廢氣處理燃燒爐殼裂紋原因及焊接修復(fù)

朱 寧，何耀飛，梁恩榮，潘子祥

（攀鋼集團焊工培訓(xùn)中心，四川攀枝花617000）

廢氣處理燃燒爐殼裂紋原因及焊接修復(fù)

朱 寧，何耀飛，梁恩榮，潘子祥

（攀鋼集團焊工培訓(xùn)中心，四川攀枝花617000）

針對材質(zhì)為0Cr18Ni9的奧氏體不銹鋼燃燒爐，分析高溫環(huán)境使用產(chǎn)生裂紋的原因及焊接性能，通過選擇合適的焊接材料和制定合理的工藝措施，成功修復(fù)裂紋缺陷，保證0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的高溫使用性能和要求。

奧氏體不銹鋼；裂紋原因；焊接材料選擇；工藝及措施

0 前言

西昌衛(wèi)星發(fā)射基地用于發(fā)射運載火箭的高燃值燃料燃燒后產(chǎn)生的廢氣是有害氣體，必須吸收到燃燒爐內(nèi)進行回?zé)幚?。燃燒爐的整體外殼是用0Cr18Ni9不銹鋼材料組裝的雙層焊接而成，每層厚8 mm，殼體最大外徑φ1 500 mm，層間通冷卻水，工作時外殼溫度500℃～900℃。由于在高溫下長期使用，兩座燃燒爐殼體內(nèi)外焊縫處及近縫區(qū)出現(xiàn)多處裂紋，如圖1所示，造成漏水、漏氣現(xiàn)象，無法繼續(xù)使用，嚴重影響運載火箭的發(fā)射工作，要求及時修復(fù)處理裂紋。之前選擇與0Cr18Ni9不銹鋼成分和性能相匹配的A102焊條，對其中一座燃燒爐的裂紋處進行焊接修復(fù)，但使用一段時間后原修復(fù)處及近縫又產(chǎn)生裂紋。為確保焊接修復(fù)質(zhì)量，分析裂紋原因，選擇合適的焊接材料和合理的工藝及措施，保證燃燒爐的使用性能和要求。

1 裂紋原因

1.1 腐蝕的影響

燃燒爐殼的層間用于冷卻的自來水每次工作完后都未放出，經(jīng)自來水廠的檢測數(shù)據(jù)分析，每年水中Cl-的平均含量較高（＞25 mg/L）。根據(jù)Cl-對金屬材料的腐蝕機理[4]，任何金屬材料都不同程度地存在非金屬夾雜物，如硫化物、氧化物等，這些在材料表面的非金屬化合物在Cl-的腐蝕作用下很快形成坑點腐蝕形態(tài)。對于0Cr18Ni9不含Mo的不銹鋼材料，雖然表面具有較致密的氧化膜，但在靜止的水中Cl-易吸附在不銹鋼表面的氧化膜上產(chǎn)生坑點腐蝕現(xiàn)象，從而誘導(dǎo)應(yīng)力腐蝕，在應(yīng)力作用下易導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。Mo能有效提高不銹鋼表面的鈍化和再鈍化能力[2]，如果鋼中含有一定量的Mo（≥3%）時，能充分阻止Cl-向材料基體的滲透作用，提高耐孔腐蝕的性能。

圖1 焊縫及近縫區(qū)裂紋

1.2 母材和焊縫中鐵素體含量的影響

燃燒爐長期在高溫下工作（500℃～900℃），如果奧氏體不銹鋼中的鐵素體含量偏大，會產(chǎn)生脆性相，從而導(dǎo)致材料性能變化。鐵素體在500℃～925℃長時間時效會產(chǎn)生一種Fe-Cr金屬間化合物[3]，使金屬在熱態(tài)時變脆，稱為σ相脆性。σ相硬而脆（HRC＞68），可顯著降低鋼的塑性和韌性。σ相主要是由鐵素體演變而來，當(dāng)鐵素體含量超過5%時，很快形成σ相。

不銹鋼中鉻是鐵素體形成元素，鎳是奧氏體形成元素，如果選擇不合適的焊接材料，焊縫熔敷金屬冷卻過程中也會產(chǎn)生一定含量的鐵素體。通過WRC-1992組織圖（見圖2）的鉻、鎳當(dāng)量值，可以較為精確地預(yù)測不銹鋼金屬和焊縫熔敷金屬的鐵素體含量[2]。

圖2 WRC-1992組織圖

燃燒爐殼0Cr18Ni9屬18-8型奧氏體不銹鋼，耐腐蝕性、耐熱性和塑性良好，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、表2所示[2]。

WRC圖中鉻、鎳當(dāng)量公式為

表1 0Cr18Ni9化學(xué)成分 %

表2 0Cr18Ni9機械性能和物理性能

按式（1）和式（2）分別計算出0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的鉻、鎳當(dāng)量值分別為：w（Cr）當(dāng)量=17%～19%，w（Ni）當(dāng)量=10.1%～13.1%，見圖中a～b點位置，鐵素體含量約為2%～4%。采用化學(xué)成分和性能相匹配的A102焊條焊接時（化學(xué)成分和力學(xué)性能如表3、表4所示）[2]，焊接材料與母材金屬熔合后形成的焊縫金屬將發(fā)生一定的成分變化，應(yīng)先按式（3）計算出焊縫中主要合金元素的含量[1]，再通過式（1）和式（2）計算出焊縫熔敷金屬中鉻、鎳當(dāng)量值。

