超低溫下高韌性?shī)W氏體不銹鋼焊縫裂紋分析與控制

0 前 言

奧氏體不銹鋼具有良好的耐蝕性、 低溫韌性和力學(xué)性能， 已被廣泛應(yīng)用于食品、 醫(yī)療器械、石油、 化工和原子能等領(lǐng)域

。 從理論上講， 奧氏體不銹鋼與鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼相比，具有良好的焊接性， 但這并不意味著在所有情況下奧氏體不銹鋼都能輕松地獲得良好的焊接質(zhì)量。通常奧氏體不銹鋼的焊縫金屬中含有一定量的鐵素體相， 可避免焊接熱裂紋的產(chǎn)生

， 但隨著奧氏體不銹鋼焊縫中鐵素體含量的增加， 會(huì)導(dǎo)致焊縫的低溫沖擊韌性逐漸惡化

。 因此， 對(duì)于超低溫工況下使用的厚壁奧氏體不銹鋼設(shè)備， 為了使焊縫具有較高的沖擊韌性， 如何避免焊接熱裂紋的出現(xiàn)尤為關(guān)鍵。 因此， 本研究基于實(shí)際項(xiàng)目中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析和總結(jié)， 供技術(shù)人員借鑒。

本研究中,觀察組患者在治療中結(jié)合針對(duì)性護(hù)理干預(yù)能夠有效改善患者的治療效果,差異顯著(P<0.05),同時(shí)護(hù)理干預(yù)針對(duì)性改善神經(jīng)功能缺損狀況,差異顯著(P<0.05)。因此,在急性腦血栓患者的臨床治療中實(shí)施針對(duì)性護(hù)理干預(yù)能夠有效改善患者的早期治療效果,同時(shí)改善神經(jīng)功能狀況,值得在臨床治療中推廣應(yīng)用。

1 工程案例

某近海天然氣項(xiàng)目的設(shè)備需按ASME 規(guī)范、DNV 近海標(biāo)準(zhǔn)及項(xiàng)目技術(shù)要求進(jìn)行制造。 該批設(shè)備的材料為SA-240 316/316L， 工作介質(zhì)為碳?xì)浠衔铩?其中， 重型分離器設(shè)備的直徑為2 500 mm， 筒體的壁厚為80 mm， 設(shè)計(jì)壓力為7.7 MPa， 最低設(shè)計(jì)金屬壁溫為-188 ℃。 項(xiàng)目總體要求為： ①需結(jié)合ASME 規(guī)范及DNV 近海標(biāo)準(zhǔn)重新進(jìn)行焊接工藝評(píng)定； ②焊接工藝評(píng)定需在-196 ℃下進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)， 焊縫沖擊功平均值不得低于60 J； ③焊縫鐵素體數(shù)量為3～8 FN；④焊接材料牌號(hào)需與焊接工藝評(píng)定相同。

項(xiàng)目涉及的焊接方法主要包括鎢極氬弧焊（GTAW）、 焊條電弧焊 （SMAW） 及埋弧焊（SAW）。 經(jīng)多方調(diào)研， 焊接材料總體無(wú)法滿足-196 ℃下焊縫沖擊功平均值≥60 J 的要求， 只有個(gè)別焊材廠家能夠保證在GTAW 下的焊縫沖擊功勉強(qiáng)達(dá)到此項(xiàng)目的技術(shù)要求， 因此無(wú)法滿足后期產(chǎn)品的焊接需求。 多次與客戶及焊接材料廠家溝通后， 決定將焊縫的沖擊功指標(biāo)降低至平均值≥45 J， 最終選擇的焊接材料滿足了該技術(shù)要求。 產(chǎn)品焊接前， 按ASME IX 標(biāo)準(zhǔn)、 DNV 近海標(biāo)準(zhǔn)及項(xiàng)目技術(shù)要求進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定， 焊接工藝評(píng)定結(jié)果合格， 焊縫金屬鐵素體數(shù)量為4.3～5.4 FN， -196 ℃下焊縫沖擊功為43～95 J， 且GTAW 方法下的焊縫沖擊功稍高于其它兩種焊接方法。 該項(xiàng)目最先焊接壁厚≤20 mm 的產(chǎn)品， 縱、環(huán)縫采用的焊接方法是SAW， 未發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題，但在焊接80 mm 的厚壁設(shè)備時(shí)， 雙面坡口對(duì)接焊縫正面打底焊及背面清根后的前幾層焊道出現(xiàn)了斷續(xù)的、 沿焊縫中心的縱向裂紋， 如圖1 所示。

