一、 壓力容器用不銹鋼及其焊接特點

所謂不銹鋼是指在鋼中加進一定量的鉻元素后,使鋼處于鈍化狀態,具有不生銹的特性。為達到此目的,其鉻含量必須在12%以上。為進步鋼的鈍化性,不銹鋼中還往往需加進能使鋼鈍化的鎳、鉬等元素。一般所指的不銹鋼實際上是不銹鋼和耐酸鋼的總稱。不銹鋼并不一定耐酸,而耐酸鋼一般均具有良好的不銹性能。

不銹鋼按其鋼的組織不同可分為四類,即奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼。

1. 奧氏體不銹鋼及其焊接特點

奧氏體不銹鋼是應用的不銹鋼,以高Cr-Ni型普遍。目前奧氏體不銹鋼大致可分為Cr18-Ni8型、Cr25-Ni20型、Cr25-Ni35型。奧氏體不銹鋼有以下焊接特點:

① 焊接熱裂紋 奧氏體不銹鋼由于其熱傳導率小,線膨脹系數大,因此在焊接過程中,焊接接頭部位的高溫停留時間較長,焊縫易形成粗大的柱狀晶組織,在凝固結晶過程中,若硫、磷、錫、銻、鈮等雜質元素含量較高,就會在晶間形成低熔點共晶,在焊接接頭承受較高的拉應力時,就易在焊縫中形成凝固裂紋,在熱影響區形成液化裂紋,這都屬于焊接熱裂紋。

防止熱裂紋效的途徑是降低鋼及焊材中易產生低熔點共晶的雜質元素和使鉻鎳奧氏體不銹鋼中含有4% ~ 12%的鐵素體組織。

② 晶間腐蝕 根據貧鉻理論,在晶間上析出碳化鉻,造成晶界貧鉻是產生晶間腐蝕的主要原因。為此,選擇超低碳焊材或含有鈮、鈦等穩定化元素的焊材是防止晶間腐蝕的主要措施。

③ 應力腐蝕開裂 應力腐蝕開裂通常表現為脆性破壞,且發生破壞的過程時間短,因此危害嚴重。造成奧氏體不銹鋼應力腐蝕開裂的主要原因是焊接殘余應力。焊接接頭的組織變化或應力集中的存在,局部腐蝕介質濃縮也是影響應力腐蝕開裂的原因。

④ 焊接接頭的σ相脆化 σ相是一種脆硬的金屬間化合物,主要析集于柱狀晶的晶界。γ相和δ相都可發生σ相轉變。比如對于Cr25Ni20型焊縫在800℃ ~ 900℃加熱時,就會發生強烈的γ→δ轉變。

對于鉻鎳型奧氏體不銹鋼,特別是鉻鎳鉬型不銹鋼,易發生δ→σ相轉變,這主要是由于鉻、鉬元素具有明顯的σ化作用,當焊縫中δ鐵素體含量超過12%時,δ→σ的轉變非常明顯,造成焊縫金屬的明顯的脆化,這也就是為什么熱壁加氫反應器內壁堆焊層將δ鐵素體含量控制在3%~10%的原因。

2. 鐵素體不銹鋼及其焊接特點

鐵素體不銹鋼分為普通鐵素體不銹鋼和超純鐵素體不銹鋼兩大類,其中普通鐵素體不銹鋼有Cr12 ~ Cr14型,如00Cr12、0Cr13Al;Cr16 ~ Cr18型,如1Cr17Mo;Cr25 ~ 30型。

由于普通鐵索體不銹鋼中的碳、氮含量較高,故加工成形及焊接都較困難,耐蝕性也難以保證,使用受到限制,在超純鐵素體不銹鋼中嚴格控制了鋼中的碳和氮總量,一般控制在0.035% ~ 0.045%、0.030%、0.010% ~ 0.015%三個層次,同時還加進必要的合金元素以進一步進步鋼的耐腐蝕性和綜合性能。

與普通鐵素體不銹鋼相比,超純高鉻鐵素體不銹鋼具有很好的耐均勻腐蝕、點蝕及應力腐蝕性能,較多的應用于石化設備中。鐵素體不銹鋼有以下焊接特點:

① 焊接高溫作用下,在加熱溫度達到1000℃以上的熱影響區特別在近縫區的晶粒會急劇長大,焊后即使快速冷卻,也無法避免因晶粒粗大化引起的韌性急劇下降及較高的晶間腐蝕傾向。

