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史上最全焊接材料选用知识(二),纯干货福利!

5、超级奥氏体不锈钢的焊接:


目前在国外广泛开发应用的新钢种,用于抗氯离子等强腐蚀的环境。我公司将在烟台万华MDI项目和宁波台塑NAE项目上接触到。


★国外最典型的超级奥氏体不锈钢是ASTM S31254(254SMo),公称成分20Cr-18Ni-6Mo,强度比316L高约50%。


(1)组织和性能特点:


◇化学成分介于普通奥氏体不锈钢与镍基合金之间,含有较高的Mo、N、Cu等合金化元素,以提高奥氏体组织的稳定性、耐腐蚀性,特别是提高抗Cl-的应力腐蚀开裂性能


◇钢的组织为纯奥氏体组织。


◇冷加工硬化倾向较大,冷成形后有较大的反弹。所以加工时要有一定的成形留量。冷成形后不需热处理。


◇长时间热成形加热易导致严重的起皮现象。热成形后一般需要固溶处理。(2)焊接特点:同其它奥氏体不锈钢相同。


(3)焊接工艺要点:


●焊接方法:优选钨极氩弧焊,其次手工电弧焊。


●焊接材料:采用镍基焊材,如焊丝ASTM A5.14 ERNiCrMo-3;焊条ASTM A5.11 ENiCrMo-12。


●预热:不需要,层间温度不高于100℃。


●焊接线能量:控制。


●焊后热处理:一般不需要。如果采用自熔焊(即不填丝TIG焊)时,要进行固溶处理和淬火,以保证耐蚀性。建议尽量不采用自熔焊工艺。


(六)异种钢的焊条选用


1、异种钢焊接的主要问题:


●焊接接头的化学不均匀性及由此引起的组织和力学性能的不均匀性


●界面组织的不稳定性


●应力变形的复杂性


2、获得优质异种钢焊接接头的焊接工艺要点:


●避免淬火钢的复合结构近缝区产生裂纹;


●保证焊缝金属中没有热裂纹;


●保证不使高合金钢有显著的稀释;


●保证焊接接头与基本金属有较近的膨胀系数。


3、异种钢焊接材料选择的基本原则:


●所选择的焊接材料必须能够保证异种钢焊接接头设计所需要的性能,如力学性能、耐热、耐蚀性能等;


●所选择的焊材必须在有关稀释率、熔化温度和焊接件其他物理性能要求等方面能保证焊接性需要;


●在焊接接头中不产生裂纹等缺陷的前提下,当不可能兼顾焊缝金属的强度和塑性时,应优先选用塑性好的填充金属;


●焊接材料应经济、易得,并具有良好的焊接工艺性能。


4、碳钢与低合金结构钢或异种低合金结构钢焊接时的焊条选用:


(1)选用的焊条应能保证焊缝金属及接头的强度高于强度较低一侧的钢材,而焊缝的塑性及冲击韧性不低于强度较高而塑性、韧性较低一侧的钢材。即强度、塑性和韧性都不应低于被焊材料的最低值。


(2)一般选用低氢型焊条,以保证焊缝金属的抗裂性能和塑性。


(3)要求焊丝中的碳含量低些,而锰的含量高些,希望锰/硅的比值提高,以减少热裂纹产生。


★JB/T4709-2000规定:不同强度钢号的碳素钢、低合金钢之间的焊缝金属应保证力学性能,且其抗拉强度不应超过强度较高母材标准规定的上限值。


5、碳钢、低合金结构钢与珠光体耐热钢焊接时的焊条选用:


(1)通常这类异种接头的使用温度不很高,一般选用与合金含量较低一侧的母材相匹配的焊材,并保证焊接接头的常温力学性能,接头强度不低于两种母材标准规定值的较低者。


(2)可选用碳钢焊条,也可选用耐热钢焊材。但焊接工艺应遵循珠光体耐热钢的要求。如A3或16Mn与15CrMo焊接时,可采用J507或R207焊条。


(3)结构刚性大、焊后不进行热处理的场合,可采用A307焊条,但这类异种钢接头的最高工作温度不得超过350℃。


6、异种珠光体耐热钢焊接时的焊条选用:


(1)在同工作温度下,应满足强度较低一侧钢材的要求,又要考虑使焊缝合金元素的含量不低于合金元素较少的一侧母材,但焊缝的热强性应等于或高于母材金属。一般情况下均选用低氢型焊条。


