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焊材冶金特性对不锈钢焊缝金属超低温韧性的影响(上)太原理工大学焊接材料研究所(山西030024)孙咸【摘 要】介绍了超低温用不锈钢的焊接性,分析了超低温不锈钢焊接材料的冶金特性及影响因 素,探讨了超低温不锈钢焊接材料的类型对焊缝金 属韧性的影响。结果表明,奥氏体不锈钢的焊接性 是很好的,但如果焊接材料选用不合适,或施焊工 艺不正确,亦会出现焊缝热裂倾向和焊缝超低温 韧性不达标等问题。影响焊接材料冶金特性的主要 因素是焊缝组织、化学成分、熔渣性质和工艺参数 等,对焊缝超低温冲击能量不利的影响因素主要来 自药皮、药粉、焊剂及焊接工艺。焊接材料的类型 对不锈钢焊缝金属超低温冲击能量有明显的影响, 钨极氩弧焊焊材的冲击吸收能量最高,焊缝韧性储 备最大,其次是气体保护焊焊材,电焊条、药芯焊 丝和埋弧焊焊接材料焊缝金属的低温冲击能量也能 达标,有的韧性储备还很不错。硬的性能,是获得优质焊缝的必要条件,而合理、 正确的焊接工艺规范则是充分条件,二者缺一不 可。为此,本文特意将典型焊接材料与奥氏体不锈 钢的焊接性相联系,探讨焊接材料的冶金特性对不 锈钢焊缝金属超低温韧性的影响。该项研究对推动 企业技术进步、提升产品竞争力,具有实用意义和 参考价值。2.超低温不锈钢的焊接性所谓超低温不锈钢,是指在超低温下(如 196 下)服役的、且具有良好的耐腐蚀性和极 好的低温韧 性的一类奥氏体不锈钢。这类奥氏体 不锈钢的典型代表是304L和316L,其化学成分和 力学性能如表1所示。可以看出,它们是18-8型和 18-12-M o2型超低碳奥氏体不锈钢,其典型显微组 织是单相奥氏体。虽然一般认为奥氏体不锈钢焊接 性良好,但如果焊接材料选用不合适,或施焊工艺 不正确,也会出现两种焊接性问题:焊缝的热裂纹 倾向和焊缝超低温韧性不达标。 关于焊缝的热裂纹倾向问题,由于奥氏体型不 锈钢的热导率小、线膨胀系数大,焊缝金属凝固会 在接头区产生较大的拉应力;同时焊缝粗大的柱状 晶组织,有利于焊接过程带入的有害杂质偏析及晶 间液态夹层的形成。上述两大因素的存在,使得焊 接接头热裂纹现象屡有发生。关于焊缝的超低温韧 性不达标问题,如表1所示,虽然奥氏体型不锈钢 具有极好的低温韧性,但是,其焊缝金属的低温韧 性却受到多种因素的影响,比如在采用焊条电弧焊 接、药芯焊丝和埋弧焊等方法时,由于焊接过程中 焊药组成物不可避免地进入焊缝,焊缝的成分和组1.概述 奥氏体不锈钢以其良好的耐腐蚀性和超低温 韧性等综合性能,在液化天然气( LNG )设施 等深冷低温液体储运容器结构中获得了应用。虽 然一些研究人员不约而同给这类钢焊接性的评价 为“良好”,但在焊接工艺评定或施工现场施焊 时,并不是在所有的情况下都能轻易获得非常满意 的结果。在一些情况下,焊缝的196冲击能量 偏低或不合格、焊缝的热裂纹倾向也屡有发生。这 表明,一方面是对该钢焊接性的评估太过乐观,另 一方面对配套焊接工艺关键技术的控制尚不到位。 换言之,对焊接材料自身性能与施工工艺之间关系 的认识尚需逐步提升。因为焊接材料自身良好、过表1 典型超低温不锈钢的化学成分和力学性能A kv/J注:化学成分单个数字表示最大值,室温力学性能表示下限值。织被改变,一些不利因素的出现致使焊缝不能获得 满意的低温韧性。3.超低温不锈钢焊接材料的冶金特性及影响 因素根据焊接方法的不同,超低温不锈钢焊接材料 可分为:电焊条、TIG焊丝、MIG焊丝、埋弧焊丝 焊剂及药芯焊丝等。超低温不锈钢焊接材料的工 艺评定表明,凡是采用带有药粉的焊材,如电焊 条、药芯焊丝、埋弧焊焊丝焊剂焊接时,其焊 缝金属的超低温韧性就有可能不达标(即G B1501998钢制压力容器附录C中,奥氏体不锈钢焊 缝金属V型缺口冲击吸收能量A kv31J的规定), 该现象是焊材的冶金特性所决定的。