表3 熔敷金屬A102化學(xué)成分 %

表4 熔敷金屬A102力學(xué)性能

焊縫金屬中某合金元素的實際含量為

式中 w（Mb）為該元素在母材中的質(zhì)量分數(shù)（單位：%）；w（Md）為焊接材料的熔敷金屬中該元素的實際質(zhì)量分數(shù)（單位：%）；θ熔合比（被熔化的金屬母材所占焊縫金屬的百分比，焊條電弧焊的熔合比為30%～35%）。

根據(jù)式（3）計算出采用A102焊條焊接后，焊縫金屬中主要合金元素成分的含量為：w（Cr）=19.3%～19.4%；w（Ni）=9.65%～9.7%；w（Mo）=0.485%～0.525%；w（C）=0.076 5%～0.077%。

再依據(jù)式（1）和式（2）計算出焊縫熔敷金屬中鉻、鎳當(dāng)量值分別為：w（Cr）當(dāng)量=19.785%～19.925%；w（Ni）當(dāng)量=11.945%～12.01%。

在WRC圖中c～d點位置鐵素體含量約為8%～9%。由于焊縫熔敷金屬組織中鐵素體含量大于5%，高溫下長期使用易產(chǎn)生σ脆性相，在應(yīng)力作用下會導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。

2 焊接性能分析

奧氏體不銹鋼焊接時的主要問題是焊接裂紋和耐蝕性。

2.1 焊接裂紋

奧氏體不銹鋼的焊接裂紋主要是熱裂紋，在熱影響區(qū)產(chǎn)生液化裂紋和在焊縫中產(chǎn)生結(jié)晶裂紋[1]。奧氏體不銹鋼的物理特性是熱導(dǎo)率小、線膨脹系數(shù)大，在焊接局部加熱和冷卻條件下，焊接接頭部位的高溫停留時間較長，焊縫金屬及近縫區(qū)在高溫下承受較高的拉伸應(yīng)力和拉伸應(yīng)變，當(dāng)有低熔點共晶體存在時，易在焊縫中產(chǎn)生熱裂紋。

2.2 耐腐蝕性

（1）孔腐蝕。主要與腐蝕介質(zhì)中含有Cl-離子破壞鈍化層有關(guān)[1]。防止措施是在鋼中加入一定量的Mo元素。

（2）應(yīng)力腐蝕。主要與內(nèi)、外應(yīng)力有關(guān)。焊接時一方面應(yīng)采取合理的工藝及措施，把應(yīng)力控制在最小程度；另一方面在焊縫中形成一定數(shù)量的鐵素體組織，使鐵素體阻礙裂紋擴展，從而提高焊縫金屬抗應(yīng)力腐蝕的能力[3]。

（3）晶間腐蝕。產(chǎn)生晶間腐蝕的敏化溫度區(qū)為加熱溫度450℃～850℃[1]。為防止焊接接頭的晶間腐蝕，可采取降低不銹鋼中含碳量、形成含有一定量鐵素體的雙相組織，焊接工藝上采用較小的焊接熱輸入，加快冷卻速度等措施[3]。

3 焊接材料的選擇

不銹鋼焊接材料的選擇原則上是選擇與母材化學(xué)成分和性能相匹配的材料；但在某些情況下，如高溫條件下使用，需要焊縫中含有一定量的鐵素體組織來保證焊縫金屬的耐蝕性能和抗裂性能時，應(yīng)選擇主要合金成分含量高于母材和其中含有一定量的有益元素的焊接材料[2]。

針對燃燒爐殼的0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼在高溫環(huán)境條件下的使用性能要求，焊縫中須含有合適數(shù)量的鐵素體和一定含量的鉬，經(jīng)多種奧氏體不銹鋼焊接材料與0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼焊接后綜合分析和計算焊縫中產(chǎn)生的鐵素體量后，最終選擇A412奧氏體不銹鋼焊條。A412焊條熔敷金屬化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表5、表6所示[2]。

表5 熔敷金屬A412化學(xué)成分 %

表6 熔敷金屬A412力學(xué)性能

選擇A412焊條焊接0Cr18Ni9不銹鋼時，熔敷金屬中的鉻、鎳當(dāng)量值在WRC圖上焊縫中鐵素體含量約為3%～4%，見圖中e～f點位置。高溫條件下使用奧氏體不銹鋼焊接時，焊縫中鐵素體含量為3%～4%比較理想[2]，而A412焊條中含有約3%的鉬，它可保證焊縫既有良好的抗裂性，又有很好的抗腐蝕性能。

