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鉻鉬耐熱鋼與不銹鋼異種鋼焊接的研究現狀 

發布時間:2022-06-08

由于鉻鉬耐熱鋼與不銹鋼異種鋼接頭兩側母材的化學成分、物理化學性能的差異,焊接比同鋼之間的焊接復雜得多。煉化設備的工作環境一般為高壓、高腐蝕、高溫,對設備性能要求較高。在其關鍵部件的焊接中,異種金屬的焊接質量往往成為制約其應用的技術瓶頸之一。為了獲得良好的焊接接頭,必須克服的主要困難是:1)材料對焊接方法的敏感性,2)合金元素的稀釋,3)異種鋼界面的碳遷移,4)焊縫中晶界碳化物的析出,5)焊接問題,如焊接接頭的力學和腐蝕性能

 

對于鉻鉬鋼壓力容器的制造,影響焊接接頭質量的因素很多,但最常用的方法是調整焊接熱輸入、合金成分和焊后熱處理。由于焊接熱循環的影響,Cr-Mo鋼焊接接頭熱影響區組織比較復雜,可分為過熱粗晶區、細晶區、局部再結晶區和高溫回火區。低熱量輸入焊接時,熱影響區變窄,但冷卻速度過快容易獲得硬化馬氏體組織。在較高的熱輸入下,可以獲得貝氏體組織。因此,焊接規范的考慮應集中在減少熱影響區、減少軟化區和使用較小的焊縫能量上。除了焊接熱輸入外,控制多層焊接的層間溫度也是影響熱影響區組織和性能的重要因素。層間溫度越高,焊縫和熱影響區的沖擊韌性越低。因此,在控制焊接規范的同時,還應限制層間溫度。一般來說,層間溫度不應超過預熱溫度的上限

 

,為了改善結構和消除接頭應力,焊接后需要進行熱處理。當回火溫度較低或保溫時間不足時,焊縫和焊縫附近的金屬具有較高的強度,而塑性和韌性較低。相反,當回火溫度升高時,焊縫和焊縫附近區域的強度降低,而塑性和韌性增加【56】。然而,當回火溫度過高、回火時間過長時,接頭中會發生碳遷移和碳化物析出。然而,焊縫金屬的焊后熱處理將促進嚴重的碳遷移,從而形成滲碳層和弱脫碳層,這將導致一系列問題,例如,在約束條件下,焊縫出現焊接裂紋,降低奧氏體鋼側的耐蝕性

 

對于鉻鉬耐熱鋼和不銹鋼的異種鋼焊接接頭,兩側的母材不僅具有不同的合金成分,而且不屬于同一類鋼。Nb/t47015《承壓設備焊接工藝規程》規定奧氏體高合金鋼與碳鋼和低合金鋼焊接,所選用的焊接材料應保證焊縫金屬的抗裂性和力學性能。當設計溫度不超過370℃時,鉻鎳含量的不銹鋼焊接材料可保證焊縫金屬為奧氏體;當設計溫度高于370℃時,應使用鎳基焊接材料。也就是說,對于此類材料的焊接接頭,預邊堆焊過渡層一般在低合金耐熱鋼表面進行。通常,預邊緣堆焊材料為高鉻、鎳奧氏體不銹鋼或鎳基合金,然后分別采用不銹鋼或鎳基合金焊接材料進行堆焊。接頭形式如圖1.5所示。事實上,對于具有預邊緣堆焊的鎳基材料,關鍵的作用是防止Cr-Mo耐熱鋼中的碳元素向低碳不銹鋼遷移,從而削弱接頭性能

 

近年來,低合金耐熱鋼與奧氏體不銹鋼的焊接取得了很大進展。王岑等選用國產鎳基埋弧焊絲和焊劑hs600/sj608,對手工電弧焊側堆焊inconel182和焊后熱處理后的14cr1mor+s32168復合板兩側進行焊接試驗。焊接坡口形式如圖1.6所示。該工藝采用GTAW打底,2.5mm直徑焊絲埋弧焊。由于實際生產中普通TIG焊熔深較淺,背襯鈍邊厚度僅為2~3mm,埋弧焊時容易燒穿。目前的解決辦法是在TIG打底焊后繼續補充2~3道手工電弧焊,使打底焊厚度達到5~6mm。這大大降低了焊接效率。因此,研究和探索大熔透背焊方法對提高焊接效率具有重要意義。分析了異種鋼接頭的組織變化和力學性能。發現焊縫區組織主要為針狀γ相組成,如圖1.7試樣焊接接頭的顯微組織所示;焊接接頭抗拉強度達到560mpa,斷裂發生在基體區域,滿足實際應用要求;然而,制造過程中坡口尺寸較大,使用的焊接材料較多,焊縫經過長時間的焊接熱處理,導致制造成本高,使用壽命短

 

以往工作表明,異種金屬焊接結構構件的失效往往發生在焊接接頭處。裂紋和氣孔的形成是常見的焊縫缺陷。焊縫中的裂紋和氣孔是造成焊接接頭腐蝕破壞甚至失效的主要原因,但在鹽和酸性環境中腐蝕嚴重。目前,異種金屬焊接件的力學性能得到了廣泛的研究。然而,對奧氏體不銹鋼與低碳鋼焊接接頭的腐蝕研究還不夠深入。Xiong Zhang等人測試了3.5wt%的高強度低合金鋼和奧氏體不銹鋼的異種焊接接頭研究了在NaCl溶液中的腐蝕行為。據報道,激光區馬氏體的耐蝕性弱于混合區奧氏體的耐蝕性。Vermad。J等人研究了鉻不銹鋼和316L異種鋼SMAW焊接接頭在改性環境中的腐蝕失效。主要原因是焊縫中存在低協同抗點蝕合金元素,導致焊縫的耐蝕性低于母材。Okonkwo-Bo等人研究了低合金鋼a508和309l/308l堆焊層異種接頭在含有硫酸鹽雜質的水溶液中的電偶腐蝕損傷機理。據報道,MNs在焊縫中同時引起點蝕和電偶腐蝕。同時,母材中的碳元素滲透到焊縫中會增加焊縫中的碳含量。在凝固過程中,碳元素在晶界富集,與Cr元素形成化合物,導致晶間Cr缺乏

 

盡管有關于不銹鋼和低碳鋼異種焊接的研究,關于焊接速度對不銹鋼與低碳鋼焊接接頭組織和腐蝕性能的影響,尤其是對厚板焊接的影響,研究較少。研究了焊接速度對304不銹鋼和12cr2mo1r低碳鋼電弧輔助活性TIG焊(aa-TIG)和SMAW焊接接頭組織和電化學腐蝕的影響。


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