20g與Gr5Mo管異種接頭的焊修

石偉

前言：我廠南催化裝置兩器;再生器、反應(yīng)器（基體為20g鋼），用U形管（材質(zhì)為Cr5Mo）連接。規(guī)格為φ426x16mm;工作溫度500-550C;介質(zhì)：催化劑。

原焊接縫是用E5015焊接，經(jīng)兩年內(nèi)運行后，在Cr5Mo側(cè)熔合區(qū)出現(xiàn)貫穿性裂紋。停工檢修時，試管的焊縫切除。發(fā)現(xiàn)兩側(cè)的基體金屬均有不同程度的碳化。經(jīng)技術(shù)主管部門研究認(rèn)為兩側(cè)基體金屬出現(xiàn)上述變化，按等強度選用焊材則很難保證焊接質(zhì)量，而確定選用奧氏體焊材焊接。

為保證裝置長、滿、優(yōu)安全運行，特就此類異種鋼焊接的一些特殊問題;如母材對焊縫金屬的稀釋;在毗鄰母材熔合區(qū)形成過渡層和擴散層;焊接應(yīng)力分布及影響等方面分析焊接裂紋形成機理。制定合理焊接工藝，獲得符合質(zhì)量要求的焊接接頭。

關(guān)鍵詞：20g+Cr5Mo、異種鋼焊接、舍弗勒圖

一、20g與CrSMo鋼焊接問題分析

20g與CrSMo鋼是兩種組織、成份與性質(zhì)均不相同的鋼種，它們焊接在一起時，其接頭是由兩種母材與奧氏體熔敷金屬三者熔合而成。這樣就產(chǎn)生了與焊接同鋼時所不同的一系列新問題。

1、焊縫金屬的稀釋

20g鋼是不含合金元素的碳素結(jié)構(gòu)鋼，而Cr5Mo是中合金珠光體耐熱鋼。焊接時，選用Cr-Ni型奧氏體焊條時，會出現(xiàn)母材對焊縫金屬合金成份的沖淡作用。由于這種稀釋結(jié)果，會使焊縫金屬奧氏體形成元素含量降低，在焊縫中形成馬氏體組織，降低接頭質(zhì)量，引起裂紋產(chǎn)生，為減小母材對焊縫金屬的稀釋作用，應(yīng)嚴(yán)格控制母材的熔合比。

用舍弗勒圖對焊縫金屬進(jìn)行分析，確定熔合比，來獲得予想焊縫組織，十分重要，其方法如下：

①按母材化學(xué)成份，分別折算出其Cr、Ni當(dāng)量（見表一）和奧氏體不銹鋼焊條的Cr、Ni當(dāng)量（見表二）.并在圖上找出相應(yīng)的成份。

①點m與s點，將其連成直線，其中點a，是兩種母材在不開坡口，不加填充金屬，直接焊接，母體熔合比為50%時的焊縫組織。由圖一可知，所取得的焊縫組織是純馬氏體組織，是不符接裂要求的。

②把a點看作待焊母材成份，而焊材成份（25-13型奧氏體不銹鋼焊條），在圖上成份點為b點。

具有a點成份的母體與b點成份焊條，熔合而成焊縫金屬的組織在a-b線段上，其組織百分比，決定于母材的熔合比，a-b線段上d點為臨界點，a-d處于馬氏體區(qū)，奧氏體+馬氏體區(qū)、奧氏體區(qū)之間，這對焊縫抗裂性不利。而d-b段處于奧氏體區(qū)、奧氏體+鐵素休雙相組織區(qū)，這個區(qū)間，是理想的焊縫組織區(qū)間。為使焊縫組織處于d-b區(qū)間，只能靠控制熔合比來實現(xiàn)。

③以選用焊材成份b點為始點，將b-a分成10份，以確定熔合比，由圖一知，只有熔合比小于40%（即兩側(cè)母材在焊縫中分別占20%）時，焊縫才能得到雙相組織。

2、熔合區(qū)過渡層的形成

由于20g、Cr5Mo鋼與焊縫金屬成份差異很大。且施焊時，熔化的焊材金屬與兩側(cè)母材金屬在熔池內(nèi)部和邊緣混合程度不同，中熔池靠近焊縫邊緣存在一個很窄范圍的“不完全混合區(qū)”，其化學(xué)成份有很大的不均勻性。事實上，焊縫在熱源作用下，熔化的母材和焊條金屬的熔池的內(nèi)部和邊緣成份受溫度影響，邊緣液態(tài)金屬溫度低，流動性差，高溫停留時間短，這樣母材金屬所占成份就越大。所以在靠近熔合線母材對焊縫稀釋作用就越強烈;過渡層內(nèi)Cr、Ni含量就越少，這樣焊縫中Cr、Ni含量也相對減少。

