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20合金鑄件焊接性分析及工藝措施的選擇
發布者:不銹鋼管廠(www.9241989.buzz) 發布時間:2020/5/7 閱讀:739

 浙江宏盛特鋼有限公司依據奧氏體不銹鋼抗腐蝕性能的取向性,20合金是抗硫酸、亞硫酸及其鹽類腐蝕的理想材料。因該材料中有高含量的鎳及較高含量的鉻,鉬,銅等化學元素,焊接時易產生焊縫凝固裂紋、近焊縫區液化裂紋、焊接殘余應力及熱影響區晶粒粗大而增加晶間腐蝕和應力腐蝕的風險,但只要工藝選擇合適,焊接質量是完全可以保證的。

 

 化學成分與各元素質量分數的不同,對奧氏體不銹鋼抗耐酸腐蝕性能是有取向性的:鉻,釩,硅等元素,對抗HNO3類氧化性酸的腐蝕性能是有利的;鎳,銅等元素,對抗HCl或硫酸類還原性酸的腐蝕性能是有利的;鉬含量在2%~3%,在各類酸中,特別是還原性酸中,能明顯地表現出良好的抗腐蝕性能。根據奧氏體不銹鋼材料抗酸腐蝕性能的取向性,選取了最適用于硫酸、亞硫酸及其鹽類腐蝕環境,有卓越抗腐蝕性能的20合金材料作為試驗材料,其試驗過程如下。

 

一、試驗母材及規格

 20合金材料,在美國ASME—2010標準中的牌號為SA-351CN7M,公稱成分28Ni-19Cr-Cu-Mo,機加工時的鑄件為固溶熱處理狀態,其組織為純奧氏體,化學成分和力學性能分別見表。試板加工及組對尺寸按圖的要求進行,機加工后表面粗糙度要求達到6.3μm以上。

 

二、焊接方法

焊接方法采用常用的焊條電弧焊(SMAW)。

 

三、焊接材料的選擇

根據AWSD1.6/D1.6M:2007《不銹鋼結構焊接規范》的推薦,焊接材料選擇牌號為E320LR-16,規格為準3.2mm,其化學成分和力學性能見表。

 

四、焊接性分析與工藝選擇

 1. 焊接性分析

   根據母材選定的焊接材料,以表中給出的化學成分,按下列公式(1)及公式(2):w(Cr)eq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb(%),(1)w(Ni)eq=Ni+30C+30N+0.5Mn(%),(2)計算出選定焊材焊縫金屬的鉻當量w(Cr)eq值為22.1%,鎳當量w(Ni)eq值為35.0%,依據1973版“戴龍焊縫組織圖”可知:焊縫組織應當為純奧氏體。因此該焊縫具有一般奧氏體不銹鋼焊縫組織的特點:焊接接頭的晶間腐蝕傾向、使用過程中的應力腐蝕開裂、接頭焊接過程中的熱裂等問題。由于此次評定選擇的焊接材料為E320LR-16,其w(C)0.013%,小于產生晶間腐蝕傾向的下限w(C)0.03%,常溫下焊縫組織處于穩定狀態,故焊接時焊縫金屬導致晶間腐蝕傾向的幾率是很小的,也就是說,焊縫金屬從選材時就不具備產生晶間腐蝕傾向應同時滿足的3個條件,即晶粒粗大、腐蝕介質環境及在450~850℃溫度區間長時間停留而導致碳化物(w(C)>0.03%)析出。但因母材的w(C)0.055%,這就導致母材奧氏體組織在常溫下處于不穩定狀態,因此在焊接時,應采取避免焊縫及熱影響區組織的晶粒粗大和過熱或過燒的措施,來減少整個焊接接頭晶間腐蝕傾向的風險。20合金鑄件和E320LR-16的焊接材料中含有比普通奧氏體不銹鋼材料高出3~4倍含量的Ni及較高含量的Cr,Mo,Cu等元素,從而可以推斷:由于焊接接頭熱導率比普通奧氏體不銹鋼材料小、線膨脹系數比普通奧氏體不銹鋼材料大和較高的電阻率,因此焊接時很容易導致焊接接頭的過熱或過燒,從而導致焊縫金屬在凝固期間易形成方向性強的、晶粒粗大的樹枝狀奧氏體結晶體,這就有利于Ni與S,P,Sn,Si,N,O之類元素,在樹枝晶之間形成低熔點共晶,即液態薄膜,促使焊接接頭產生焊縫凝固裂紋、近焊縫區液化裂紋等微熱裂紋的生成;同時又因焊接接頭的線膨脹系數比普通不銹鋼較大、熱導率小,導致焊接接頭殘留較大的焊接應力,因此增大了焊接接頭在使用過程中應力腐蝕開裂的傾向;同時20合金焊縫又具有鎳基合金焊縫組織的特點,焊接時金屬液體流動性差,因此焊縫成形不易控制,在焊縫及熱影響區容易產生微熱裂紋等傾向。所以在選擇焊接工藝措施時,應通過適當途徑來避免因焊接接頭的過熱或過燒而導致的焊縫凝固裂紋、近焊縫區液化裂紋等微熱裂紋和晶粒粗大,以減少焊接接頭的晶間腐蝕傾向和降低殘余應力,來規避焊接接頭晶間腐蝕、熱裂紋和應力腐蝕開裂的風。

