焊缝金属的低温脆化:

对于奥氏体不锈钢焊接接头,在低温使用时,焊缝金属的塑韧性是关键问题。此时,焊缝组织中的铁素体的存在总是恶化低温韧性。

★由此可知,除了单相奥氏体钢,其他各类不锈钢均不适用于低温条件。

★防止措施:通过选用纯奥氏体焊材和调整焊接工艺获得单一的奥氏体焊缝。

(5)焊接接头的σ 相脆化:

 ●焊件在经受一定时间的高温加热后会在焊缝中析出一种脆性的σ 相,导致整个接头脆化,塑性和韧性显著下降。 

σ 相的析出温度范围650-850℃。 在高温加热过程中,σ 相主要由铁素体转变而成。加热时间越长, σ 相析出越多。

★防止措施:

◇限制焊缝金属中的铁素体含量(小于15%);采用超合金化焊接材料,即高镍焊材。

◇采用小规范,以减小焊缝金属在高温下的停留时间;

◇对已析出的σ 相在条件允许时进行固溶处理,使σ 相溶入奥氏体。

3、奥氏体不锈钢的焊条选用要点:

●不锈钢主要用于耐腐蚀,但也用作耐热钢和低温钢。因此,在焊接不锈钢时,焊条的性能必须与不锈钢的用途相符。不锈钢焊条必须根据母材和工作条件(包括工作温度和接触介质等)来选用。

(1)一般来说,焊条的选用可参照母材的材质,选用与母材成分相同或相近的焊条。如:A102对应0Cr19Ni9;A137对应1Cr18Ni9Ti。 

(2)由于碳含量对不锈钢的抗腐蚀性能有很大的影响,因此,一般选用熔敷金属含碳量不高于母材的不锈钢焊条。如316L必须选用A022焊条。

(3)奥氏体不锈钢的焊缝金属应保证力学性能。可通过工艺评定验证

(4)对于在高温工作的耐热不锈钢(奥氏体耐热钢),所选用的焊条主要应能满足焊缝金属的抗热裂性能和焊接接头的高温性能。

◆对Cr/Ni≥1的奥氏体耐热钢,如1Cr18Ni9Ti等,一般均采用奥氏体-铁素体不锈钢焊条,以焊缝金属中含2-5%铁素体为宜。铁素体含量过低时,焊缝金属抗裂性差;若过高,则在高温长期使用或热处理时易形成σ脆化相,造成裂纹。如A002、A102、A137。

在某些特殊的应用场合,可能要求采用全奥氏体的焊缝金属时,可采用比如A402、A407焊条等。

◆对Cr/Ni<1的稳定型奥氏体耐热钢,如Cr16Ni25Mo6等,一般应在保证焊缝金属具有与母材化学成分大致相近的同时,增加焊缝金属中Mo、W、Mn等元素的含量,使得在保证焊缝金属热强性的同时,提高焊缝的抗裂性。如采用A502、A507。

(5)对于在各种腐蚀介质中工作的耐蚀不锈钢,则应按介质和工作温度来选择焊条,并保证其耐腐蚀性能(做焊接接头的腐蚀性能试验)。

◆对于工作温度在300℃以上、有较强腐蚀性的介质,须采用含有Ti或Nb稳定化元素或超低碳不锈钢焊条。如A137或A002等。

◆对于含有稀硫酸或盐酸的介质,常选用含Mo或含Mo和Cu的不锈钢焊条如:A032、A052等。

◆对于在常温下工作,腐蚀性弱或仅为避免锈蚀污染的设备,方可采用不含Ti或Nb的不锈钢焊条。

◆为保证焊缝金属的耐应力腐蚀能力,采用超合金化的焊材,即焊缝金属中的耐蚀合金元素(Cr、Mo、Ni等)含量高于母材。如采用00Cr18Ni12Mo2类型的焊接材料(如A022)焊接00Cr19Ni10焊件。