② 鐵素體鋼本身含鉻量較高,有害元素碳、氮、氧等也較多,脆性轉變溫度較高,缺口敏感性較強。因此,焊后脆化現象較為嚴重。

③ 在400℃ ~ 600℃長時間加熱緩冷時,會出現475℃脆化,使常溫韌性嚴重下降。在550℃ ~ 820℃長時間加熱后,則輕易從鐵素體中析出σ相,也明顯降低其塑、韌性。

3. 馬氏體不銹鋼及其焊接特點

馬氏體不銹鋼可分為Cr13型馬氏體不銹鋼、低碳馬氏體不銹鋼和超級馬氏體不銹鋼。Cr13型具有一般抗腐蝕性能,從Cr12為基的馬氏體不銹鋼,因加進鎳、鉬、鎢、釩等合金元素,除具有一定的耐腐蝕性能,還具有較高的高溫強度及抗高溫氧化性能。

馬氏體不銹鋼的焊接特點:Cr13型馬氏體不銹鋼焊縫和熱影響區的淬硬傾向特別大,焊接接頭在空冷條件下便可得到硬脆的馬氏體,在焊接拘束應力和擴散氫的作用下,很輕易出現焊接冷裂紋。當冷卻速度較小時,近縫區及焊縫金屬會形成粗大鐵素體及沿晶析出碳化物,使接頭的塑、韌性明顯降低。

低碳及超級馬氏體不銹鋼的焊縫和熱影響區冷卻后,固然全部轉變為低碳馬氏體,但沒有明顯的淬硬現象,具有良好的焊接性能。

1. 奧氏體不銹鋼焊材選用

奧氏體不銹鋼焊材的選擇原則是在無裂紋的條件下,保證焊縫金屬的耐蝕性能及力學性能與母材基本相當,或高于母材,一般要求其合金成分大致與母材成分匹配。對于耐蝕的奧氏體不銹鋼,一般希看含一定量的鐵素體,這樣既能保證良好的抗裂性能,又能有很好的抗腐蝕性能。但在某些特殊介質中,如尿素設備的焊縫金屬是不答應有鐵素體存在的,否則就會降低其耐蝕性。對耐熱用奧氏體鋼,應考慮對焊縫金屬內鐵素體含量的控制。對于長時間在高溫運行的奧氏體鋼焊件,焊縫金屬內鐵素體含量不應超過5%。讀者可根據Schaeffler圖,按焊縫金屬中的鉻當量和鎳當量估計出相應的鐵素體含量。

2. 鐵素體不銹鋼焊材選用

鐵素體不銹鋼焊材基本上有三類:1)成分基本與母材匹配的焊材;2)奧氏體焊材;3)鎳基合金焊材,由于其價格較高,故很少選用。

鐵素體不銹鋼焊材可采用與母材相當的材料,但在拘束度大時,很輕易產生裂紋,焊后可采用熱處理,恢復耐蝕性能,并改善接頭塑性。采用奧氏體焊材可免除預熱和焊后熱處理,但對于不含穩定元素的各種鋼,熱影響區的敏化仍然存在,常用309型和310型鉻鎳奧氏體焊材。對于Cr17鋼,也可用308型焊材,合金含量高的焊材有利于進步焊接接頭塑性。奧氏體或奧氏體一鐵素體焊縫金屬基本與鐵素體母材等強,但在某些腐蝕介質中,焊縫的耐蝕性可能與母材有很大的不同,這一點在選擇焊材時要留意。

3. 馬氏體不銹鋼焊材選用

在不銹鋼中,馬氏體不銹鋼是可以利用熱處理來調整性能的,因此,為了保證使用性能的要求,特別是耐熱用馬氏體不銹鋼,焊縫成分應盡量接近母材的成分。為了防止冷裂紋,也可采用奧氏體焊材,這時的焊縫強度必然低于母材。

焊縫成分同母材成分相近時,焊縫和熱影響區將會同時硬化變脆,同時在熱影響區中出現回火軟化區。為了防止冷裂,厚度3mm以上的構件往往要進行預熱,焊后也往往需要進行熱處理,以進步接頭性能,由于焊縫金屬與母材的熱膨脹系數基本一致,經熱處理后有可能*消除焊接應力。

當工件不答應進行預熱或熱處理時,可選擇奧氏體組織焊縫,由于焊縫具有較高的塑性和韌性,能松弛焊接應力,并且能較多地固溶氫,因而可降低接頭的冷裂傾向,但這種材質不均勻的接頭,由于熱膨脹系數不同,在循環溫度的工作環境下,在熔合區可能產生剪應力,而導致接頭破壞。