對照舍弗勒圖，過渡層區(qū)是由奧氏體+馬氏體組成，其寬度決定于焊條的類型。如馬氏體區(qū)寬度較大時，則會顯著降低接頭韌性，使用時，在應(yīng)力作用下，將出現(xiàn)局部脆斷，所以應(yīng)選用Cr、Ni含量較高的A302、A307焊接較為穩(wěn)妥。因鎳是否墨化元素，能降低碳化物穩(wěn)定性并能削弱碳化物形成元素對碳的親合力，改提高焊條Ni含量，可減小擴散層，是抑制熔合區(qū)擴散過程有效手段，以達(dá)減少過渡寬度。

3、熔合區(qū)碳擴散的形成和影響

由于接頭是由20g+奧氏體焊縫金屬+Cr5Mo組成，加之母材碳含量較高，合金元素含量較低（碳化物形成元素低），焊縫金屬則相反，這樣在熔合區(qū)處形成碳化物、形成元素的濃度差。后果是使母材形成脫碳層而軟化，而焊縫金屬因增碳而硬化。如接頭長期在350-550℃條件下工作時，熔合區(qū)將出現(xiàn)顯著碳擴散，碳自母材向焊縫擴散，致成時效，誘發(fā)裂紋產(chǎn)生。

為減輕碳遷移和碳過渡層寬度，應(yīng)提高奧氏體形成元素和有足夠的碳化物形成元素鉻、鉬等元素含量，把碳固定在穩(wěn)定的碳化物中。而另一方面向焊縫添加增加碳活度系數(shù)元素，使已遷移到焊縫熔合區(qū)中的碳擴散開。據(jù)有關(guān)資料證明。焊縫中含有一定量的Ni，不但能防止熔合區(qū)的碳化層，還能減少碳遷移過渡層，但不宜過高，否則會產(chǎn)生熱裂紋。

4、殘余應(yīng)力的狀態(tài)與影響

奧氏體焊縫金屬線膨脹系數(shù)較母材大，加之兩種母材的熱物理性能不同，焊接溫度在上、下部分不對稱，在20-600C范圍內(nèi)其膨脹系數(shù)相差較大;

奧氏體焊縫金屬為：（16-18.70）x10-6K-1;

Cr5Mo為：（10.30-14.15）x10-6K-1;;

20g為（10.9-14.68）x10-6K-1;

所以焊后出現(xiàn)較大的殘余應(yīng)力。

有關(guān)資料得知，奧氏體焊縫金屬膨脹數(shù)較20g、Cr5Mo大30-50%，而導(dǎo)熱系數(shù)卻只有20g、Cr5Mo的50%在焊接時會產(chǎn)生很大熱應(yīng)力，特別是在溫度變化速度較快時，由于熱應(yīng)力引起熱沖擊力，象合金鋼淬火-樣，易引起開裂，此外，在交變溫度下，由于20g抗氧化性差，易氧化形成缺口，在反復(fù)熱應(yīng)力作用下，缺口沿薄弱的脫碳層擴散，形成熱疲勞縫紋沿脫碳層擴展，導(dǎo)致接頭在短期內(nèi)破壞。

此類接頭在高溫時，借助松馳過程能夠降低焊接應(yīng)力，但在冷卻時又出現(xiàn)新的殘余應(yīng)力，故而這類接頭焊后熱處理并不能消除應(yīng)力。只能引起應(yīng)力重新分布，但分而特征不變。綜上所述。知由上述因素影響，致使焊縫產(chǎn)生縫紋，特采用下述焊接工藝。

二、焊接工藝

1、焊接方法選擇：

焊接方法的選擇，除考慮生產(chǎn)率和具體焊接條件下，還應(yīng)考慮熔合比的影響，按制熔合比，以降低母材對焊縫的稀釋。據(jù)有關(guān)資料知：焊接方法對熔合比的影響。見表三。

采用涂料焊條手工電弧焊是最佳選擇。因其方便靈活，不受焊件形狀、空間位置限制又可通過操作手法調(diào)節(jié)線能量和焊接熱輸入，控制母材熔深，達(dá)到控制熔合比目的。

2、焊條的選擇

①利用含弗勒圖確定焊縫金屬組織成份

而含鎳量不于10%，小于19%的A302、A307焊條，將熔合比控制在30-40%范圍內(nèi)，焊縫組織為奧氏體，奧氏體+鐵素體雙相組織，見圖1的b-d線段。其抗熱裂性好，是理想焊材。

②從抑制熔合區(qū)碳擴散考慮焊材選用

因碳擴散是此類異種接頭薄薄弱環(huán)節(jié)，它對常溫和高溫瞬時機械性能影響不大，但卻降低接頭持久強度約10-20%，故提高焊材的奧氏體形成元素含量，是抑制熔合區(qū)碳擴散有效手段。