(6)对于在低温条件下工作的奥氏体不锈钢,应保证焊接接头在使用温度的低温冲击韧性,故采用纯奥氏体焊条。如A402、A407。

(7)也可选用镍基合金焊条。如采用Mo达9%的镍基焊材焊接Mo6型超级奥氏体不锈钢。 

(8)焊条药皮类型的选择:

◆由于双相奥氏体钢焊缝金属本身含有一定量的铁素体,具有良好的塑性和韧性,从焊缝金属抗裂性角度进行比较,碱性药皮与钛钙型药皮焊条的差别不像碳钢焊条那样显著。因此在实际应用中,从焊接工艺性能方面着眼较多,大都采用药皮类型代号为17或16的焊条(如A102A、A102、A132等)。

◆只有在结构刚性很大或焊缝金属抗裂性较差(如某些马氏体铬不锈钢、纯奥氏体组织的铬镍不锈钢等)时,才考虑选用药皮代号为15的碱性药皮不锈钢焊条(如A107、A407等)。 

4、铁素体-奥氏体双相不锈钢的焊接:

(1)对国内外双相不锈钢的认识:

●用途:主要用于耐强腐蚀性介质(如氯离子含量较高)的石油化工、海水与废水处理的设备、管道等场合。

●组织和性能特点:

◇含有较高的铬(18-28%)和较低的镍(4-10%),室温下的组织为奥氏体+铁素体,通常铁素体含量不低于50%。

◇屈服强度可达400-550MPa,是普通不锈钢的2倍

◇同时具有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的一些特性,韧性良好,强度较高,耐氯化物应力腐蚀优于普通不锈钢。

◇具有良好的焊接性能:与奥氏体不锈钢相比,具有较低的热裂倾向;与铁素体不锈钢相比,具有较低的加热脆化倾向。

●双相不锈钢的类型:

双相不锈钢的品种很多,最常用的有3种,即:

◇超低碳的18Cr-5Ni-3Mo型(也称Cr18型、 1805型):

如已列入国家标准GB4237《双相不锈钢热轧钢板》的00Cr18Ni5Mo3Si2(1805);美国ASTM S31500(18Cr-5Ni-3Mo-N,抗拉强度下限630MPa)

◇23Cr-4Ni-Mo型(也称Cr23无Mo型、 2305型): 

如:美国ASTM S32304(23Cr-4Ni-Mo-Cu-N,抗拉强度下限600MPa)

◇22Cr-5Ni-3Mo型(也称Cr22型、 2205型):

如:美国ASTM S31803(22Cr-5Ni-3Mo-N,抗拉强度下限620MPa)

◇25Cr-7Ni-4Mo型(也称Cr25型、2507型):分普通和超级两种类型。

■如:已列入国家标准GB4237-92《双相不锈钢热轧钢板》和GB13296-91的普通双相不锈钢有0Cr26Ni5Mo2;美国ASTM S31260(普通型,25Cr-6Ni-3Mo-Cu-N-W,抗拉强度下限690MPa)、 ASTM S32750(超级型,25Cr-7Ni-4Mo-N,抗拉强度下限800MPa)。

(2)双相不锈钢的焊接特点:

◇具有良好的焊接性,热裂纹敏感性较小,当双相组织的比例适当时冷裂纹敏感性也较低。但在拘束度较大及焊缝金属含氢量较高时,由于双相组织中的铁素体作用,仍存在氢致裂纹的危险。

◇双相钢在300-500℃范围内存在时间较长时,发生“475℃脆性”,所以双相钢的使用温度常低于250℃。

★各种类型双相钢的具体焊条选用:

☆Cr18型双相钢:选用Cr22-Ni9-Mo3型超低碳焊材(如AWS A5.4 E2209和ER2209牌号);也可选用含Mo的奥氏体型不锈钢焊材,如A022Si(E316L-16)、A042(E309MoL-16)。

☆Cr23无Mo型双相钢:选用Cr22-Ni9-Mo3型超低碳焊材(如AWS A5.4 E2209和ER2209牌号);也可选用奥氏体型不锈钢焊材,如A062(E309L-16)。

