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高性能奥氏体不锈钢的焊接 — 注意事项

发布时间:2025-05-16 浏览次数:51500次





不锈钢焊件(焊缝件和热影响区)必须耐腐蚀且结构可靠,以满足特定应用的需求。通常情况下,焊缝的耐蚀性至少应与母材相同,强度等级最好能稍高一些。我们可以将焊缝质量分为两个不同的方面—焊缝物理缺陷和冶金问题。它们都会降低耐腐蚀性或强度,因此,必须避免这些缺陷。不合格的焊接件要进行修复处理,保证所需的性能。大多数物理缺陷在碳钢焊接中已经很常见,而冶金问题则是不锈钢独有的。以下给出了有助于确保焊件质量的实用指南。


未焊透

焊缝未焊透通常发生在管子对接焊缝或其他非双面焊接的对接焊缝。未焊透是指焊缝存在一个缝隙,会引发腐蚀,藏污纳垢。缝隙会降低焊缝的强度和耐腐蚀性,而且很难消毒(清洁)。高质量对接焊缝要求全焊透。否则焊缝的机械强度和抗疲劳性会显著降低。为了避免这些问题,合适的焊缝设计或背部清根很重要,而且尽可能焊接背面。


气孔

表面气孔是污垢的理想藏身之处,也是腐蚀的发源地。由于表面气孔吸附污垢和细菌,很难清理消毒。气孔多由湿气造成,湿气可能来自于蓝颜gtv助焊剂,保护气体或工件表面。要想最 大限度地减少气孔,要对蓝颜gtv干燥度,气体化学成分和清理操作给予足够重视。同时,还要确定孔隙率验收等级,以指导焊接件的射线探伤和目检。


起弧和焊接飞溅

起弧和焊接飞溅造成缝隙并引发缝隙腐蚀。为了尽量减少这种缺陷,焊工应在焊缝内起弧,而不是在焊缝旁边起弧。如果有起弧和焊接飞溅,应该用细砂轮打磨去除。

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避免焊接飞溅和不平整焊缝 ©Outokumpu


微裂和热裂
微裂是小而短的裂缝或裂纹,奥氏体不锈钢焊缝会出现这种缺陷。它们很少扩展,很少造成焊缝结构失效,但在某些环境中,它们会引发局部腐蚀。热裂,更准确的名称是焊缝凝固裂纹,是一种严重的焊缝缺陷,必须避免。

调整常用填充金属308(L)和316(L)的成分, 使铁素体含量达到5-10%,可以明显改善耐微裂和耐热裂性能。铁素体吸收收缩应力,并对造成奥氏体脆化的硫、磷及其它杂质的溶解度更高。铁素体达到建议含量的标准不锈钢焊缝一般不会产生微裂和热裂,但是,当热输入非常大,焊缝约束应力大或焊缝呈凹形时,也会产生微裂和热裂。美国焊接协会(AWS A5.4)定义的铁素体数(FN)表示焊缝中的铁素体量。铁素体数(FN)大体上相当于奥氏体不锈钢焊缝中铁素体的体积百分比。下面的图显示了两种铁素体含量不同的焊缝金属。

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奥氏体不锈钢焊缝金属不同的铁素体含量 ©Lincoln Electric

用于焊高性能奥氏体不锈钢的填充金属不会产生含铁素体的焊缝,所以它们的焊缝易产生微裂和热裂。为了尽量减少微裂和热裂,焊接高性能奥氏体不锈钢的填充金属的磷、硫含量极低。焊接时必须严格控制热输入和其它焊接参数。热输入的上限一般是1.5 KJ/mm(38kJ/in)。


焊接高性能奥氏体不锈钢时,应避免导致熔池尺寸增大的任何操作(例如过度横摆)。大熔池会增大凝固收缩应力。大熔池也会增大焊缝和热影响区内的晶粒尺寸。粗晶粒材料的晶界面积小于细晶粒材料的晶界面积。这会导致晶界的杂质浓度增高,可能会降低耐腐蚀性。晶界中的收缩应力过大和微量元素浓度过高都会导致热裂。


其它缺陷

其它焊接缺陷,如熔合不充分和焊道之间的夹渣,无论对于碳钢还是奥氏体不锈钢都是不可接受的,焊件暴露在腐蚀环境时,表面夹渣会引发点蚀。同样,焊缝的粗糙表面会降低其耐腐蚀性。咬边会显著降低焊件的疲劳性能。焊缝根部或焊帽的过度强化也会对焊缝性能造成不利影响。


表面氧化物
对许多应用而言,管道焊缝内表面的回火色令人担忧。消除或尽可能减少回火色氧化物有许多种方法。一种是管内充分喷吹惰性气体。当使用轨道GTAW进行对接焊时,要想使焊缝基本没有回火色,必须把接头装配好并用惰性气体吹扫。当进行手工GTAW打底焊时,通常会产生一定程度的回火色。根据回火色的程度和预期用途,利用酸洗或机械抛光去除氧化物。


