304不锈钢是一种特殊材料,耐热耐腐蚀,同时具有易清洁可回收等特点,广泛活跃于航空、交通、电力、环保等多个领域,成为了很多器材物件制造中不可缺少的基础材料。而在304不锈钢产品制造过程中,焊接加工工艺具有重要地位。文章针对换热器壳体用304不锈钢焊接时产生的裂纹问题展开讨论,主要研究其成因,并且探讨了预防措施。

304不锈钢是一种合金材料,主要特点是耐腐蚀、不易生锈,除了日常生活中所看到的利用304不锈钢产生的餐具、家具外,304不锈钢在各个领域都发挥了不可替代的作用,例如被用作列车材料、零件构造;应用于抗晶界腐蚀性要求高的化学、煤炭、石油产业的野外露天机器,建材耐热零件及热处理有困难的零件;用于刀刃、机械零件、石油精练装置、螺栓、螺母、泵杆、1类餐具等的制造等。304不锈钢的发明始于18世纪末,源于铬的发现,1912年被布雷尔利发明出来以后,在1916年取得英国专利权,自此304不锈钢便得到了迅猛的发展,亨利·布雷尔利也被称为“304不锈钢之父”。304不锈钢的出现给冶金史上添上了浓墨重彩的一笔,随着304不锈钢的研究和开发,我国的304不锈钢炼钢工艺与加工工艺也得到了很好的发展。

1产生裂纹的原因

304不锈钢属于延迟裂纹钢的一种,这种钢比普通碳钢的导热系数低,膨胀系数高,及导热慢,受热易膨胀而且膨胀幅度大。基于这种性质,304不锈钢板材在焊接的过程中可能会出现很多问题,如出现咬边、气孔、未熔合等现象,而下文主要讨论在焊接过程中产生各种裂纹的类型以及产生此种类型裂纹的原因。

1.1热裂纹

热裂纹通常是在焊接过程中的高温下产生,故称其为热裂纹,最常发生在奥氏体晶界的焊接过程中,热裂纹的主要特点有这些:热裂纹的产生和发展都处在高温下,裂纹产生在焊接过程中。热裂纹绝大多数产生在金属中,有纵向的也有横向的,弧坑裂纹往往是显星状的,有时热裂纹也会发生在母材中。热裂纹常处在焊缝中心或焊缝两侧,在裂纹断面上可以发现明显的氧化痕迹。裂纹一般都不是平滑的,而是锯齿形的。

热裂纹的种类有:(1)结晶裂纹:结晶裂纹也被称为凝固裂纹,主要发生在焊缝处的某些相对强度较高材料上。(2)液化裂纹:多发生于在多层焊缝的焊层之间,这种裂纹属于晶间开裂性质,在焊接产生的裂纹断口处可以看见明显的晶间开裂特征。(3)多边化裂纹:也被称为高温低塑性裂纹,该裂纹多发生在重复受热金属中(多层焊),断口显现出高温低塑性断裂,以任何方向贯穿树枝状结晶,常常伴随着再结晶。晶粒出现在裂纹附近,多边化裂纹总是迟于再结晶,常见于单相奥氏体钢或纯金属的焊接金属。利用马氏体304不锈钢进行焊接时一般产生凝固裂纹和液化裂纹,因为大多数马氏体304不锈钢凝固时形成铁素体,所以对凝固裂纹的敏感性低,但有些因素增加其对凝固裂纹的敏感性。碳含量很高的马氏体304不锈钢可能凝固成奥氏体,使其对凝固裂纹更为敏感。在含铌的w(Cr)=12%的钢中观察到裂纹,推测起因是Nb的偏析,液化裂纹在马氏体304不锈钢中很少见。

1.2焊接接头的冷裂纹

冷裂纹指的是焊接接头冷却到较低温度下(即奥氏体开始转变为马氏体的温度以下)产生冷裂纹,主要分三种类型:延迟裂纹是在淬硬组织、氢和拘束应力的共同作用下,产生的具有延迟特征的裂纹;淬硬脆化裂纹主要是由淬硬倾向大的组织,在焊接应力作用下产生的裂纹;低塑性脆化裂纹则指的是在较低温度下,由于被焊材料的收缩应变,超过了材料本身的塑性储备而产生的裂纹。

焊接接头的冷裂纹一般出现在利用马氏体不锈钢焊接时,热裂纹与冷裂纹产生的时间和温度都有所差别,热裂纹一般产生在焊接的过程中,冷裂纹却产生于焊接的冷却过程中,有的裂纹是在冷却过程中出现,但是有的却会等到冷却结束几小时甚至更长时间才会出现。热裂纹与冷裂纹产生的部位和方向也有较大差别,热裂纹一般是在焊缝金属中,有的是纵向,有的是横向,有时热裂纹也会延伸到基本金属中去。冷裂纹大多数产生在母材金属或熔合线上,大多数为纵向裂纹,少数为横向裂纹。

1.3再热裂纹

再热裂纹指的是焊后,304不锈钢板材在一定温度范围内再次进行加热(消除应力热处理或其他加热过程)而产生的裂纹叫做再热裂纹。在这些钢中,合金元素钼和杂质元素硫、磷、砷、锡、硼和铜等一直被认为和再热裂纹有关。减少钢中的杂质含量,增加焊接热输入,减少应力集中可以避免再热裂纹。一般讲,对于很多含CrMoV的低合金高强钢(HSLA),出现再热裂纹是很普遍的。