通過(guò)裂紋產(chǎn)生的時(shí)機(jī)、 位置及形態(tài)可以判斷該裂紋是一種焊接熱裂紋。 奧氏體不銹鋼的焊接熱裂紋主要有三種， 分別為結(jié)晶裂紋、 液化裂紋及多邊化裂紋。 根據(jù)三種裂紋的形成機(jī)理及特征， 不難判斷出圖1 的焊接熱裂紋為結(jié)晶裂紋。針對(duì)該裂紋， 對(duì)問(wèn)題焊道進(jìn)行排查， 排查結(jié)果見(jiàn)表1。 由于采用的手提式PMI 設(shè)備只能對(duì)材料主要化學(xué)成分進(jìn)行定性分析， 對(duì)S、 P 等微量元素不能準(zhǔn)確定量。 因此， 分別對(duì)母材 （按ASME II-Part A） 及焊材 （按ASME II-Part C， 采用堆焊方式） 中S、 P 等微量元素的成分進(jìn)行了復(fù)驗(yàn)， 復(fù)驗(yàn)結(jié)果合格， 但堆焊焊道熔覆金屬中的P元素已接近標(biāo)準(zhǔn)要求的上限。

增加坡口寬度及角度， 特別是坡口根部區(qū)域， 盡量逐層多道焊接， 只熔合坡口一側(cè)母材或如同表面堆焊形式的焊接， 從而改善焊道的熔合比及受力狀態(tài)。 因?yàn)檎５钠驴诟拷嵌群苄?，單道焊接時(shí)焊縫金屬會(huì)與坡口兩側(cè)母材互相熔合， 增加焊縫熔合比， 從而導(dǎo)致焊縫中雜質(zhì)元素增多； 同時(shí)從焊縫的受力狀態(tài)考慮， 由于熔深較大的對(duì)接焊縫的收縮應(yīng)力基本垂直于雜質(zhì)聚集的結(jié)晶面， 從降低焊縫中心結(jié)晶裂紋傾向的因素考慮， 表面堆焊和熔深較淺的對(duì)接焊縫抗裂性較好

。

2 焊縫結(jié)晶裂紋的形成機(jī)理

采用小電流短弧焊接方法， 降低焊接熱輸入。 焊接熱輸入的降低， 會(huì)降低熔池的溫度， 便于減少雜質(zhì)元素的偏析； 也會(huì)提高焊道冷卻速度， 從而改善奧氏體不銹鋼焊道中的鐵素體含量； 同時(shí)會(huì)減少焊道的填充量， 進(jìn)而降低結(jié)晶凝固時(shí)的應(yīng)變量。 所以熱輸入的降低， 有利于降低結(jié)晶裂紋的敏感性

。

采用小電流焊接， 減小熔深， 適當(dāng)提高焊縫成型系數(shù)。 這是因?yàn)楹缚p成型系數(shù)會(huì)影響枝晶成長(zhǎng)方向和晶界的偏析情況， 當(dāng)焊縫成型系數(shù)較小時(shí)， 最后凝固的枝晶會(huì)和面因晶粒對(duì)向生長(zhǎng)而成為雜質(zhì)嚴(yán)重析出的部位， 最易形成結(jié)晶裂紋