另適當(dāng)提高Ni含量，可顯著降低碳遷移過渡層，但不宜超過19%，否則對抗熱裂性不利。

③提高焊縫金屬抗熱裂的能力

此類異種鋼焊接時，為了避免在焊縫中出現(xiàn)熱裂紋，在不影響使用性能前提下，最好使焊徒中含有3-7%的鐵素體組織。

④從操作工藝穩(wěn)定性因素考慮：

由于施工現(xiàn)場條件較差，，環(huán)境溫度低和相對濕度較大等條件，為避免在焊接熱源作用下，焊徒中氫溶解量增大，致成氫致裂紋起見。我們選用對氫敏感性差和操作穩(wěn)定性較好的酸性焊條。

綜上所述諸因素。我們選項用A302、A307作為此類異種接頭的焊接材料。

3、坡口型式選擇：

坡口型式對母材熔合比影響較大，焊接層次越多，熔合比越小;坡口含角越大，熔合比越小;U形坡口較V形坡口熔合比小;多層焊時根部焊縫熔合比最大，是產(chǎn)生根部裂紋的主要原因。加之奧氏體焊條熔化后，粘滯性較大，不易疏散，潤濕坡口面。為了能通過焊條擺動，使熔滴落到所要求位置上，應(yīng)適當(dāng)加大坡口角度。因U形坡口加工困難，改選用V形坡口，是將坡口含角增至70-80。

4、規(guī)范參數(shù)

為降低熔合比，盡可能選用小直徑焊條并在保證塔合情況下采用小電流值，減小母材熔深。推薦規(guī)范見表四

5、采用予堆焊工藝

在施焊前，于母材自身拘束條件下在兩側(cè)母材的坡口面上子先堆焊兩層的堆焊層，如圖五所示。堆焊層的厚度為5-6m為宜，堆焊后修麻成圖五尺寸，目的是使之在母材與焊縫之間形成一個碳遷移和稀釋的緩沖帶。由于予堆焊層存在，這樣坡口面成份，本上與焊條成份相接近。然后再用進(jìn)行焊接，使碳遷移與稀釋作用得到緩解。

予堆焊時切記采用小電流、窄焊道、小熔深。

6、接管的聯(lián)接形式

原接管由于多次焊修、切除變短。為此我們采用加短管方式聯(lián)接。先焊接自由拘束狀態(tài)下的20g+Cr5Mo管對接口（垂直固定），經(jīng)檢驗后再焊接20g同鋼種的對接口，這樣焊接優(yōu)點是：

①便于焊后檢測時發(fā)現(xiàn)缺陷返修;

②先焊20g+Cr5Mo接口，可減小裝配時加在焊縫上的徑向切應(yīng)力（因原管切除后，管徑錯位30mm左右）.

三、原況與新況焊后比較

原工藝焊后經(jīng)著色與X光檢驗，發(fā)現(xiàn)在焊縫部靠20g側(cè)熔合線附近出現(xiàn)長短不一的斷續(xù)的縱向裂紋，裂紋總長度約為焊縫總長的四分之一左右。剖解后測得裂紋一般深度為5-6mm，局部則深達(dá)8mm，且斷面呈銀白色，無氣化跡象，屬冷裂紋。雖幾經(jīng)焊修，仍出現(xiàn)不同程度裂紋。而采用新的工藝方法，焊后經(jīng)檢驗未發(fā)現(xiàn)有焊接裂紋出現(xiàn)和超標(biāo)的焊接缺陷，x光攝片為1級。現(xiàn)已經(jīng)三年運行，效果良好。

四、結(jié)論

1.考慮母材對焊平縫稀釋作用，利用合弗勒團確定坪縫金屬組織與母材熔合比。

2.由于此類異種按頭的各自黟脹數(shù)差開較大焊后不宜進(jìn)行熱處理，否則會引起應(yīng)力重新分布和促使峻的擴散。

3.熔合比不宜大于40%，且焊縫組織中最好有3-7%鐵素體組織，以利抗熱裂。

4.為防止稀釋、碳遷移，采用在母材坡口而上子堆焊工藝，予堆焊層厚不應(yīng)小于5-6mm為宜，可減緩合金元素與碳在焊縫與素養(yǎng)材間出現(xiàn)濃度差。

5.由于20g、Cr5Mo母材側(cè)熔合區(qū)會形成過渡層和碳遷移、擴散，致成化學(xué)成份不均勻而引起馬氏體兢化。且異相界面因擴散導(dǎo)致碳濃度突變，引起接頭塑性降低。故而適當(dāng)提高鎳含量能防止或減小脆化層，抑制碳遷移。

6.盡可能避免強制組裝，防止焊接應(yīng)力與之重疊而降低接頭質(zhì)量。

參考材料

[1]潘春旭-異種鋼及異種金屬焊接：顯微結(jié)構(gòu)特征及其轉(zhuǎn)變機理2000年

[2]石油化工異種鋼焊接規(guī)程