在焊接电弧热 过程作用下,填充材料和部分母材进入熔池,所形 成焊缝金属的化学成分可能接近母材,但焊缝金属的组织和性能不可能完全等同于母材。焊缝金属组 织上的明显变化是出现了铁素体相,性能上的变化 是超低温韧性指标冲击吸收能量数值偏低,有的甚 至不达标。分析表2中试验数据,可以看出,至少 有4个方面的因素影响焊接材料的冶金特性。 (1) 焊缝微观组织的影响 从表1可看出,母 材 的超低温冲击值很高,达120J以上。这是由于母 材 的组织为单相奥氏体,具有面心立方结构,滑 移 系较多,塑性好、易变形的结果。采用A137焊 条焊 接后(见表2),焊缝变为AF双相组织,焊 缝超低 温冲击值很低,只有21J,未达标。这是由 于在熔 化焊接过程中,随着焊条填加物质进入熔 池,可 能使焊缝增氧、增氢,而且变为AF双相 组织, 高达7%11%的铁素体含量可能是导致焊 缝冲击 吸收能量值低的主要原因。表2 几种焊接材料熔敷金属化学成分及力学性能注:化学成分单个数字表示最大值,室温力学性能表示下限值。采用A107焊条焊接时,尽管焊缝依然变为A F双相组织,但焊缝超低温冲击值已经提升至32J, 刚好达标(见表2)。焊缝铁素体含量降低至6% 8%显然是起了好的作用。不难看出,对于双相不 锈钢焊缝组织,控制铁素体含量,可以有效提高 焊缝超低温冲击吸收能量。 采用神钢316M F焊条焊接时,焊缝组织形成单 相A,焊缝超低温冲击值高达83J。这表明,在一定的合金系统和凝固模式条件下,单相A焊缝获得 高值超低温冲击吸收能量也是可能或可行的。 (2)焊缝化学成分的影响 从表2可看出,成 分决 定组织,组织决定性能。只要合理控制Creq/ Nieq 比值,即可使焊缝获得A少量F双相组织; 如此, 既可保证焊缝金属具有一定的超低温韧性指 标,又 能够有效控制奥氏体焊缝的热裂纹倾向。(待续)(20110927)焊接与切割2011年 第20期焊 材 牌 号化学成分(质量分数,%)力 学 性 能CSiMnPSNiCrMo抗拉强度R m/MPa冲击吸收功 A kv/J (196)铁素体 (%)A1370.0500.631.830.0260.0109.8820.4369021711A1070.0560.371.440.0180.0079.6619.776773268A0020.0300.321.610.0200.00510.4020.165523856林肯316L0.0340.341.440.0220.00813.7017.402.295415801神钢316MF0.0350.345.610.0110.00216.7018.563.01540830钢种 UNS NO化学成分(质量分数,%)室温力 学 性 能CMnPSSiCrNiMo抗拉强度R m/MPa屈服强度R eL/MPa断后 伸 长率 A ()冲击吸收能量(196)304LS304030.032.00.0450.031.018.020.08.012.048017040124316LS316030.032.00.0450.031.016.018.010.014.0 2.03.048017040122file:/C|/Users/Administrator/Desktop/新建文本文档.txt涵盖各行业最丰富完备的资料文献,最前瞻权威的行业动态,是专业人士的不二选择。file:/C|/Users/Administrator/Desktop/新建文本文档.txt2012/8/26 12:19:58
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