产生裂纹还有可能是因为钢中氢的致脆。氢是焊接冶金过程残留在钢中的气体杂质。由于钢中残留的氢使钢的塑性恶化而形成氢脆。也有可能是因为在焊接接头在富士环境下受拉伸应力作用时产生的延迟开裂现象;并且根据理论来讲,焊缝和热影响区在加热到450850℃时,会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然后使得304不锈钢不足以抵挡腐蚀,进而出现裂缝。

2预防裂纹产生的方法

2.1正确选择焊接材料

通过上一节中对各种裂纹的介绍,根据换热器壳体的工作特点,合理选择焊接材料,例如在奥氏体304不锈钢的基础上提高铁素体形成元素CrMoSiNb等的含量,降低奥氏形成元素NiCMnN的含量,就可得到奥氏体和铁素体占一定比例的双相组织,这种材料兼顾有铁素体不锈钢所具有的较高强度和高耐氯化物应力腐蚀性等等性能,并且在耐晶体腐蚀性以及焊接性能上面都有显著提高。还要根据看焊接要求选择材料,含硅的4系焊丝抗裂性能就好,但强度不佳,并且经过阳极化处理后颜色和其他铝合金有区别,但如果可以进行喷漆就不存在该问题。

2.2针对不同情况进行预防措施

针对热裂纹,采取的主要预防措施有:保持合适的间隙,收弧时要把弧坑填满;严格地控制304不锈钢板材及焊接材料的硫含量、磷含量等有害杂质,采用低氢型焊条或者使用含锰高的低氢焊条,适用含碳、硅、硫磷低的焊条,打乱焊缝金属的结晶方向,使得低熔点的结晶物不会集中在一起,降低热裂纹的敏感性;减小熔合比,控制焊接时的温度,防止过热,在进行焊接时要合理选择焊接的顺序以及方向,降低拘束度,从而有效降低裂纹的敏感度等,都是有效防止热裂纹产生的措施,针对冷裂纹,采取的主要措施有:选用低氢型焊接材料,严格按照规定进行焊接;进行预热或后热,控制层间温度,选择合适的焊接规范;焊前焊条烘干,选用难吸潮焊条或超低氢焊条。针对再热裂纹,防止措施:在满足客户的要求的前提下,选择低配的焊接材料,合理地选择预热和热处理温度,尽可能地避开敏感区,尽量减少焊接残余应力和应力集中。

2.3清理焊缝

为了防止裂纹延伸,在对筒体进行焊缝清理后,进行渗透检测,确保坡口无裂纹。若裂纹已经延伸,可以对其采取超声波检测的方法对裂纹进行检查,首先确定好裂纹有多深,采取进一步的处理措施,防止裂纹的延伸,常用的方法有采用磨光机打磨处理。

2.4确保焊接措施

首先要保证焊接人员的工艺,在进行焊接作业前确定焊接人员是受过专业训练的,并且进行技术检查。同时对焊接人员进行考察,确保其熟悉焊接要求和具体的实施步骤。其次要有专业人士全程进行监督,以防意外发生,全程严格按照相关规章制度进行作业,对于焊接易出现热裂纹的镍基焊材,特别是弧坑处,在进行焊接时,要注意电流不能过大同时在焊接时刻注意弧坑,加强对其的检查与打磨工艺。最后,在进行焊接时,要及时打磨飞溅,确保成品的质量,按照步骤逐步施工,切勿急功近利,检查合格后才能继续进行作业。

2.5热处理

在利用304不锈钢板材进行焊接作业时,一般都采取预热后进行焊接,焊接过程中应注意周围环境,并及时做出调整。如果需要无损检测的话一般要等焊接后24 h进行检测。

2.6控制冷却速度

严格控制冷却速度能有效降低焊缝产生裂纹的可能性。由于在站内补焊时管线内还有水,冷却的速度较快,在热影响区产生很大的焊接应力,造成了焊接接头产生裂纹。在进行焊接时,要先把管线内的水排掉,再对钢管一侧进行预热,预热之后再进行焊接再进行焊接。在进行焊接时尽量小规模进行作业,焊接后可以使用毛毡等物品覆盖在焊缝上面,减缓冷却速度,有效消除焊接应力的产生。综上所述,首先保证将要焊接的铝合金及焊缝位置允许焊接,且要处于可焊接的时效状态。其次保证焊前去氧化层,除氢措施没问题,特别是容易遗漏的送丝回路的清理别忘了。再次,对于板厚较厚或者冷裂纹倾向较为严重的材料,采取预热缓冷的方法。然后,在符合焊接工艺要求的前提下,可以考虑采用抗裂性能更好的铝硅焊丝。最后,焊接时采用合适的焊接参数,填满弧坑,避免出现热裂纹等现象。

3结语

304不锈钢制品体现了科技的进步,社会的进步。但是在利用304不锈钢进行焊接作业时,因为所选材料、所用工艺的问题,可能产生各种各样的问题,裂纹就是其中的一种,304不锈钢制品产生裂纹影响了产品的使用,可能产生安全隐患,因此需要格外注意,加强预防和检测措施。本文对换热器壳体用304不锈钢进行焊接时产生的裂纹种类以及可能导致产生裂纹的原因进行分析,提出预防措施,希望对今后的工作有所裨益。