多功能机组清渣装置不锈钢抓斗焊接材料选用研究
来源:用户上传
作者: 于书文
[摘 要]Alloy20是一种镍-铬-铁合金，具有多种优异性能，其耐高温、耐腐蚀性能相对突出；Q345B是屈服强度为275-345MPa级的钢板，有良好的综合力学性能和工艺性能，用量较大。我公司多功能机组清渣装置不锈钢抓斗由焊接制成，组成部件正是包括了这两种钢材，而对于异种钢焊接，焊接材料的选择相当重要的，直接影响抓斗产品的使用寿命及性能。本实验就二者焊接所选用的焊条进行了研究，通过焊缝外观质量、弯曲实验、金相组织等方面数据，最终确认A402焊条适用于多功能机组清渣装置不锈钢抓斗焊接。
[关键词]Alloy20；Q345B；焊接；热裂纹
中图分类号：TG42 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2015）18-0247-02
1.前言
Alloy20以耐高温、耐硫酸腐蚀为主要目的的高镍（铁镍基）合金，相当于中国的双相不锈钢0Cr25Ni20。Alloy20对氧化性和中等还原性腐蚀有很好的抵抗能力，具有优异的抗应力腐蚀开裂能力和好的耐局部腐蚀能力。Alloy20比镍基材料的成本低，我公司此钢种主要应用于多功能机组清渣装置不锈钢抓斗（见图1）。本文选用了三种常用奥氏体不锈钢焊条施焊异种钢试件，并进行了裂纹、微观金相及弯曲试验。
2.焊条选择
2.1 异种钢焊接时，焊接材料选用通则：
1）必须保证焊接接头的使用性能，即保证焊缝金属、过渡区、热影响区等接头区域具有良好的力学性能和综合性能；保证焊接接头具有良好的焊接性能，即在接头区域不能出现热裂纹、冷裂纹及其他超标的焊接缺陷；保证焊缝金属具有所要求的综合性能，如耐腐蚀性、热强性及抗氧化性等。
2）在焊接接头不能产生裂纹等缺陷的前提下，如果不可能兼顾焊缝金属的强度和塑性，则应该选用塑性较好的焊接材料。
3）焊接材料应经济、易于批量生产或货源充足，同时具有良好的工艺性能，焊缝成形美观。
2.2 本实验选用以下3种焊条进行试验（见表1）：
2.3 焊材与母材化学成分（wt%）（见表2）
3.施焊试样
试板两侧母材为Alloy20及Q345B，δ=14mm。分别采用A102、A302、A402焊条施焊三组试板。
3.1 试板坡口形式（见图2）：
3.2 焊接工艺参数（见表3）
4.试样检验
4.1 A102焊条施焊试样
施焊时，从第一层打底焊开始便产生纵向裂纹，最终盖面焊道仍出现裂纹（见图3）：
从裂纹形式来看，试板中裂纹属于热裂纹。材料中含有较多的合金元素时，焊接时易产生方向性很强的粗大柱状晶组织，同时增大了液固相线的间距，加剧了偏析。奥氏体不锈钢焊缝结晶时，液、固相线的区间较大，结晶时间较长，且奥氏体结晶的枝晶方向性强，所以杂质偏析现象比较严重，并在晶界积聚。
由于A102焊条中Ni含量较低，且Q345B相对于Alloy碳含量较高，焊缝中近Alloy20侧Ni含量被严重稀释，依据舍夫勒组织图可推断出，该部分含有一定的马氏体组织，导致该部位强度高、韧性差，是产生热裂纹的最终根源。
4.2 A302焊条施焊试样
焊接时每一焊层都产生了少量裂纹，经打磨修补可一定程度减少，但仍存在（见图4）：
对试样进行纵向弯曲、侧弯试验，在Alloy20侧熔合线附近均产生裂纹（见图5）：
A302焊条化学成分与A102相似，但Cr、Ni含量增加了3%左右。Cr、Ni含量的增加，一方面减小了焊缝中合金元素的稀释程度，另一方面Ni元素有助于焊缝奥氏体化，增加焊缝的塑性，提高焊缝的屈强比。由于A302焊条及Q345B中S含量均为10倍于Alloy20，所以焊缝裂纹呈热裂纹形态。
4.3 A402焊条施焊试样
打底焊为实现单面焊双面成形，坡口间隙为2.5-3mm，打底焊焊道两头出现少量裂纹，这是焊接结束收弧时，由于杂质偏析导致收弧处产生收弧裂纹。经修补后，在后续焊接过程中无裂纹出现（见图6）。
A402焊条有着与A302焊条相似的化学成分，并且增加了7.8%的Ni。Ni是形成和稳定奥氏体的主要合金元素，而且Ni均可以降低钢的临界转变温度和各元素在钢中的扩散速度，提高钢的淬透性，进而提高其抗裂性能。同时A402焊条增加了2.5%的Mo，Mo和C有很大的亲和力，可析出一系列特殊的碳化物，如MoC、Mo2C、（Mo、Fe）23C6、（Mo、Fe）6C等，并且Mo元素对焊缝产生细化晶粒的作用，也提高其抗裂性能。
4.3.1 无损检测
对A402焊条焊接的试板，进行100%RT检测，符合JB/T4730.2-2005《承压设备无损检测》II级合格。
4.3.2 微观金相
将试样进行加工，在电子显微镜下观察。仪器型号：Axiovert 40 MAT YX-L-038，试验标准：GB/T 13298-1991《金属显微组织检验方法》。焊缝组织：奥氏体+δ铁素体（见图7） ：
4.3.3 弯曲试验
按NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》进行侧向弯曲试验，试样完好无缺陷（见图8）：
5.结论
综合以上试验，在Alloy20与Q345B形成的异种钢焊接接头中，A102、A302焊条由于Cr、Ni元素含量低、S含量高，导致焊接过程中易产生热裂纹。A402属于超低碳焊条，而且相对于A102及A302焊条，增添了2.5%的Mo，Mo的一个重要作用就是细化晶粒，增加抗裂性；同时A402中Ni元素含量的提高，有效的改善钢的低温性能特别是韧性，并Ni可以降低钢的临界转变温度和各元素在钢中的扩散速度，提高钢的淬透性，进而也提高其抗裂性能。最终确认，A402焊条适用于Alloy20与Q345B的异种钢焊接。
参考文献
[1] 邹增大，杜则裕，等.焊接手册.材料的焊接.中国机械工程学会焊接学会.2009.6
[2] 于世行，郝丁华.镍基耐蚀合金焊接工艺[J].石油化工应用.2008，27（3）：87-89.
[3] 薄春雨，杨玉亭，周世锋，等.镍基耐蚀材料焊接结晶裂纹敏感性的研究现状与趋势[J].焊接，2006（2）：15-18.
[4] 聂敏，李军，陈小艺，等.高温镍基合金MAN900焊接热裂纹的预防[J].焊接技术，2006，1：12-15
[5] 尚亚儒.合金20Cb-3不锈钢管道焊接技术[J].石油化工设备，2006（4）：59-61.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-7410419.htm