(2)在某些情况下,为防止焊接时、焊后热处理时或使用过程中碳的迁移,保证接头的高温性能,应选用介于两种母材金属之间的焊条。



■举例:


12Cr1MoV与10CrMo910管道焊接,当选用R307、R407、R317、J507时,焊接接头的室温力学性能均能满足(焊接工艺评定结果)。但按高温持久强度要求,选用R407、R317焊条可以满足使用要求;而用R307、 J507则不能满足要求。


(3)若产品不允许或施工现场无法进行焊前预热和焊后热处理时,可选用奥氏体焊材。但对于高温状态下的珠光体异种接头,要慎用奥氏体焊材。


(4)若该类异种钢接头在使用温度下可能产生扩散层时,则最好在坡口面堆焊隔离层,隔离层金属应含有Cr、V、Ti等强烈碳化物形成元素。


7、珠光体钢与奥氏体不锈钢焊接时的焊条选用:


☆通常把碳钢、低合金结构钢、珠光体耐热钢统称为珠光体钢。


●焊接特点:


珠光体钢与奥氏体钢接头的熔合线两侧出现碳和碳化物形成元素的浓度差,它处于350-400℃温度下长期工作时,或在焊后热处理过程中,往往会在熔合线区域出现碳元素的扩散:


◇在珠光体钢母材金属边缘形成脱碳层,脱碳层晶粒甚粗大,导致软化。


◇在奥氏体钢母材金属一侧形成增碳层,增碳层中的碳元素以铬的碳化物形态析出,并导致硬化。


★实践证明,脱碳层是接头中的薄弱环节,对高温持久强度的影响较大,约降低10-20%


●奥氏体不锈钢与珠光体钢焊接材料的选择要考虑的因素:


(1)克服珠光体钢对焊缝的释释作用。


■举例:


比较J507、A132、A302、A402四种焊条焊接时的焊缝组织:


□用J507施焊,组织为马氏体,不允许采用;


□用A132施焊,焊缝基本上也是马氏体组织,而且越靠近碳钢侧,马氏体数量越多,是脆性破坏的起始区域,也不适用;


□用含镍大于12%的A302、A402施焊时,组织基本上是奥氏体或全部为奥氏体,可用。


(2)抑制熔合区中碳的扩散。提高焊材的奥氏体形成元素,是抑制熔合区中碳扩散最有效的手段。随着工作温度的提高,要阻止碳扩散,必须提高镍含量:


◇350℃以下:焊缝金属的镍含量可以不超过10%;


◇350-450℃:镍含量应为10-19%;


◇450-550℃:镍含量应为19-31%;


◇550℃以上:镍含量应为31%以上。


(3)改变焊接接头的应力分布。


◇国外常用与珠光体钢线膨胀系数相接近的Cr15Ni70镍基焊材来焊接该类异种钢,使得高温应力集中在奥氏体不锈钢一侧的熔合区,减轻了珠光体钢一侧熔合区的压力,对接头比较有利。


◇在坡口面堆焊隔离层也有效。但用于堆焊的焊条合金成分应高于焊缝金属。如:在珠光体钢一侧坡口上堆焊两层A302或A307焊条,然后与奥氏体不锈钢焊接。


(4)提高焊缝金属的抗裂纹能力:在不影响使用性能的前提下,最好使焊缝金属中含有一定数量的铁素体组织。


★试验表明,A302、A307焊条的抗裂性能比单相的A402、A407焊条优越。


★综上所述,此类异种钢焊接所选用的焊条只有A302、A307或A402、A407适宜,不仅能克服珠光体钢对焊缝的稀释,对抑制熔合区中碳扩散和改变焊接接头应力分布也有利。但A402、A407的热裂纹倾向较大,生产上比较少用。


★JB4709-2000规定:奥氏体高合金钢与碳素钢或低合金钢之间的焊缝金属应保证抗裂性能和力学性能。宜采用铬镍含量较奥氏体高合金钢母材高的焊接材料。


■工程应用实例:  


(1)12CrMo、15CrMo珠光体钢与1Cr18Ni9Ti奥氏体钢焊接时,若选用A307、A407焊条,则即使稀释率达25-30%,焊缝金属中也不致出现马氏体组织。


(2)结构刚性大、板厚超过20mm的珠光体钢与奥氏体钢的焊接接头,在焊后热处理过程中或周期性的加热、冷却运行条件下,将产生很大的热应力,导致珠光体钢一侧的熔合线出现热疲劳裂纹。为消减热应力,采用热膨胀系数与珠光体耐热钢相接近的含镍量高的A507或Ni307焊条。


