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奧氏體不鏽鋼管焊接氣孔產生原因及防止措施
發布者:不鏽鋼管廠(www.osunblock.com.cn) 發布時間:2020/4/16 閱讀:346

  浙江向日葵电影韩国高清特鋼有限公司在電弧焊試驗基礎上,分析了奧氏體不鏽鋼管焊接氣孔產生的原因及對策。結果表明:通過對母材表麵處理和焊條藥皮、結晶模式、焊接工藝參數等的合理控製,可以有效減少焊縫中的氣孔。奧氏體不鏽鋼管具有良好的耐腐蝕性,韌性高,耐磨性及焊接性能良好,加上工作溫度範圍寬廣,既可以用於高溫場合,又可以用於低溫場合,在石油化工、航空航天、汽車、船舶、製冷等製造業中應用廣泛。奧氏體不鏽鋼管的焊接性能主要與焊縫金屬中的氣孔、焊接熱裂紋及焊接接頭的耐腐蝕性有關。焊接氣孔是鉻-鎳奧氏體不鏽鋼焊接常見的一種焊接缺陷,焊接氣孔不僅削弱焊縫的有效工作麵積,還會造成應力集中,顯著降低焊縫的強度及韌性,嚴重影響焊縫的動載荷強度和疲勞強度,還有可能誘發裂紋。所以分析奧氏體不鏽鋼焊接氣孔產生的原因及對策,對保證焊接質量有十分重要的意義。


一、實驗材料與方法

 1. 奧氏體不鏽鋼管基材選用厚度為6mm的0Gr18Ni9管材,不鏽鋼焊條牌號A102。奧氏體不鏽鋼基材和不鏽鋼焊條的化學成分見表。


 2. 實驗方法

   不鏽鋼焊接試板機械加工60°V形坡口,鈍邊2mm。焊接試板待焊處兩側各20mm表麵應清理幹淨,不應殘留有任何汙漬、油漆標記、氧化皮及其他雜質。可用酒精或丙酮進行擦洗,再用清水衝淨,幹燥處理,必要時還可先進行打磨。焊條按焊接工藝規定進行烘幹,減少焊接過程水分入侵。如果選擇堿性焊條要在350~400℃烘箱中烘焙1~2小時。采用焊條電弧焊,直流反接。如采用多層多道焊,每焊完一道要徹底清除熔渣,層間溫度應低於60℃。用放大鏡或低倍顯微鏡觀察機械切割或打磨的焊接接頭表麵的宏觀形貌及氣孔分布情況。


二、實驗結果及討論

 1. 焊縫氣孔的氣體來源電弧焊時,奧氏體不鏽鋼焊縫中產生的氣孔主要是氫氣孔,焊條藥皮中的水分及工件表麵的油汙等分解產生的氫是產生氫氣孔的主要原因。焊接溫度的升高,氫的溶解度越大,熔池在結晶時,氫的溶解度會發生陡降,使氫在焊縫中達到過飽和狀態,氫原子複合生成氫氣,氫氣不溶於金屬,若逸出條件有限,則在焊縫中形成氣孔。在焊接生產中由氮氣引起的氣孔較少,氮的來源主要由於焊接過程保護不良,較多的空氣侵入熔池所致,氮氣孔形成的原因與氫氣孔類似。奧氏體不鏽鋼中的碳含量一般較低,並且鋼中含有大量合金元素對氧的親和力較大,所以,一般不會產生一氧化碳氣孔。

 2. 焊縫氣孔的類型及特征

  a. 表麵氣孔:   焊縫的表麵氣孔如圖所示,圖中分布的氣孔是焊縫表麵的氫氣孔,氣孔為圓形,大小及分布不均。

  b. 分散氣孔 :  焊縫的分散氣孔如圖所示。這是焊縫橫截麵切割麵上的氣孔分布,圖中是比較分散的、大小均勻的氫氣孔。

  c. 鏈狀氣孔:   焊縫的鏈狀氣孔呈鏈狀分布的、內壁光亮的、大小不均的氫氣孔。

  d.密集氣孔:   焊縫的密集氣孔是熔池結晶時,氫析出聚集在晶枝間,形成密集的小氣孔,待熔池完全結晶,氣孔卻沒能上浮逸出,形成局部密集的氣孔[2]。因實驗條件所限,本實驗沒發現鏈狀氣孔和密集氣孔。


 3. 焊接氣孔的形成過程研究表明:焊縫氣孔的形成全過程是:熔池中吸收了較多的氣體而達到過飽和狀態→氣體在一定條件下聚集形核→氣泡核心長大為具有一定尺寸的氣泡→氣泡上浮受阻殘留在凝固後的焊縫中形成氣孔。可見,焊縫氣孔的形成是以上四個環節共同作用的結果。


 4. 焊縫氣孔產生的主要影響因素

  a. 焊條藥皮中水分含量對氣孔形成的影響

    在工件焊接區域清理得比較幹淨的情況下,形成焊縫中的氫主要來源於藥皮中的水分。在實際操作時,為防止氣孔產生,一般都要求焊條在使用前進行烘幹處理,以排除多餘的水分。藥皮中的水分較小時,焊縫金屬中生成氣孔的傾向性也較小。但是,藥皮過於幹燥又會導致藥皮開裂脫落,影響焊接的工藝性。


  b. 焊縫結晶模式對氣孔形成的影響

   不鏽鋼焊縫產生氣孔的敏感性與焊縫金屬的結晶模式有關,熔池金屬的化學成分不同,相變過程及結晶後的組織也不同,不鏽鋼焊縫的結晶模式有2種情況:

   鉻當量/鎳當量<1.5時,焊縫為先奧氏體結晶模式(AF),即焊縫先結晶為γ相,然後發生部分γ→α轉變。AF結晶模式首先析出奧氏體,盡管鉻等鐵素體形成元素偏析的影響,在奧氏體晶粒邊界生成了共晶鐵素體,但是,由於氫在奧氏體中的溶解度比鐵素體高,結晶時從液相中析出的氫大部分已溶解於奧氏體中,氣體狀態的氫數量很少。加之在結晶過程中固—液相之間的界麵能比較高,樹枝晶的二次晶軸不易生長,因此,氣泡不易在此形核。

   鉻當量/鎳當量>1.5時,焊縫為先鐵素體結晶模式(FA),即焊縫先結晶為δ相,然後發生部分δ→γ相變。FA結晶模式首先析出鐵素體,隨著結晶過程的進行,由於鎳等奧氏體形成元素的偏析,發生包晶—共晶反應,生成奧氏體。這些奧氏體在結晶過程中向鐵素體內長大,使初晶的鐵素體逐漸縮小,最終使初晶鐵素體處於晶粒中心,形成蠕蟲狀、骨架狀、網狀或花邊狀。由於固—液相之間的界麵能較低,樹枝晶的二次晶軸容易生長,為氣泡的形核提供了有利條件。且在液相結晶時析出的隻有一小部分溶於δ鐵素體中,因而氣泡容易生成。熔池的逸出條件差時,就會殘留在焊縫中形成氣孔。


  c. 焊接工藝對氣孔形成的影響

    焊接工藝參數決定熔池存在時間,熔池存在的時間越短,氣體越不容易逸出,形成氣孔的傾向越大。熔池存在時間與主要焊接工藝參數之間的關係為ts=KUIυ式中,ts:熔池存在時間,s;K:與被焊金屬物理性能有關的係數;U:電弧電壓,V;I:焊接電流,A;υ:焊接速度,cm/s。由上式可以看出,若電弧功率(UI)不變,焊接速度(υ)增大時,則熔池存在的時間減小,氣孔傾向增大,若焊接速度不變,功率增加時,則熔池的存在時間增大,有利於氣體的逸出,氣孔傾向減小。研究表明:電弧功率的增加也會產生不利影響,一方麵,因為電流增大,溫度高,使得熔滴變細、比表麵積增大,導致吸收溶入更多的氫,反而增大了氣孔傾向,另一方麵,因為電弧電壓提高,弧長增大,使熔滴過渡的距離加長,氣體保護不良,也會吸收溶入較多的氫,不僅形成氫氣孔的傾向增大,還容易產生氮氣孔。因此,通過調節焊接電流、電壓和焊接速度(q=UI/υ也稱線能量)的方法來防止氣孔的效果並不明顯。


 5. 焊件焊前的清理焊前應將焊接工件坡口兩側20~30mm範圍內的表麵清理幹淨,如有油汙,可用酒精或丙酮等有機溶劑進行擦拭。為防止氣孔產生,應避免使用藥皮受潮、變質、剝落的焊條。焊前應對焊條進行複烘,烘幹後應立即使用,或存放在100~150℃的烘箱或保溫筒內,隨用隨取。


 6. 有條件時可控製焊縫合金成分,使焊縫中鉻當量/鎳當量<1.5,焊縫結晶時為先奧氏體結晶模式(AF),也能有效減少奧氏體不鏽鋼焊縫中的氣孔。


 7. 焊接工藝參數的選擇焊接工藝直接影響電弧周圍的氣體溶入熔融金屬以及熔池中氣體的逸出,焊接工藝不正確會使得電弧不穩定以致失去應有的保護作用,周圍氣體的侵入會增大氣孔傾向。焊接參數主要影響熔池高溫存在的時間,或者說是影響氣體溶入及析出的時間,氣體能否逸出出與熔池在高溫液態停留的時間有關。熔池在高溫液態停留的時間越長,就越有利於氣體的逸出,也就越不容易形成氣孔,反之,則越容易形成氣孔。電弧焊時,電流的種類和極性對焊縫氣孔也有影響。采用直流焊接時,焊縫含氫量要比交流焊接低。采用反極性焊接時,焊縫含氫量要比正極性接低。實際焊接生產前,應根據焊接件材料、焊接方法、接頭形式等因素綜合考慮並經氣孔敏感性試驗後,優化工藝參數。


三、結論

   1. 奧氏體不鏽鋼管的焊接氣孔主要是氫氣孔,氫的主要來自焊條藥皮中的有機物、結晶水或吸附水、焊件表麵的汙染物、空氣中的水分等。焊件的清理及焊條的幹燥處理可避免這些因素引起的氣孔。
 
   2. 選擇合適的焊條,控製焊縫合金的成分,使焊縫中鉻當量/鎳當量<1.5,焊縫結晶時為先奧氏體結晶模式(AF),也能有效減少奧氏體不鏽鋼焊縫中的氣孔。

   3. 實際焊接生產前,應根據焊接件材料、焊接方法、接頭形式等因素綜合考慮並經氣孔敏感性試驗後,優化工藝參數。

 
 

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