對于簡單的Cr13型馬氏體鋼,不采用奧氏體組織的焊縫時,焊縫成分的調整余地未幾,一般都和母材基體相同,但必須限制有害雜質S、P及Si等,Si在Cr13型馬氏體鋼焊縫中可促使形成粗大的馬氏體。降低含C量,有利于減小淬硬性,焊縫中存在少量Ti、N或Al等元素,也可細化晶粒并降低淬硬性。

對于多組元合金化的Cr12基馬氏體熱強鋼,主要用途是耐熱,通常不用奧氏體焊材,焊縫成分希看接近母材。在調整成分時,必須保證焊縫不致出現一次鐵素體相,因它對性能十分有害,由于Cr13基馬氏體熱強鋼的主要成分多為鐵素體元素(如Mo、Nb、W、V等),為保證全部組織為均一的馬氏體,必須用奧氏體元素加以平衡,也就是要有適當的C、Ni、Mn、N等元素。

馬氏體不銹鋼具有相當高的冷裂傾向,因此必須嚴格保持低氫,甚至超低氫,在選擇焊材時,必須要留意這一點。

三、 壓力容器用不銹鋼焊接要點

1. 奧氏體不銹鋼焊接要點

總的來說,奧氏體不銹鋼具有優良的焊接性。幾乎所有的熔化焊接方法均可用于焊接奧氏體不銹鋼,奧氏體不銹鋼的熱物理性能和組織特點決定了其焊接工藝要點。

① 由于奧氏體不銹鋼導熱系數小而熱膨脹系數大,焊接時易于產生較大的變形和焊接應力,因此應盡可能選用焊接能量集中的焊接方法。

② 由于奧氏體不銹鋼導熱系數小,在同樣的電流下,可比低合金鋼得到較大的熔深。同時又由于其電阻率大,在焊條電弧焊時,為了避免焊條發紅,與同直徑的碳鋼或低合金鋼焊條相比,焊接電流較小。

③ 焊接規范。一般不采用大線能量進行焊接 。焊條電弧焊時,宜采用小直徑焊條,快速多道焊,對于要求高的焊縫,甚至采用澆冷水的方法以加速冷卻,對于純奧氏體不銹鋼及超級奧氏體不銹鋼,由于熱裂紋敏感性大,更應嚴格控制焊接線能量,防止焊縫晶粒嚴重長大與焊接熱裂紋的發生。

④ 為進步焊縫的抗熱裂性能和耐蝕性能,焊接時,要特別留意焊接區的清潔,避免有害元素滲透焊縫。

⑤ 奧氏體不銹鋼焊接時一般不需要預熱。為了防止焊縫和熱影響區的晶粒長大及碳化物的析出,保證焊接接頭的塑、韌性和耐蝕姓,應控制較低的層間溫度,一般不超過150℃。

2. 鐵素體不銹鋼焊接要點

鐵素體不銹鋼的鐵素體形成元素相對較多,奧氏體形成元素相對較少,材料淬硬和冷裂傾向較小。鐵素體不銹鋼在焊接熱循環的作用下,熱影響區晶粒明顯長大,接頭的韌性和塑性急劇下降。熱影響區晶粒長大的程度取決于焊接時所達到的溫度及其保持時間,為此,在焊接鐵素體不銹鋼時,應盡量采用小的線能量,即采用能量集中的方法,如小電流TIG、小直徑焊條手工焊等,同時盡可能采用窄間隙坡口、高的焊接速度和多層焊等措施,并嚴格控制層間溫度。

由于焊接熱循環的作用,一般鐵素體不銹鋼在熱影響區的高溫區產生敏化,在某些介質中產生晶間腐蝕。焊后經700~850℃退火處理,使鉻均勻化,可恢復其耐蝕性。

普通高鉻鐵素體不銹鋼可采用焊條電弧焊、氣體保護焊、埋弧焊焊等熔焊方法。由于高鉻鋼固有的低塑性,以及焊接熱循環引起的熱影響區晶粒長大和碳化物、氮化物在晶界集聚,焊接接頭的塑性和韌性都很低。在采用與母材化學成分相似的焊材且拘束度大時,很易產生裂紋。為了防止裂紋,改善接頭塑性和耐蝕性,以焊條電弧焊為例,可以采取下列工藝措施。

① 預熱100 ~ 150℃左右,使材料在富有韌性的狀態下焊接。含鉻越高,預熱溫度應越高。

② 采用小的線能量、不擺動焊接。多層焊時,應控制層間溫度不高于150℃,不宜連續施焊,以減小高溫脆化和475℃脆性影響。

③ 焊后進行750 ~ 800℃退火處理,由于碳化物球化和鉻分布均勻,可恢復耐蝕性,并改善接頭塑性。退火后應快冷,防止出現σ相及475℃脆性。

3. 馬氏體不銹鋼焊接要點

對于Cr13型馬氏體不銹鋼,當采用同材質焊條進行焊接時,為了降低冷裂紋敏感性,確保焊接接頭塑、韌性,應選用低氫型焊條并同時采取下列措施:

① 預熱。預熱溫度隨鋼材含碳量的增加而進步,一般在100℃ ~ 350℃范圍內。

② 后熱。對于含碳量較高或拘束度大的焊接接頭,焊后采取后熱措施,以防止焊接氫致裂紋。

③ 焊后熱處理。為改善焊接接頭塑、韌性和耐蝕性,焊后熱處理溫度一般為650℃ ~ 750℃,保溫時間按1h / 25mm計。

對于超級及低碳馬氏體不銹鋼,一般可不采取預熱措施,當拘束度大或焊縫中含氫量較高時,采取預熱及后熱措施,預熱溫度一般為100℃ ~ 150℃,焊后熱處理溫度為590 ~ 620℃。

對于含碳量較高的馬氏體鋼。或在焊前預熱、焊后熱處理難以實施,以及接頭拘束度較大的情況下,工程中也可用奧氏體型的焊材,以進步焊接接頭的塑、韌性,防止產生裂紋。但此時焊縫金屬為奧氏體組織或以奧氏體為主的組織時,與母材強度相比實為低強匹配,而且焊縫金屬與母材在化學成分、金相組織、熱物理性能、力學性能差別很大,焊接殘余應力不可避免,輕易引發應力腐蝕或高溫蠕變破壞。

四、 雙相不銹鋼的焊接

1. 雙相不銹鋼的類型

雙相不銹鋼由于具有奧氏體+鐵素體雙相組織,且兩個相組織的含量基本相當,故兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特點。屈服強度可達400Mpa ~ 550MPa,是普通奧氏體不銹鋼的2倍。與鐵素體不銹鋼相比,雙相不銹鋼的韌性高,脆性轉變溫度低,耐晶間腐蝕性能和焊接性能均明顯進步;同時又保存了鐵素體不銹鋼的一些特點,如475℃脆性、熱導率高、線膨脹系數小,具有超塑性及磁性等。與奧氏體不銹鋼相比,雙相不銹鋼的強度高,特別是屈服強度明顯進步,且耐孔蝕性、耐應力腐蝕、耐腐蝕疲憊等性能也有明顯的改善。

雙相不銹鋼按其化學成分分類,可分為Cr18型、Cr23(不含Mo)型、Cr22型和Cr25型四類。對于Cr25型雙相不銹鋼又可分為普通型和超級雙相不銹鋼,其中近年來應用較多的是Cr22型和Cr25型。我國采用的雙相不銹鋼以瑞典產居多,具體牌號有:3RE60(Cr18型),SAF2304 (Cr23型),SAF2205 (Cr22型),SAF2507(Cr25型)。

2. 雙相不銹鋼的焊接特點

① 雙相不銹鋼具有良好的焊接性,它既不像鐵素體不銹鋼焊接時熱影響區易脆化,也不像奧氏體不銹鋼易產生焊接熱裂紋,但由于它有大量的鐵素體,當剛性較大或焊縫含氫量較高時,有可能產生氫致冷裂紋,因此嚴格控制氫的來源是非常重要的。

② 為了保證雙相鋼的特點,確保焊接接頭的組織中奧氏體及鐵素體比例合適是這類鋼焊接的關鍵所在。當焊后接頭冷卻速度較慢時,δ→γ的二次相變化較充分,因此到室溫時可得到相比例比較合適的雙相組織,這就要求在焊接時要有適當大的焊接熱輸人量,否則若焊后冷卻速度較快時,會使δ鐵素體相增多,導致接頭塑韌性及耐蝕性嚴重下降。

3. 雙相不銹鋼焊材選用

雙相不銹鋼用的焊材,其特點是焊縫組織為奧氏體占優的雙相組織,主要耐蝕元素(鉻、鉬等)含量與母材相當,從而保證與母材相當的耐蝕性。為了保證焊縫中奧氏體的含量,通常是進步鎳和氮的含量,也就是進步約2% ~ 4%的鎳當量。在雙相不銹鋼母材中,一般都有一定量的氮含量,在焊材中也希看有一定的含氮量,但一般不宜太高,否則會產生氣孔。這樣鎳含量較高就成了焊材與母材的一個主要區別。