。

卡爾曼濾波是一種最優(yōu)估算算法，通過(guò)利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程以及系統(tǒng)的輸入和輸出觀測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)達(dá)到最優(yōu)估算的目的?？柭鼮V波可有效的過(guò)濾觀測(cè)信號(hào)中的噪聲，且應(yīng)用條件寬泛，能夠在平均的意義上，對(duì)真實(shí)信號(hào)進(jìn)行估計(jì)，并且能夠?qū)⒄`差降至最小。因此，在卡爾曼濾波算法問(wèn)世以來(lái)，無(wú)論是在通信領(lǐng)域還是電路系統(tǒng)中都得到了廣泛的應(yīng)用。在圖像處理的應(yīng)用中，卡爾曼濾波可對(duì)受噪聲影響而導(dǎo)致產(chǎn)生模糊的圖像進(jìn)行復(fù)原操作。在假定了噪聲的某些統(tǒng)計(jì)性質(zhì)后，卡爾曼的算法就可以以遞推的方式對(duì)模糊圖像進(jìn)行處理，從而得到真實(shí)的圖像，可以復(fù)原原本模糊的圖像。

總的來(lái)說(shuō)， 結(jié)晶裂紋是在凝固結(jié)晶的后期，低熔點(diǎn)相在初次結(jié)晶晶界偏聚從而形成低熔點(diǎn)的液態(tài)薄膜， 液態(tài)薄膜強(qiáng)度低且應(yīng)變集中， 同時(shí)變形能力很差， 在厚板焊縫金屬冷卻收縮所引起的較大拉應(yīng)力下形成裂紋。 即結(jié)晶裂紋的形成需要兩個(gè)條件： 一是焊接熔池中存在一定數(shù)量的低熔點(diǎn)共晶體； 二是焊接金屬在結(jié)晶過(guò)程中必須產(chǎn)生足夠的應(yīng)變。

3 焊縫結(jié)晶裂紋的預(yù)防措施

目前，外泌體的提取方法主要有差速離心法、超速離心法、過(guò)濾離心法、密度梯度離心法、免疫磁珠法和色譜法，而鑒定方法則主要包括透射電子顯微鏡、納米顆粒跟蹤分析技術(shù)、蛋白質(zhì)印跡法和流式細(xì)胞術(shù)。外泌體的常規(guī)儲(chǔ)存條件為-80℃，重復(fù)的冷凍和融化會(huì)影響囊泡的完整性[14]。外泌體分離鑒定后，可結(jié)合芯片和二代測(cè)序結(jié)果篩選與疾病相關(guān)的差異表達(dá)因子，并最終分析其可能參與的生物學(xué)功能及信號(hào)通路。近年來(lái)，調(diào)控外泌體釋放和發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)的信號(hào)通路仍不明確，考慮其與病毒在大小、密度、組成及功能等方面的相似性，故可借鑒病毒的相關(guān)成果來(lái)開(kāi)展外泌體的系列性創(chuàng)新研究[15]。

第三，創(chuàng)新知識(shí)體系。要建立獨(dú)立學(xué)院法學(xué)專業(yè)新的教材體系，它既不是普通本科教材的濃縮，更不是刪減，而是知識(shí)體系的創(chuàng)新。新教材體系要以專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)為依據(jù)，全面提高人才培養(yǎng)素質(zhì)和教育教學(xué)質(zhì)量，系統(tǒng)地研究、借鑒傳統(tǒng)法學(xué)教材的優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)立新的體例和新的語(yǔ)言風(fēng)格，既要照顧到法律基礎(chǔ)理論，又要突出實(shí)用性。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況， 由焊材廠家通過(guò)進(jìn)一步控制焊材的S、 P 等元素含量來(lái)提高焊縫的抗裂性能， 短期內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。 因此， 主要先從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn)， 降低奧氏體不銹鋼焊縫出現(xiàn)結(jié)晶裂紋的幾率， 并增加檢測(cè)手段來(lái)保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量。

3.1 改善焊接接頭設(shè)計(jì)

目前，地理國(guó)情監(jiān)測(cè)成果已在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用，隨著常態(tài)化地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工作的深入推進(jìn)，各項(xiàng)規(guī)定內(nèi)容的逐漸完善，監(jiān)測(cè)成果質(zhì)量必將穩(wěn)步上升。作為一項(xiàng)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)家決策具有指導(dǎo)性作用的項(xiàng)目，每一位測(cè)繪質(zhì)檢工作人員都應(yīng)秉承科學(xué)實(shí)踐、積極創(chuàng)新的工作態(tài)度，揚(yáng)長(zhǎng)避短，探索出一套更先進(jìn)、可行的質(zhì)量控制方法，使成果質(zhì)量更加科學(xué)可靠，滿足更多、更廣泛的應(yīng)用需求。