☆Cr22型:选用Cr22-Ni9-Mo3型超低碳焊材(如AWS A5.4 E2209和ER2209牌号);也可选用含Mo的奥氏体型不锈钢焊材,如A042(E309MoL-16)。

☆Cr25型:选用Cr25-Ni5-Mo3或Cr25-Ni5-Mo4型超低碳焊材,(如AWS A5.4 E2553和ER2553牌号) ;也可选用不含Nb的高Mo镍基焊材,如无Nb的NiCrMo-3型焊材。

●预热:不需要。层间温度不高于100℃。

●焊接线能量: Cr18型双相钢不大于15kJ/cm; Cr23无Mo型和Cr22型双相钢为10-25kJ/cm; Cr25型双相钢为10-15kJ/cm。

●焊后热处理:不需要。

(3)双相不锈钢的焊接工艺要点:

●焊接方法:

钨极氩弧焊、手工电弧焊、熔化极钨极气体保护焊、埋弧焊均可均可。

●焊接材料:

◇为防止σ相和保证焊缝金属正常的奥氏体/铁素体相比例,焊接双相钢也同样要采用“超合金化”焊材,即高镍焊材。

◇为防止碳化物析出,焊缝金属的含碳量应控制在超低碳(0.03%)的水平。

◇当对焊缝金属的耐腐蚀性能有特殊要求时,还应采用超级双相钢成分的碱性焊条。

5、超级奥氏体不锈钢的焊接:

目前在国外广泛开发应用的新钢种,用于抗氯离子等强腐蚀的环境。我公司将在烟台万华MDI项目和宁波台塑NAE项目上接触到。

★国外最典型的超级奥氏体不锈钢是ASTM S31254(254SMo),公称成分20Cr-18Ni-6Mo,强度比316L高约50%。

(1)组织和性能特点:

◇化学成分介于普通奥氏体不锈钢与镍基合金之间,含有较高的Mo、N、Cu等合金化元素,以提高奥氏体组织的稳定性、耐腐蚀性,特别是提高抗Cl-的应力腐蚀开裂性能

◇钢的组织为纯奥氏体组织。

◇冷加工硬化倾向较大,冷成形后有较大的反弹。所以加工时要有一定的成形留量。冷成形后不需热处理。

◇长时间热成形加热易导致严重的起皮现象。热成形后一般需要固溶处理。(2)焊接特点:同其它奥氏体不锈钢相同。

(3)焊接工艺要点:

●焊接方法:优选钨极氩弧焊,其次手工电弧焊。

●焊接材料:采用镍基焊材,如焊丝ASTM A5.14 ERNiCrMo-3;焊条ASTM A5.11 ENiCrMo-12。

●预热:不需要,层间温度不高于100℃。

●焊接线能量:控制。

●焊后热处理:一般不需要。如果采用自熔焊(即不填丝TIG焊)时,要进行固溶处理和淬火,以保证耐蚀性。建议尽量不采用自熔焊工艺。

(六)异种钢的焊条选用

1、异种钢焊接的主要问题:

●焊接接头的化学不均匀性及由此引起的组织和力学性能的不均匀性

●界面组织的不稳定性

●应力变形的复杂性

2、获得优质异种钢焊接接头的焊接工艺要点:

●避免淬火钢的复合结构近缝区产生裂纹;

●保证焊缝金属中没有热裂纹;

●保证不使高合金钢有显著的稀释;

●保证焊接接头与基本金属有较近的膨胀系数。

3、异种钢焊接材料选择的基本原则:

●所选择的焊接材料必须能够保证异种钢焊接接头设计所需要的性能,如力学性能、耐热、耐蚀性能等;

●所选择的焊材必须在有关稀释率、熔化温度和焊接件其他物理性能要求等方面能保证焊接性需要;

●在焊接接头中不产生裂纹等缺陷的前提下,当不可能兼顾焊缝金属的强度和塑性时,应优先选用塑性好的填充金属;