(3)运行温度高于400-500℃的异种钢结构焊接时,在珠光体钢(如15Cr1MoV)坡口上采用含V、Nb、Ti、W等碳化物形成元素的珠光体耐热钢焊条(如R317、R337)堆焊一层厚约5-6mm的过渡层,以限制珠光体钢中的碳向奥氏体焊缝扩散。然后再用相应的奥氏体钢焊条(如A307)焊接对接接头。


(4)为提高高温下运行的珠光体与奥氏体钢管焊接接头的高温持久强度,可在异种钢管间加一段含V、Nb、Ti等强碳化物形成元素的珠光体钢中间过渡管段(如12Cr1MoV)。先用铬钼钢焊条(如R317)焊接珠光体钢与中间过渡管段的连接焊缝,焊后在700-760℃下进行退火处理,再用奥氏体钢焊条(如A307)焊接奥氏体钢管与中间过渡管段的焊缝。


(5)用A407焊成的12Cr2Mo1与1Cr18Ni9Ti异种钢接头,在600℃长期试验时,由于碳的强烈扩散,使熔合线附近的性能降低。但若用含铌的12Cr2Mo1焊条R337在珠光体钢一侧堆焊一层过渡层,则碳的扩散能力显著减弱,高温持久强度提高,试样断裂位置移至珠光体母材金属一侧。


(6)珠光体耐热钢管与奥氏体钢过热器管的焊接结构,采用镍基合金焊条及加衬环的方法进行焊接,可消除熔合线区域的应力突变,提高接头的工作能力。


8、奥氏体不锈钢与铁素体低温钢焊接时的焊条选用:


☆此类异种钢焊接接头的主要问题是:碳的迁移和合金元素的扩散。


■资料介绍:对于中强度低温钢如06MnNb、3.5Ni等与奥氏体不锈钢焊接时,不论用A402、A302、A102或A202焊条,都不可避免在熔合线产生马氏体组织。而用超低碳的A022焊条焊接06MnNb与1Cr18Ni9Ti时是可行的。


(1)选择含碳量相同的不同牌号焊条时,应选用含镍量较高的焊条,对控制碳的迁移和提高低温冲击韧性都有利。


(2)选择含镍量相同的不同牌号焊条时,应选用含碳量较低的铬镍奥氏体焊条,可以控制焊缝中的碳迁移和改善力学性能。


(3)当不同钢号的低温钢焊接时,应选择与低温韧性较高的钢材相匹配的焊条。


(4)考虑到母材对焊缝的稀释作用,可对焊缝金属的化学成分进行适当的调整。     


9、奥氏体不锈钢之间焊接时的焊条选用:


☆此类异种奥氏体钢的焊接,主要是防止焊接接头内产生热裂纹、晶间腐蚀及σ相脆化等问题。


(1)根据合金含量较低一侧母材或介于两者之间选用焊条。


(2)选用奥氏体-铁素体的双相组织焊条,使焊缝金属含3-5%的铁素体,以提高接头的抗裂性能及抗腐蚀性能。


(3)控制焊缝金属的含碳量。


■举例:1Cr18Ni9Ti与0Cr18Ni12Mo2Ti焊接选用A132、A137、A202、A207、A212均可。


(七)复合钢板(管)的焊条选用


1、对复合钢板(管)的认识:


●复合钢板(管):以不锈钢、镍基合金、铜基合金或钛板等高性能合金为复层,以低碳钢或低合金钢等珠光体钢为基层,进行复合成型(轧制、爆炸或钎焊)。


●基层主要满足强度和刚度的要求;复层满足耐蚀、耐磨等特殊性能要求。


●我们在工程中常遇见的是不锈钢复合钢板或复合钢管。其中又以奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢为复层的复合钢板为多见。


2、不锈钢复合钢板(管)的焊接特点:


●不锈钢复合钢的焊缝可分为复层、基层和过渡层三部分。


●不锈钢复合钢的焊接性能主要取决于不锈钢的物理性能、化学成分、接头形式及填充材料种类,所以需要解决下列问题:


(1)焊缝金属的稀释作用增大了热裂纹倾向;


(2)熔合区可能出现马氏体组织导致硬度和脆性增加;


(3)基层和复层含铬量的较大差异促使碳的迁移而形成增碳层和脱碳层,加剧熔合的脆化或另一侧热影响区软化。


3、复合钢的焊条选用原则:


★JB4709-2000规定:


☆不锈钢复合钢基层的焊缝金属应保证力学性能,且其抗拉强度不应超过母材标准规定的上限值加30MPa;


☆复层的焊缝金属应保证耐腐蚀性能,当有力学性能要求时还应保证力学性能。


☆复层焊缝与基层焊缝以及复层焊缝与基层钢板的交界处宜采用过渡焊缝。


●基于上述原则的焊条选用要点:


◇基层焊缝:选用与基层珠光体钢单独焊接时相同的焊条。


◇复层焊缝:原则上使用与单独焊接不锈钢时相同的焊条。


◇过渡层焊缝:要求其Cr、Ni含量高于复层焊缝的含量,以减少碳钢的稀释和补充焊接过程中合金元素 的烧损。


(1)常根据复合钢材质的不同分别选用25Cr-13Ni 、 25Cr-20Ni型焊条。如A302、A307、A402、A407等焊条。


(2)对复层含钼的不锈钢复合钢,过渡层应采用25Cr-13Ni-Mo型焊条,如A312、 A042。


(3)对于塑性要求不高、抗腐蚀性能一般的不锈钢复合钢,过渡层焊缝也可选用焊接复层时的焊条。


●焊条选用焊接时应注意的事项:


◇一般应采用先焊基层焊缝、然后焊过渡层焊缝、最后焊复层焊缝的焊接顺序施焊;但复合管是特例。


◇不得用珠光体钢焊材在复层母材、过渡层焊缝和复层焊缝上施焊;


◇过渡层焊缝应同时熔合基层焊缝、基层母材和复层母材,且应盖满基层焊缝和基层母材。


◇过渡层焊缝在整个复合钢板中的厚度:在复层侧,超出基层和复层交界面约0.5-1.5mm;在基层侧,超出基层和复层交界面约1.5-2.5mm。


◇定位焊缝只允许焊在基层母材上。


★特例:


(1)对于复合管,或者由于施工条件限制一定要先焊复层的复合板,可采取以下方法:


(2)为避免稀释、碳迁移,基层和过渡层均按过渡层焊缝要求选用焊条,如A307、A407等,基层焊条不变。


(3)为保证过渡层焊缝塑性好、抗裂性能高,过渡层选用含碳量极低的纯铁焊条,基层和复层焊条不变。


■举例:


□0Cr13+Q235焊接:基层J422或J427;过渡层A302、A307、A402或A407;复层A132、A137、A302或A307。


□0Cr18Ni9+16MnR:基层J502或J507;过渡层A302或A307;复层A102或A107。


□00Cr17Ni12Mo2+20R:基层J422或J427 ;过渡层A042或A312;复层A022。五氩弧焊丝的选用1、氩弧焊丝选用的基本原则:


(1)应满足接头的化学成分、力学性能和其它特殊性能要求。


(2)焊接工艺性能要好,具有抗裂、防止气孔的能力。


(3)焊丝含有害杂质S、P等要少。


(4)焊丝应清洁、光滑、干燥、无油渍、污物和锈蚀。   


★前述的焊条选用原则基本适合于焊丝。


六镍基合金的焊材选用


1、镍基合金的分类与牌号(七类):


◆工业纯镍(P41):含镍99.5%。如Ni200、 Ni201。


◆Ni-Cu合金(P42):


如:Monel 400(蒙乃尔,Ni66Cu32)等。


◆Ni-Cr合金(P43):


如:0Cr30Ni70


Corronel230(柯罗镍,Cr35Ni65)


Inconel671(因康镍, Cr50Ni50)


◆Ni-Cr-Fe合金(P43) :


如:Inconel600 (因康镍, Cr76Ni15Fe8 )


Inconel625 (Cr61Ni21Mo9Fe3 )


◆Ni-Mo合金(P44) :


如:Hastelloy A(哈斯特洛依A,Ni60Mo19Fe20)


Hastelloy B(0Ni65Cr28Fe5V)


Hastelloy B-2(00Ni70Mo28)


◆Ni-Cr-Mo合金(P44) :


如:Hastelloy C (Ni60Cr16Mo16W4)


Hastelloy C-276 (000Ni60Cr16Mo16W4)


Hastelloy C-4 (000Ni60Cr16Mo16Ti) 。


◆Ni-Fe-Cr合金(P45):


如:Incoloy 800(因康洛依,Ni32Fe46Cr21)


Incoloy 825(Ni42Fe30Cr21)