4 焊接工藝及措施

4.1 焊前準(zhǔn)備

（1）先用φ8 mm的合金鉆頭在距離裂紋末端10 mm處鉆止裂孔，防止裂紋繼續(xù)延伸和擴展。

（2）選擇角向砂輪機清除裂紋缺陷，并修磨成U型坡口形狀。經(jīng)著色檢驗無缺陷后，再清理干凈坡口兩側(cè)30 mm范圍內(nèi)的油、銹等。在保證缺陷徹底清除的前提下，坡口寬度應(yīng)盡量小，以減小焊接收縮應(yīng)力。

（3）施焊前焊條按規(guī)定要求進行烘干，并放在100℃的保溫筒內(nèi)隨用隨取。

4.2 焊接要點

（1）選擇直流焊接電源，反極性。采用小的焊接電流，焊條不作橫向擺動，短弧操作，在熔合良好的情況下提高焊接速度等，以減少熱輸入量，降低應(yīng)力產(chǎn)生。焊接工藝參數(shù)如表7所示。

表7 焊接工藝參數(shù)

（2）采取多道焊。每一道又分2段或3段（短焊縫2段，長焊縫3段）進行退焊，中間接頭處錯開至少30 mm，使整條焊縫盡量受熱均勻，防止應(yīng)力集中，分段退焊如圖3所示。

圖3 分段退焊

（3）每焊完一段后立即用帶圓頭的小錘進行錘擊（錘重0.5 kg，錘頭圓弧直徑φ5 mm），先錘擊焊道中部，再錘擊焊道兩側(cè)，直到布滿麻點為止，以消除部分應(yīng)力和改拉應(yīng)力為壓應(yīng)力。錘擊后用10倍的放大鏡檢查表面，確認無缺陷后繼續(xù)施焊。

（4）焊接過程中控制層間溫度小于100℃，以防焊縫和熱影響區(qū)晶粒長大及碳化物析出。

5 焊后檢驗和表面處理

（1）焊接接頭冷卻到室溫后檢查焊縫表面無氣孔、夾渣、咬邊等缺陷。（2）用角向砂輪機修磨焊縫表面余高與原焊縫表面齊平并與邊緣熔合處過渡圓滑。（3）在焊縫表面及周圍進行著色檢驗未發(fā)現(xiàn)裂紋。

6 結(jié)論

通過分析高溫條件下使用的0Cr18Ni9不銹鋼材料裂紋產(chǎn)生的原因，針對原因和材料的使用要求，計算焊縫熔敷金屬中所需的鐵素體的合適含量，結(jié)合化學(xué)元素成分選擇較適合的焊接材料，并采取合理的工藝及措施進行焊接修復(fù)，增強焊接接頭的高溫耐蝕性和抗裂性，保證了0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼焊接接頭的高溫使用性能，防止裂紋產(chǎn)生。

[1]中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會編.焊接手冊（第二卷：材料的焊接）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[2] 中國特鋼企業(yè)協(xié)會不銹鋼分會編.不銹鋼實用手冊[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

[3]機械工業(yè)部統(tǒng)編.中級電焊工工藝學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[4]姚勇.奧氏體不銹鋼在Cl-介質(zhì)中使用的腐蝕危害[J].特種設(shè)備安全技術(shù)，2006（3）：46-48.

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6 結(jié)論

（1）鎳201焊接性良好，相當(dāng)于鉻-鎳奧氏體不銹鋼。組織結(jié)構(gòu)為單相奧氏體，熱導(dǎo)率低、膨脹系數(shù)高，焊接熱影響區(qū)有晶粒長大傾向，焊縫和熱影響區(qū)的塑性、抗腐蝕性能會降低，焊縫金屬容易形成熱裂紋和氣孔。

（2）鎳201焊接方法首選鎢極氬弧焊，鎢極氬弧焊的電弧穩(wěn)定、容易實現(xiàn)單面焊雙面成型、焊縫成形好，無飛濺，適宜薄板焊接。焊接材料選擇與母材化學(xué)成分相當(dāng)、力學(xué)性能等同的鎳基合金焊絲。

（3）焊前嚴格清理鎳201板材和焊絲，相比碳鋼類要加大坡口角度、組對間隙，背面焊道必須采取氬氣保護，同時焊接線能量不能太大，層間溫度不得超過100℃。

The cause of cracks on the exhaust gas treatment burner and its welding repair

ZHU Ning，HE Yaofei，LIANG Enrong，PAN Zixiang
（Pangang Group Welder Training Center，Panzhihua 617000，China）

According to the analysis of the cause of cracks on the austenitic stainless steel burners who is made from 0Cr18Ni9 and the welding performance under the high temperature as well as the selection of the proper welding materials and appropriate technological measures，the disadvantages of cracks have been repaired and the performance and requirement of 0Cr18Ni9 austenitic stainless steel under the high temperature have been guaranteed.

austenitic stainless steel；the cause of cracks；selection of welding material；technology and measures

TG457.11

B

1001-2303（2017）03-0105-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.03.21

獻

朱寧，何耀飛，梁恩榮，等.廢氣處理燃燒爐殼裂紋原因及焊接修復(fù)[J].電焊機，2017，47（03）：105-108.

2015-08-24；

2016-12-07

朱 寧（1964—），男，四川米易人，國際焊接工程師，主要從事焊接工藝及焊接培訓(xùn)等工作。