●焊接材料应经济、易得,并具有良好的焊接工艺性能。 

4、碳钢与低合金结构钢或异种低合金结构钢焊接时的焊条选用:

(1)选用的焊条应能保证焊缝金属及接头的强度高于强度较低一侧的钢材,而焊缝的塑性及冲击韧性不低于强度较高而塑性、韧性较低一侧的钢材。即强度、塑性和韧性都不应低于被焊材料的最低值。

(2)一般选用低氢型焊条,以保证焊缝金属的抗裂性能和塑性。

(3)要求焊丝中的碳含量低些,而锰的含量高些,希望锰/硅的比值提高,以减少热裂纹产生。

★JB/T4709-2000规定:不同强度钢号的碳素钢、低合金钢之间的焊缝金属应保证力学性能,且其抗拉强度不应超过强度较高母材标准规定的上限值。

5、碳钢、低合金结构钢与珠光体耐热钢焊接时的焊条选用:

(1)通常这类异种接头的使用温度不很高,一般选用与合金含量较低一侧的母材相匹配的焊材,并保证焊接接头的常温力学性能,接头强度不低于两种母材标准规定值的较低者。

(2)可选用碳钢焊条,也可选用耐热钢焊材。但焊接工艺应遵循珠光体耐热钢的要求。如A3或16Mn与15CrMo焊接时,可采用J507或R207焊条。

(3)结构刚性大、焊后不进行热处理的场合,可采用A307焊条,但这类异种钢接头的最高工作温度不得超过350℃。

6、异种珠光体耐热钢焊接时的焊条选用:

(1)在同工作温度下,应满足强度较低一侧钢材的要求,又要考虑使焊缝合金元素的含量不低于合金元素较少的一侧母材,但焊缝的热强性应等于或高于母材金属。一般情况下均选用低氢型焊条。

(2)在某些情况下,为防止焊接时、焊后热处理时或使用过程中碳的迁移,保证接头的高温性能,应选用介于两种母材金属之间的焊条。 

■举例:

12Cr1MoV与10CrMo910管道焊接,当选用R307、R407、R317、J507时,焊接接头的室温力学性能均能满足(焊接工艺评定结果)。但按高温持久强度要求,选用R407、R317焊条可以满足使用要求;而用R307、 J507则不能满足要求。

(3)若产品不允许或施工现场无法进行焊前预热和焊后热处理时,可选用奥氏体焊材。但对于高温状态下的珠光体异种接头,要慎用奥氏体焊材。

(4)若该类异种钢接头在使用温度下可能产生扩散层时,则最好在坡口面堆焊隔离层,隔离层金属应含有Cr、V、Ti等强烈碳化物形成元素。

7、珠光体钢与奥氏体不锈钢焊接时的焊条选用:

☆通常把碳钢、低合金结构钢、珠光体耐热钢统称为珠光体钢。

●焊接特点:

珠光体钢与奥氏体钢接头的熔合线两侧出现碳和碳化物形成元素的浓度差,它处于350-400℃温度下长期工作时,或在焊后热处理过程中,往往会在熔合线区域出现碳元素的扩散:

◇在珠光体钢母材金属边缘形成脱碳层,脱碳层晶粒甚粗大,导致软化。

◇在奥氏体钢母材金属一侧形成增碳层,增碳层中的碳元素以铬的碳化物形态析出,并导致硬化。

★实践证明,脱碳层是接头中的薄弱环节,对高温持久强度的影响较大,约降低10-20%

●奥氏体不锈钢与珠光体钢焊接材料的选择要考虑的因素:

(1)克服珠光体钢对焊缝的释释作用。

■举例:

比较J507、A132、A302、A402四种焊条焊接时的焊缝组织:

□用J507施焊,组织为马氏体,不允许采用;

□用A132施焊,焊缝基本上也是马氏体组织,而且越靠近碳钢侧,马氏体数量越多,是脆性破坏的起始区域,也不适用;