2、镍基合金的焊接特点:


镍基合金的焊接有奥氏体不锈钢焊接相类似的问题:


(1)焊接热裂纹


(2)气孔:与低碳钢、低合金钢比较,气孔倾向更大,特别对不干净的坡口及焊丝。


(3)耐腐蚀性能:大多数镍基耐蚀合金焊后对耐蚀性能没有多大影响。但对于Ni-Cr、 Ni-Mo、 Ni-Cr-Mo系的一些合金的热影响区附近会发生贫铬现象,导致在某些介质中的晶间腐蚀、应力腐蚀性能下降。


(4)工艺特性:液态焊缝金属的流动性差;焊缝金属熔深浅。


3、焊接工艺要点:


(1)正确选择焊材


(2)接头型式:采用大坡口角度和小纯边的接头型式


(3)坡口附近及焊丝的清理:特点重要,以防止热裂纹和气孔。


(4)焊前预热:一般不需要焊前预热,层间温度应控制在100 ℃以下。但当母材温度低于15℃时,应加热至15-20 ℃,以免湿气冷凝。


(5)焊接工艺:


◇限制热输入,采用小线量和保持电弧电压的稳定,并采用短弧不摆动或小摆动的操作方法。


◇对于小直径管道焊接过程中宜采取强制冷却措施减少焊缝的高温停留时间,增加焊缝的冷却速度。


◇焊后焊缝表面熔渣和飞溅物的及时清理,以防止熔渣中的S等杂质对焊缝造成脆化或腐蚀性能下降。


(6)焊后热处理:一般不推荐焊后热处理。但有时为保证使用中不发生晶间腐蚀或应力腐蚀需要热处理。


4、焊条分类与型号:


★GB/T13814-92《镍及镍合金焊条》标准等效采用美国ANSI/AWS A5.11-89《镍及镍合金药皮焊条规程》:(五种)


◆工业纯镍焊条:ENi-0、 ENi-1


◆Ni-Cu系焊条:ENiCu-7


◆Ni-Cr-Fe系焊条:ENiCrFe-0至 ENiCrFe-4


◆Ni-Mo系焊条:ENiMo-1、 ENiMo-3 、ENiMo-7


◆Ni-Cr-Mo系焊条: ENiCrMo-0至ENiCrMo-9


★药皮类型:钛钙型(03)、碱性(15、16)


5、焊丝分类与型号:



★按GB/T15620-1995《镍及镍合金焊丝》规定:


◆工业纯镍焊丝:


◆Ni-Cu系焊丝:ERNiCu-7


◆Ni-Cr系焊丝:ERNiCr-3


◆Ni-Cr-Fe系焊丝:ERNiCrFe-5、 ERNiCrFe-6


◆Ni-Fe-Cr系焊丝: ERNiFeCr-1、 ERNiFeCr-2


◆Ni-Mo系焊丝: ERNiMo-1 、ERNiMo-2 、 ERNiMo-3 、ERNiMo-7


◆Ni-Cr-Mo系焊丝: ERNiCrMo-1至ERNiCrMo-4、 ERNiCrMo-7至ERNiCrMo-9


6、镍基合金的焊材选用原则:


(1)同种镍材焊接时的焊材选用:


◇应选用和母材合金系列相同的焊接材料


◇若无耐腐蚀性能要求,也可选用与母材合金系统不同的焊接材料,但应保证接头具备设计要求的性能。


■举例:


Monel 400:焊条ENiCu-7 ;焊丝ERNiCu-7


Inconel600: 焊条ENiCrFe-1;焊丝ERNiCrFe-5


Incoloy 800H:焊条ENiCrFe-2;焊丝ERNiCr-3


Hastelloy C-276:焊条ENiCrMo-4 ;焊丝ERNiCrMo-4       


(2)异种镍材及镍材与奥氏体不锈钢之间的焊接,应考虑下列因素:


◇焊缝的强度(包括高温持久强度),耐腐蚀性满足设计;


◇选用线膨胀系数与母材相近的焊接材料。


◇考虑焊材对焊接裂纹、气孔的敏感性。        


■举例:


◇奥氏体不锈钢与Monel 400焊接:焊条ENiCu-7 ;焊丝ERNiCu-7。

◇Monel 400与Inconel600焊接:焊条ENiCrFe-3;焊丝 ERNiCr-3。

◇Incoloy 800H与Hastelloy C-276焊接: 焊条ENiMo-3;焊丝ERNiMo-3 。


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