3.2 降低焊接熱輸入

從焊接冶金學(xué)角度來(lái)說(shuō)， 焊縫金屬凝固結(jié)晶過(guò)程中先結(jié)晶的晶體金屬最純， 而后結(jié)晶的部分， 即晶體前緣的合金元素及雜質(zhì)元素偏高， 從而造成晶粒內(nèi)部和晶粒之間的化學(xué)成分不均勻。對(duì)于焊縫中心， 隨著柱狀晶的不斷長(zhǎng)大和堆移，會(huì)把雜質(zhì)元素推向熔池中心， 使得熔池中心的雜質(zhì)元素比其它部位多， 從而加劇焊縫中心的化學(xué)成分偏析

。 同時(shí)， 微量有害元素S、 P 在γ相中的溶解度比在σ 相中的溶解度低的多， 這就造成奧氏體不銹鋼焊縫在冶金過(guò)程中， 柱狀晶粒內(nèi)多余的S、 P 元素分別與Fe 元素、 Ni 元素在晶界上形成Fe-FeS、 Ni-Ni

S

、 Fe-Fe

P 及Ni-Ni

P 等共晶體， 這些共晶體的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于鐵及奧氏體相的熔點(diǎn)

， 當(dāng)結(jié)晶后期已凝固的晶粒相對(duì)較多時(shí)， 這些殘存在晶界處的低熔相尚未凝固，并呈液態(tài)薄膜狀散布在晶粒表面， 進(jìn)而割斷了一些晶粒之間的聯(lián)系。

3.3 控制焊道成型系數(shù)

其次， 在焊縫金屬凝固過(guò)程中， 會(huì)經(jīng)歷液-固態(tài) （液相占主要部分） 和固-液態(tài) （固相占主要部分） 兩個(gè)階段。 在液-固態(tài)時(shí)， 熔池內(nèi)晶核少， 相鄰的晶粒之間不接觸， 液態(tài)金屬可在晶粒之間自由流動(dòng)， 雖有拉伸應(yīng)力存在， 但被拉開(kāi)的焊縫可以被液態(tài)金屬及時(shí)填滿。 但在固-液態(tài)時(shí)， 固相不斷增加且不斷長(zhǎng)大， 已凝固的固相彼此接觸并不斷交織到一起長(zhǎng)合成枝狀晶， 晶體間殘存的低熔點(diǎn)液相不能自由移動(dòng)， 從而會(huì)在焊縫金屬冷卻收縮所引起的拉伸應(yīng)力的作用下產(chǎn)生微小縫隙

； 同時(shí)厚板不銹鋼相對(duì)薄板不銹鋼焊接接頭的溫度分布不均勻， 會(huì)造成溫度梯度大、 冷卻速度快及拘束力大等問(wèn)題， 均會(huì)加大高溫階段晶間發(fā)生塑性變形的應(yīng)變量， 使得金屬在高溫階段晶間塑性變形能力不足以承受當(dāng)時(shí)所發(fā)生的塑性應(yīng)變量時(shí)， 進(jìn)而發(fā)生高溫沿晶斷裂， 即奧氏體不銹鋼焊縫的結(jié)晶裂紋

。

3.4 提高焊縫鐵素體含量

由于設(shè)備有較高的低溫沖擊韌性要求， 因此焊縫中鐵素體含量不能過(guò)高， 過(guò)高的鐵素體含量會(huì)惡化奧氏體不銹鋼焊縫的低溫韌性。 但鐵素體有利于打亂焊縫中柱狀晶的方向， 細(xì)化晶粒， 使得焊縫中雜質(zhì)分布均勻化， 同時(shí)鐵素體對(duì)S 和P 元素的溶解度比較大， 能夠防止這些雜質(zhì)元素的偏析和形成低熔點(diǎn)共晶。 因此，在焊接過(guò)程中， 采用小電流短弧焊接， 控制層間溫度≤50 ℃， 有條件的情況下， 可以背面噴水冷卻降溫， 適當(dāng)提高焊縫中鐵素體含量。 有關(guān)研究