□用含镍大于12%的A302、A402施焊时,组织基本上是奥氏体或全部为奥氏体,可用。

(2)抑制熔合区中碳的扩散。提高焊材的奥氏体形成元素,是抑制熔合区中碳扩散最有效的手段。随着工作温度的提高,要阻止碳扩散,必须提高镍含量:

◇350℃以下:焊缝金属的镍含量可以不超过10%;

◇350-450℃:镍含量应为10-19%;

◇450-550℃:镍含量应为19-31%; 

◇550℃以上:镍含量应为31%以上。

(3)改变焊接接头的应力分布。

◇国外常用与珠光体钢线膨胀系数相接近的Cr15Ni70镍基焊材来焊接该类异种钢,使得高温应力集中在奥氏体不锈钢一侧的熔合区,减轻了珠光体钢一侧熔合区的压力,对接头比较有利。

◇在坡口面堆焊隔离层也有效。但用于堆焊的焊条合金成分应高于焊缝金属。如:在珠光体钢一侧坡口上堆焊两层A302或A307焊条,然后与奥氏体不锈钢焊接。

(4)提高焊缝金属的抗裂纹能力:在不影响使用性能的前提下,最好使焊缝金属中含有一定数量的铁素体组织。

★试验表明,A302、A307焊条的抗裂性能比单相的A402、A407焊条优越。

★综上所述,此类异种钢焊接所选用的焊条只有A302、A307或A402、A407适宜,不仅能克服珠光体钢对焊缝的稀释,对抑制熔合区中碳扩散和改变焊接接头应力分布也有利。但A402、A407的热裂纹倾向较大,生产上比较少用。

★JB4709-2000规定:奥氏体高合金钢与碳素钢或低合金钢之间的焊缝金属应保证抗裂性能和力学性能。宜采用铬镍含量较奥氏体高合金钢母材高的焊接材料。

■工程应用实例:       

(1)12CrMo、15CrMo珠光体钢与1Cr18Ni9Ti奥氏体钢焊接时,若选用A307、A407焊条,则即使稀释率达25-30%,焊缝金属中也不致出现马氏体组织。

(2)结构刚性大、板厚超过20mm的珠光体钢与奥氏体钢的焊接接头,在焊后热处理过程中或周期性的加热、冷却运行条件下,将产生很大的热应力,导致珠光体钢一侧的熔合线出现热疲劳裂纹。为消减热应力,采用热膨胀系数与珠光体耐热钢相接近的含镍量高的A507或Ni307焊条。

(3)运行温度高于400-500℃的异种钢结构焊接时,在珠光体钢(如15Cr1MoV)坡口上采用含V、Nb、Ti、W等碳化物形成元素的珠光体耐热钢焊条(如R317、R337)堆焊一层厚约5-6mm的过渡层,以限制珠光体钢中的碳向奥氏体焊缝扩散。然后再用相应的奥氏体钢焊条(如A307)焊接对接接头。

(4)为提高高温下运行的珠光体与奥氏体钢管焊接接头的高温持久强度,可在异种钢管间加一段含V、Nb、Ti等强碳化物形成元素的珠光体钢中间过渡管段(如12Cr1MoV)。先用铬钼钢焊条(如R317)焊接珠光体钢与中间过渡管段的连接焊缝,焊后在700-760℃下进行退火处理,再用奥氏体钢焊条(如A307)焊接奥氏体钢管与中间过渡管段的焊缝。

(5)用A407焊成的12Cr2Mo1与1Cr18Ni9Ti异种钢接头,在600℃长期试验时,由于碳的强烈扩散,使熔合线附近的性能降低。但若用含铌的12Cr2Mo1焊条R337在珠光体钢一侧堆焊一层过渡层,则碳的扩散能力显著减弱,高温持久强度提高,试样断裂位置移至珠光体母材金属一侧。 