根據耐腐蝕性、接頭韌性的要求不同來選擇與母材化學成分相匹配的焊條,如焊接Cr22型雙相不銹鋼,可選用Cr22Ni9Mo3型焊條,如E2209焊條。采用酸性焊條時脫渣優良,焊縫成形美觀,但沖擊韌性較低,當要求焊縫金屬具有較高的沖擊韌性,并需進行全位置焊接時,應采用堿性焊條。當根部封底焊時,通常采用堿性焊條。當對焊縫金屬的耐腐蝕性能具有特殊要求時,還應采用超級雙相鋼成分的堿性焊條。

對于實心氣體保護焊焊絲,在保證焊縫金屬具有良好耐腐蝕性與力學性能的同時,還應留意其焊接工藝性能,對于藥芯焊絲,當要求焊縫成形美觀時,可采用金紅石型或鈦鈣型藥芯焊絲,當要求較高的沖擊韌度或在較大的拘束度條件下焊接時,宜采用堿度較高的藥芯焊絲。

對于埋弧焊宜采用直徑較小的焊絲,實現中小焊接規范下的多層多道焊,以防止焊接熱影響區及焊縫金屬的脆化,并采用配套的堿性焊劑。

4. 雙相不銹鋼的焊接要點

① 焊接熱過程的控制 焊接線能量、層間溫度、預熱及材料厚度等都會影響焊接時的冷卻速度,從而影響到焊縫和熱影響區的組織和性能。冷卻速度太快和太慢都會影響到雙相鋼焊接接頭的韌性和耐腐蝕性能。冷卻速度太快時會引起過多的α相含量以及Cr2N的析出增加。過慢的冷卻速度會引起晶粒嚴重粗大,甚至有可能析出一些脆性的金屬間化合物,如σ相。表1列出了一些建議的焊接線能量和層間溫度的范圍。在選擇線能量時還應考慮到具體的材料厚度,表中線能量的上限適合于厚板,下限適合于薄板。在焊接合金含量高的ω(Cr)為25 % 的雙相鋼和超級不銹鋼時,為獲得的焊縫金屬性能,建議層間溫度控制在100℃。當焊后要求熱處理時可以不限制層間溫度。

② 焊后熱處理 雙相不銹鋼焊后不進行熱處理,但當焊態下α相含量超過了要求或析出了有害相,如σ相時,可采用焊后熱處理來改善。所用的熱處理方法是水淬。熱處理時加熱應盡可能快,在熱處理溫度下的保溫時間為5 ~ 30min,應該足以恢復相的平衡。在熱處理時金屬的氧化非常嚴重,應考慮采用惰性氣體保護。對于ω(Cr)為22 % 的雙相鋼應在1050℃ ~ 1100℃溫度下進行熱處理,而ω(Cr)為25 % 的雙相鋼和超級雙相鋼要求在1070℃ ~ 1120℃溫度下進行熱處理。

五、 不銹鋼壓力容器焊接實例

直徑為800mm,壁厚為10mm的閃蒸罐,殼體材質為0Cr18Ni9。

說明:

① 筒體直徑為800mm,焊工可以鉆進筒體內焊接,故筒體縱、環縫故采用焊條電弧焊進行雙面焊。

② 本設備無人孔,故合攏焊縫只能從外側焊接。為保證焊接質量,采用TIG焊打底。但不銹鋼氬弧焊焊接時背面金屬會被氧化,以前只能通過采用背面充氬保護的方法,但是當設備較大或背面無法實施氬氣保護時,將大量浪費氬氣,且仍可能出現保護不好。

為解決這一工藝困難,日本油脂公司焊接事業部開發制造了一種背面自保護不銹鋼TIG焊絲,這是一種具有特殊涂層的焊絲,涂層(即藥皮)熔化后會滲透到熔池背面,形成一層致密的保護層,相當于焊條藥皮的作用。

這用焊絲的使用方法與普通的TIG焊絲*相同,涂層不會影響正面的電弧和熔池形態,大大降低了不銹鋼氬弧焊的焊接本錢。本設備中,若采用背面氬氣保護,氬氣浪費嚴重,故采用了自保護焊絲。

③ 接管與平焊法蘭角焊縫、接管與殼體角焊縫,鑒于此部位焊縫外形和焊接條件,一般選用焊條電弧焊。若接管直徑太小,為了減少焊接難度,也可以采用TIG焊。

④ 支座與殼體焊接角焊縫屬非承壓焊縫,采用熔化極氣體保護焊(保護氣體為純CO2),效率高,焊縫成形好。TFW-308L為焊材牌號,其焊材型號為E308LT1-1(AWS A5.22)。