低合金钢与上海不锈钢管焊接时,因稀释反应、组织变化、内应力等,降低了焊接接头质量。通过试验对异种金属焊接接头力学性能和金相组织进行分析和验证,总结工艺上所存在的问题以及长时间热处理对此类焊接接头的影响。

1试验背景

高压加热器由壳体和管系两大部分组成,特殊的结构要求导致了在生产过程中不可避免地产生异种钢之间的焊接,高压加热器封头如图1所示。

高压加热器管板材料为SA-516Gr70,换热管材料为SA-688TP304L,为了获得较好的上海不锈钢管-管端焊接接头,在管板上堆焊了上海不锈钢管,堆焊焊接材料为E309L-16+E308L-16。管板堆焊层除了要与换热管焊接外,还要与水室封头隔板焊接,水室封头隔板材料为SA-516Gr65,因低合金钢和不锈钢在力学性能、物理因素、焊接冶金等方面存在差异,故选择合理的焊接材料和焊接工艺参数是获得优质焊接接头的保证。

2试验内容

21焊接方法

珠光体钢与上海不锈钢管焊接时,常规的焊条电弧焊和气体保护焊都可采用。选择焊接方法除考虑生产条件和效率外,还应考虑选择熔合比小的焊接方法,保证良好的工艺性能。故本文采用钨极氩弧焊打底和焊条电弧焊组合的方法进行试验。

22焊接材料

异种金属焊接接头的焊缝及熔合区的组织和性能主要取决于焊接材料。SA-516Gr65钢、堆焊层和选用焊接材料的化学成分列于表1。根据焊接性分析,选择焊接材料时要着重考虑以下因素:

(1)分析SA-516Gr65对焊缝的稀释作用。焊缝中易出现脆性马氏体组织,合理的焊缝金属合金系组分能降低焊缝中马氏体组织形成的可能和减小马氏体脆性层的宽度,增加稳定奥氏体组织的元素数量。

(2)抑制熔合区碳的扩散。

(3)控制焊接接头的应力分布。

防止外在拘束条件下的焊缝产生冷、热裂纹。

23焊接工艺

为改善焊缝金属被稀释以及碳扩散的问题,应减小焊条或焊丝直径,采用大坡口、小电流、快速多层焊等工艺。由于焊接接头两侧母材的线膨胀系数不同,可借助适当的系统设计和焊接接头布置以改变应力分布。长焊缝应分段跳焊。

24焊接工艺评定试验

试验采用规格为500 mm×150 mm×25 mm的试板,试板开单面V形坡口,角度为60°,钝边为(1+0.5)mm,坡口示意图见图2。焊接试板的顺序依次为:堆焊隔离层→热处理(615±15)℃×8 h→坡口对接(手工氩弧焊打底,焊条电弧焊盖面)。具体焊接工艺参数见表2

3焊接性分析

31熔合区的热应力

堆焊层的焊缝金属:首先堆焊一层E309L-16的过渡层,然后堆焊E308L-16,最终厚度打磨至6 mm,则堆焊层成为含Ni量较高的奥氏体不锈钢。热导率小而线膨胀系数大,在焊接局部加热和冷却的条件下,熔合线区存在较大的热应力,并在焊缝分界面上造成应力集中。焊缝和近缝区易产生热裂纹,同时应力集中还能引起优先氧化问题,在靠熔合线合金元素量低的一边产生氧化缺口。

32稀释反应

由于金属成分相差悬殊,SA-516Gr65只含有少量的合金元素,根据杠杆定律及舍夫勒组织图,当熔合比一定时,用188型焊接材料,焊缝金属因受到珠光体母材的稀释作用,导致熔池边缘液态金属温度低,流动性差,因此过渡区易产生马氏体组织,从而增大焊接接头脆性,甚至产生裂纹。采用2520型焊接材料时,可避免产生马氏体组织,但又有可能使焊缝形成单相奥氏体组织,从而降低抗热裂纹性能。

33熔合线区的碳扩散反应

由于管板堆焊层的成分是少量铁素体+奥氏体,焊接时熔合线区的合金元素要进行重新再分配。碳元素从低合金母材一侧通过熔合区向奥氏体焊缝迁移,在珠光体母材一侧形成强度很低的脱碳层,在奥氏体一侧形成脆而硬的游离碳化铬的增碳层。高温下长时间加热时,母材脱碳层由于碳元素的减少,珠光体组织将转变为铁素体组织而软化,同时促使脱碳层处晶粒长大,沿熔合区生成粗晶粒层,导致脆化。随着热输入的增加,增碳层和脱碳层的宽度也在增加。使熔合区成为异种钢接头的最薄弱部位,危害性比稀释反应更严重。

4焊接接头力学性能及组织分析

41拉伸试验

ASME IXJB4708分别取样,抗拉强度值依次为560535540535 MPa,均高于强度较低母材的标准抗拉强度。

42侧弯试验

焊缝的横向上取4片侧弯试样,包含焊缝全横截面。按照标准GB/T232-1999进行试验,弯心直径4a,弯曲角度为180°。由图3看到,侧弯全部断裂于堆焊层焊接接头上,并且首先由先焊面开裂。这是因为打底焊时熔合比较高,熔合区内产生了脆硬性的马氏体组织。更重要的是堆焊后进行的8 h热处理过程中,σ硬化相及碳化物析出,导致整个焊接接头脆化倾向增加。

异种钢接头在350750℃范围内碳迁移强度呈现递增趋势,表现为脱碳层的铁素体化、强度和韧性降低,晶粒长大;而奥氏体不锈钢焊缝金属一侧则由于增碳析出铬的碳化物使之变得脆硬。

43夏比冲击试验

按标准取6组夏比冲击试样,并按照GB/T 229-2007-10℃进行冲击试验。试验结果见表3,冲击值满足相应标准和产品的要求。

44焊接接头金相检查和显微硬度测定

取接头局部进行了光学金相显微组织分析,如图4所示。

焊缝为典型的A+F组织,对比图4a和图4bSA-516Gr65侧熔合线处过渡均匀,组织为奥氏体和铁素体;堆焊层-母材侧熔合线为一条有一定宽度的光亮带,其显微硬度值高达478446466 HV,说明有脆硬相的析出。图5为焊接接头各区硬度值,由图5看出,堆焊层熔合线与两侧硬度值差异很大,这也解释了侧弯在此处开裂的原因。

5结论

(1)分析了异种钢焊接特点及焊接材料选用原则,选择合适的焊接材料和焊接工艺,能得到比较理想的焊接接头。

(2)堆焊层热处理后产生脆硬相导致侧弯开裂,说明E309L型焊接材料在此类焊接接头中不适于进行长时间焊后热处理以及高温运行部件的焊接。