(6)珠光体耐热钢管与奥氏体钢过热器管的焊接结构,采用镍基合金焊条及加衬环的方法进行焊接,可消除熔合线区域的应力突变,提高接头的工作能力。

8、奥氏体不锈钢与铁素体低温钢焊接时的焊条选用:

☆此类异种钢焊接接头的主要问题是:碳的迁移和合金元素的扩散。

■资料介绍:对于中强度低温钢如06MnNb、3.5Ni等与奥氏体不锈钢焊接时,不论用A402、A302、A102或A202焊条,都不可避免在熔合线产生马氏体组织。而用超低碳的A022焊条焊接06MnNb与1Cr18Ni9Ti时是可行的。

(1)选择含碳量相同的不同牌号焊条时,应选用含镍量较高的焊条,对控制碳的迁移和提高低温冲击韧性都有利。

(2)选择含镍量相同的不同牌号焊条时,应选用含碳量较低的铬镍奥氏体焊条,可以控制焊缝中的碳迁移和改善力学性能。

(3)当不同钢号的低温钢焊接时,应选择与低温韧性较高的钢材相匹配的焊条。

(4)考虑到母材对焊缝的稀释作用,可对焊缝金属的化学成分进行适当的调整。      

9、奥氏体不锈钢之间焊接时的焊条选用:

☆此类异种奥氏体钢的焊接,主要是防止焊接接头内产生热裂纹、晶间腐蚀及σ相脆化等问题。

(1)根据合金含量较低一侧母材或介于两者之间选用焊条。

(2)选用奥氏体-铁素体的双相组织焊条,使焊缝金属含3-5%的铁素体,以提高接头的抗裂性能及抗腐蚀性能。

(3)控制焊缝金属的含碳量。

■举例:1Cr18Ni9Ti与0Cr18Ni12Mo2Ti焊接选用A132、A137、A202、A207、A212均可。

(七)复合钢板(管)的焊条选用

1、对复合钢板(管)的认识:

●复合钢板(管):以不锈钢、镍基合金、铜基合金或钛板等高性能合金为复层,以低碳钢或低合金钢等珠光体钢为基层,进行复合成型(轧制、爆炸或钎焊)。

●基层主要满足强度和刚度的要求;复层满足耐蚀、耐磨等特殊性能要求。

 ●我们在工程中常遇见的是不锈钢复合钢板或复合钢管。其中又以奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢为复层的复合钢板为多见。

 2、不锈钢复合钢板(管)的焊接特点:

●不锈钢复合钢的焊缝可分为复层、基层和过渡层三部分。

●不锈钢复合钢的焊接性能主要取决于不锈钢的物理性能、化学成分、接头形式及填充材料种类,所以需要解决下列问题:

(1)焊缝金属的稀释作用增大了热裂纹倾向;

(2)熔合区可能出现马氏体组织导致硬度和脆性增加;

(3)基层和复层含铬量的较大差异促使碳的迁移而形成增碳层和脱碳层,加剧熔合的脆化或另一侧热影响区软化。

3、复合钢的焊条选用原则:

★JB4709-2000规定:

☆不锈钢复合钢基层的焊缝金属应保证力学性能,且其抗拉强度不应超过母材标准规定的上限值加30MPa;

☆复层的焊缝金属应保证耐腐蚀性能,当有力学性能要求时还应保证力学性能。

☆复层焊缝与基层焊缝以及复层焊缝与基层钢板的交界处宜采用过渡焊缝。

●基于上述原则的焊条选用要点:

◇基层焊缝:选用与基层珠光体钢单独焊接时相同的焊条。

◇复层焊缝:原则上使用与单独焊接不锈钢时相同的焊条。

◇过渡层焊缝:要求其Cr、Ni含量高于复层焊缝的含量,以减少碳钢的稀释和补充焊接过程中合金元素 的烧损。

(1)常根据复合钢材质的不同分别选用25Cr-13Ni 、 25Cr-20Ni型焊条。如A302、A307、A402、A407等焊条。

(2)对复层含钼的不锈钢复合钢,过渡层应采用25Cr-13Ni-Mo型焊条,如A312、 A042。

(3)对于塑性要求不高、抗腐蚀性能一般的不锈钢复合钢,过渡层焊缝也可选用焊接复层时的焊条。

●焊条选用焊接时应注意的事项:

◇一般应采用先焊基层焊缝、然后焊过渡层焊缝、最后焊复层焊缝的焊接顺序施焊;但复合管是特例。

◇不得用珠光体钢焊材在复层母材、过渡层焊缝和复层焊缝上施焊;

◇过渡层焊缝应同时熔合基层焊缝、基层母材和复层母材,且应盖满基层焊缝和基层母材。

◇过渡层焊缝在整个复合钢板中的厚度:在复层侧,超出基层和复层交界面约0.5-1.5mm;在基层侧,超出基层和复层交界面约1.5-2.5mm。

◇定位焊缝只允许焊在基层母材上。

★特例:

(1)对于复合管,或者由于施工条件限制一定要先焊复层的复合板,可采取以下方法:

(2)为避免稀释、碳迁移,基层和过渡层均按过渡层焊缝要求选用焊条,如A307、A407等,基层焊条不变。

(3)为保证过渡层焊缝塑性好、抗裂性能高,过渡层选用含碳量极低的纯铁焊条,基层和复层焊条不变。

■举例:

□0Cr13+Q235焊接:基层J422或J427;过渡层A302、A307、A402或A407;复层A132、A137、A302或A307。

□0Cr18Ni9+16MnR:基层J502或J507;过渡层A302或A307;复层A102或A107。

□00Cr17Ni12Mo2+20R:基层J422或J427 ;过渡层A042或A312;复层A022。

氩弧焊丝的选用

1、氩弧焊丝选用的基本原则:

(1)应满足接头的化学成分、力学性能和其它特殊性能要求。

(2)焊接工艺性能要好,具有抗裂、防止气孔的能力。

(3)焊丝含有害杂质S、P等要少。

(4)焊丝应清洁、光滑、干燥、无油渍、污物和锈蚀。        

★前述的焊条选用原则基本适合于焊丝。

镍基合金的焊材选用

1、镍基合金的分类与牌号(七类):

◆工业纯镍(P41):含镍99.5%。如Ni200、 Ni201。

◆Ni-Cu合金(P42):

如:Monel 400(蒙乃尔,Ni66Cu32)等。

◆Ni-Cr合金(P43):

如:0Cr30Ni70

Corronel230(柯罗镍,Cr35Ni65)

Inconel671(因康镍, Cr50Ni50)

◆Ni-Cr-Fe合金(P43) : 

如:Inconel600 (因康镍, Cr76Ni15Fe8 )

Inconel625 (Cr61Ni21Mo9Fe3 )

◆Ni-Mo合金(P44) :

如:Hastelloy A(哈斯特洛依A,Ni60Mo19Fe20)

Hastelloy B(0Ni65Cr28Fe5V)

Hastelloy B-2(00Ni70Mo28)

◆Ni-Cr-Mo合金(P44) : 

如:Hastelloy C (Ni60Cr16Mo16W4)

  Hastelloy C-276 (000Ni60Cr16Mo16W4)

Hastelloy C-4 (000Ni60Cr16Mo16Ti) 。

◆Ni-Fe-Cr合金(P45):

如:Incoloy 800(因康洛依,Ni32Fe46Cr21)

Incoloy 825(Ni42Fe30Cr21)

2、镍基合金的焊接特点:

镍基合金的焊接有奥氏体不锈钢焊接相类似的问题:

(1)焊接热裂纹

(2)气孔:与低碳钢、低合金钢比较,气孔倾向更大,特别对不干净的坡口及焊丝。

(3)耐腐蚀性能:大多数镍基耐蚀合金焊后对耐蚀性能没有多大影响。但对于Ni-Cr、 Ni-Mo、 Ni-Cr-Mo系的一些合金的热影响区附近会发生贫铬现象,导致在某些介质中的晶间腐蚀、应力腐蚀性能下降。