回火色大幅降低耐点蚀和耐缝隙腐蚀性能,对标准奥氏体不锈钢影响尤其明显。另一个潜在问题是微生物腐蚀(MIC)。有回火色的区域易产生微生物腐蚀, 在未经处理的水中,特别是在流速低或滞流状态都发现微生物腐蚀。用普通水进行水压试验后,未对系统进行排空和干燥处理也会引起微生物腐蚀。


对回火色无法去除的焊缝制定验收标准面临着两个挑战。一是如何量化焊件上的回火色。许多行业利用回火色的彩色对照图表, 直观对照判定回火色等级。AWS D18.1和AWS D18.2中有该图表。二是确定在具体应用中能接受回火色的程度。

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高质量GMA焊缝和热影响区的回火色(左图),焊后酸洗恢复了焊缝的耐蚀性(右图) ©Outokumpu


与高性能奥氏体不锈钢相比,回火色对标准不锈钢(如304L和316L)耐腐蚀性造成的影响更明显。当清除回火色极为困难或成本太高时,设计人员应考虑采用耐蚀性更好的钢种,更好地发挥它们的作用。


敏化
高碳标准牌号短时暴露在480-900°C(900-1650°F)环境下会产生敏化,在水性和酸性环境中易发生晶间腐蚀。不过,先进型标准牌号通常为“L-级”,碳含量低于0.03%。因此,它们在正常制作焊接, 没有后续热处理的情况下,具有耐敏化性。例如,在最快敏化温度下,碳含量0.042%的304不锈钢发生敏化大约需要一小时。该时间比焊接敏化温度的时间长很多。即使这样, 也要限制大型焊件在临界温度区间的暴露时间。

使用低碳牌号有助于避免厚断面焊件和焊后需要热处理的部件的敏化。304L在敏化温度下的耐受时间很长,所以,大厚度部件也能安全冷却。使用L牌号的话,甚至可以对不锈钢和碳钢混合构件进行消除应力热处理。

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含碳量不同的304不锈钢的时间-温度-敏化(TTS)图


为了提高高温强度,高温牌号的碳含量通常不少于0.04%(304H)。幸运的是,高温应用一般不担心敏化造成的水溶液腐蚀。这些牌号通常需用高碳填充金属以提供足够的焊缝高温强度。


在焊接过程中,经过稳定化处理的321和347不锈钢如果暴露在480-900°C温度下,容易产生窄的刀状腐蚀。如果担心刀状腐蚀,就要明确规定焊后固溶退火及稳定化热处理。有关刀状腐蚀机理的讨论,见本系列文章前面的章节。


绝大多数高性能奥氏体不锈钢的碳含量上限低于常规的 “L” 牌号,碳含量相同的情况下,高性能奥氏体不锈钢的敏化速度比常规牌号更快。不过,对于高性能奥氏体不锈钢焊接而言,二次相的形成比敏化更令人头痛。


金属间相

形成σ相和χ相的温度区间为500-1050°C。含有σ相和χ相的不锈钢的耐腐蚀和韧性明显降低。5%的σ相会使冲击韧性降低50%。


增加铬、钼含量大大促进了金属间相的析出,临界温度下,高性能奥氏体不锈钢中σ相和χ相的形成时间不足一分钟。因此,这些材料的焊接参数必须包括低热量输入(低于1.5 kJ/mm)和层间温度不超过100°C,尽量缩短临界温度的时间。应当在一道焊接结束时测量焊道的层间温度,用热电偶测量保证精度。禁止使用对温度敏感的彩色笔,因为它们会污染焊缝。


在非理想温度下,标准牌号中任何金属间化合物的析出时间通常需要100小时或更长。由于它们的动力学缓慢,σ相和χ相析出在标准牌号的加工制造期间不是问题,但是长期高温服役不容乐观。


焊缝偏析

高钼高性能奥氏体不锈钢的焊缝金属尤其容易发生钼的微观偏析。微观偏析发生在固化过程中,因为先凝固的金属钼含量较低,后凝固的金属钼含量较高,钼含量出现微梯度。在6%Mo不锈钢中,低钼区域可能耐腐蚀性明显降低。


因此,为了补偿微观偏析,焊接高性能奥氏体不锈钢需要使用过匹配填充金属。焊接6%Mo不锈钢时,最好使用钼含量不低于9%的镍基填充金属,这样可以确保先凝固区域的钼含量不低于6%,使焊缝金属保持良好的耐腐蚀性能。


由于微观偏析问题,不能进行焊后退火处理的高性能不锈钢构件不能采用自熔焊(不使用填充金属)。自熔焊只适用于要进行焊后固溶退火的焊件,固溶退火可以使焊缝均质化,减少微观偏析,使耐腐蚀性得到恢复。