表明： 奧氏體不銹鋼焊縫中的鐵素體含量隨焊接電流及焊接電壓的降低而提高，且隨冷卻速度的加快而提高。

3.5 避免出現(xiàn)凹形焊道

焊接過(guò)程中， 特別是坡口根部， 要避免因焊接電流過(guò)小、 焊接速度過(guò)快或焊接填充量過(guò)少而形成凹形焊道。 凹形焊道由于中心未被熔融金屬充分填充， 使得焊道中心合金元素嚴(yán)重稀釋、 雜質(zhì)元素偏聚， 從而使焊道中心晶粒之間的結(jié)合力降低； 同時(shí)， 焊道中心凝固瞬間由于熱脹冷縮存在較大的拉應(yīng)力， 而被拉開(kāi)的縫隙沒(méi)有足夠的液態(tài)金屬來(lái)填充， 也會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。

3.6 增加檢測(cè)措施

每焊完一層， 需對(duì)焊縫進(jìn)行外觀檢查， 當(dāng)發(fā)現(xiàn)有疑似裂紋時(shí)， 可以采用液體滲透檢測(cè) （PT）方法進(jìn)行確認(rèn)； 對(duì)于不進(jìn)行整個(gè)厚度射線檢測(cè)（RT） 的角焊縫（如接管與筒體焊縫、 厚壁吊耳等受力焊縫）， 需逐層進(jìn)行PT 檢測(cè)。 確保所有受壓元件及受力焊縫在整個(gè)厚度方向上全部進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)， 從而保證焊接質(zhì)量。

4 結(jié) 論

（1） 在超低溫下具有較高沖擊韌性要求的厚壁奧氏體不銹鋼進(jìn)行焊接時(shí)， 根部焊道很容易出現(xiàn)焊接熱裂紋。

（2） 對(duì)結(jié)晶裂紋的形成機(jī)理進(jìn)行了分析， 發(fā)現(xiàn)結(jié)晶裂紋是由焊接冶金效應(yīng)及在焊縫金屬凝固結(jié)晶后期產(chǎn)生較大拉應(yīng)力共同作用的結(jié)果。

（3） 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際， 從改善焊接接頭設(shè)計(jì)、降低焊接熱輸入、 控制焊道成型系數(shù)、 提高焊縫鐵素體含量及避免出現(xiàn)凹形焊道幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)， 降低了焊縫出現(xiàn)結(jié)晶裂紋的傾向性， 并通過(guò)增加無(wú)損檢測(cè)來(lái)保證焊接質(zhì)量。

[1] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接分會(huì). 焊接手冊(cè)（第2 卷）[M].第3 版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2] 杜存臣. 奧氏體不銹鋼在工業(yè)中的應(yīng)用[J]. 化工設(shè)備與管道，2003，40（2）：54-57.

[3] 劉千帆.核電領(lǐng)域用不銹鋼材料簡(jiǎn)介[J].酒鋼科技，2010（3）：30-36.

[4] 吉章紅. 奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量對(duì)性能的影響[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2012（12）：39-41.

[5] 丁會(huì)明，吳英哲，鄭津洋，等. S30408 焊接接頭低溫力學(xué)性能試驗(yàn)[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2018，52（2）：217-223.

[6] 周振豐. 焊接冶金學(xué)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[7] 鄒家生. 材料連接原理與工藝[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

[8] 滿達(dá)虎，王麗芳. 奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋的成因及防止對(duì)策[J]. 熱加工工藝，2012，41（11）：181-184.

[9] 陳祝年，陳茂愛(ài). 焊接工程師手冊(cè)[M]. 第3 版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2019.

[10] 戴真全. 347H 奧氏體不銹鋼的焊接熱裂紋和再熱裂紋[J]. 化工設(shè)備與管道，2010（3）：54-58.

[11] 王士山，邊境，徐維英，等. 焊接參數(shù)對(duì)不銹鋼手弧焊接鐵素體含量的影響[J]. 金屬加工(熱加工)，2008（6）：54-56.

[12] 李方亮，程尚華，邵珠晶，等. 工藝參數(shù)對(duì)304L 不銹鋼GTAW 熔覆金屬中鐵素體含量的影響[J]. 焊接，2020（3）：24-28.