(4)工艺特性:液态焊缝金属的流动性差;焊缝金属熔深浅。

3、焊接工艺要点:

(1)正确选择焊材

(2)接头型式:采用大坡口角度和小纯边的接头型式

(3)坡口附近及焊丝的清理:特点重要,以防止热裂纹和气孔。

(4)焊前预热:一般不需要焊前预热,层间温度应控制在100 ℃以下。但当母材温度低于15℃时,应加热至15-20 ℃,以免湿气冷凝。

(5)焊接工艺:

◇限制热输入,采用小线量和保持电弧电压的稳定,并采用短弧不摆动或小摆动的操作方法。

◇对于小直径管道焊接过程中宜采取强制冷却措施减少焊缝的高温停留时间,增加焊缝的冷却速度。

◇焊后焊缝表面熔渣和飞溅物的及时清理,以防止熔渣中的S等杂质对焊缝造成脆化或腐蚀性能下降。

(6)焊后热处理:一般不推荐焊后热处理。但有时为保证使用中不发生晶间腐蚀或应力腐蚀需要热处理。

4、焊条分类与型号:

★GB/T13814-92《镍及镍合金焊条》标准等效采用美国ANSI/AWS A5.11-89《镍及镍合金药皮焊条规程》:(五种)

◆工业纯镍焊条:ENi-0、 ENi-1

◆Ni-Cu系焊条:ENiCu-7

◆Ni-Cr-Fe系焊条:ENiCrFe-0至 ENiCrFe-4 

◆Ni-Mo系焊条:ENiMo-1、 ENiMo-3 、ENiMo-7

◆Ni-Cr-Mo系焊条: ENiCrMo-0至ENiCrMo-9

★药皮类型:钛钙型(03)、碱性(15、16)

5、焊丝分类与型号:

★按GB/T15620-1995《镍及镍合金焊丝》规定:

◆工业纯镍焊丝:

◆Ni-Cu系焊丝:ERNiCu-7

◆Ni-Cr系焊丝:ERNiCr-3

◆Ni-Cr-Fe系焊丝:ERNiCrFe-5、 ERNiCrFe-6

◆Ni-Fe-Cr系焊丝: ERNiFeCr-1、 ERNiFeCr-2

◆Ni-Mo系焊丝: ERNiMo-1 、ERNiMo-2 、 ERNiMo-3 、ERNiMo-7

◆Ni-Cr-Mo系焊丝: ERNiCrMo-1至ERNiCrMo-4、 ERNiCrMo-7至ERNiCrMo-9

6、镍基合金的焊材选用原则:

(1)同种镍材焊接时的焊材选用:

◇应选用和母材合金系列相同的焊接材料

◇若无耐腐蚀性能要求,也可选用与母材合金系统不同的焊接材料,但应保证接头具备设计要求的性能。

■举例:

Monel 400:焊条ENiCu-7 ;焊丝ERNiCu-7

Inconel600: 焊条ENiCrFe-1;焊丝ERNiCrFe-5

Incoloy 800H:焊条ENiCrFe-2;焊丝ERNiCr-3

Hastelloy C-276:焊条ENiCrMo-4 ;焊丝ERNiCrMo-4        

(2)异种镍材及镍材与奥氏体不锈钢之间的焊接,应考虑下列因素:

◇焊缝的强度(包括高温持久强度),耐腐蚀性满足设计;

◇选用线膨胀系数与母材相近的焊接材料。

◇考虑焊材对焊接裂纹、气孔的敏感性。        

■举例: 

◇奥氏体不锈钢与Monel 400焊接:焊条ENiCu-7 ;焊丝ERNiCu-7。

◇Monel 400与Inconel600焊接:焊条ENiCrFe-3;焊丝 ERNiCr-3。

◇Incoloy 800H与Hastelloy C-276焊接: 焊条ENiMo-3;焊丝ERNiMo-3 。


好累,终于发完了~~~~~


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