 

 2.工藝措施選擇

(1)母材熔煉時,采取特定的工藝措施把C含量控制在不超過0.03%的范圍內,或在熔煉過程中適當地加入一些鈮或鈦等控碳元素,使母材組織在常溫處于穩定狀態。

(2)選擇焊接材料時,優選超低碳的、低殘留元素的、并含有一定量的鈮或鈦等控碳元素的焊接材料,使焊縫組織在常溫處于穩定狀態。

(3)焊接時盡量保證焊縫金屬中的有益元素(鉻,鎳,鉬,銅等)的質量分數與母材匹配或略高于母材的,同時避免對“抗腐蝕性能”起負作用的其他雜質元素滲入。

(4)在焊接方法及焊接材料確定的前提下,對于焊接工藝參數應選擇“小電流、短弧焊、快速多層多道焊”的軟規范參數,即小熱輸入、多層多道焊技術。

(5)焊接前一般不需要預熱,但當焊件母材的溫度低于15℃時,應在始焊處兩側100mm左右寬度范圍內加熱至15~20℃,以避免陰冷潮濕的環境氣體冷凝產生氣孔。

(6)焊接引弧時,應采用回焊引弧或引弧板過渡焊接引弧技術;焊接到接頭處時,應采用回焊引弧技術,以保證接頭處飽滿、光滑過渡;收弧時,應采用來回繞弧技術填滿弧坑,以保證弧坑處飽滿,避免產生弧坑裂紋。

(7)應嚴格控制層間和道間溫度在較低的溫度范圍,所推薦的層間和道間溫度均不超過100℃,以避免焊縫金屬和熱影響區過熱或過燒,保證焊縫金屬和熱影響區金屬在冷卻到室溫并清理干凈后,再進行層間或道間的焊接,焊接結束后其焊縫金屬和熱影響區表面以呈現出銀白光亮色或金黃色為宜。(8)焊接結束時應采取快速冷卻措施,盡量避免焊接接頭在450~850℃溫度區間長時間停留,必要時可以采取澆水,或其他強制冷卻的措施,來縮短焊接接頭在敏感溫度區間的停留時間。4.3輔助工藝措施及規范參數選擇焊接前,坡口表面及邊緣15~20mm范圍內經液體滲透(PT)檢測確認無裂紋、氣孔、縮松等表面缺陷后,按圖1所示尺寸進行組對。焊接時清除坡口表面及其邊緣15~20mm范圍內的油污、滲透劑等影響焊接質量的雜質,使其露出金屬光澤,并保證焊接接頭始焊處的預熱溫度在15℃以上。當環境溫度低于15℃時,考慮采取措施在始焊處100mm范圍內預熱到15℃以上,待充分排出滲透到母材內的滲透劑、冷凝水等污物后隨即開始焊接。焊條使用前在320℃/h的條件下進行烘干。用焊條保溫桶存放,在焊接現場,焊條保溫桶要求一直處于通電保溫關閉狀態,隨時取用,隨時關閉,嚴禁處于敞口儲存。對于在4h之內未使用完的焊條,應重新進行烘干。然后按表5的焊接工藝參數進行焊接。焊接時,焊條不擺動,且層間溫度及道間溫度均控制在100℃以下,每道焊接結束后,隨即采用吸水率大的棉質濕抹布覆蓋其焊縫表面進行強制冷卻,同時采取澆水措施使抹布始終保持濕漉漉狀態。每焊接3~5層后,進行一次液體滲透(PT)檢測,一旦出現缺陷,只有修復合格后才能繼續焊接。層間和道間清理,采用專用工具清理,避免鐵離子污染。背面采用角磨機清根,按表5的工藝參數,采用焊接2層填滿坡口的工藝措施。5無損檢測焊件冷卻到室溫后,按ASME—2013第Ⅴ卷、第2章及第6章[7]的要求,分別進行外觀目視(VT)、射線(RT)及液體滲透(PT)檢測,其結果符合ASME—2013第Ⅸ卷QW-194,QW-191.1.2.2及QW-195.2.2的要求;同時也滿足相關產品技術標準規范的規定。

 

五、力學性能及化學分析

  對完成無損檢測的試板,按照相應規范的要求進行力學性能及化學分析試樣加工,其力學性能及化學分析檢驗項目、數量、試樣加工檢驗執行標準見表6。試樣加工完成后進行外觀形狀幾何尺寸檢查,合格后進行標識移植。

 1. 力學性能試驗

  在室內溫度為19℃,空氣相對濕度為27%的環境條件下,力學性能檢驗結果見表,試驗結果全部合格,其中彎曲試樣拉伸表面完好,無缺陷。

 2. 金相試驗

  按標準GB/T19869.1—2005的要求加工試樣,試樣包括焊縫金屬、熱影響區和母材,其規格尺寸為70mm×20mm×18mm。

  a.宏觀金相試驗

   試樣打磨拋光后經王水溶液腐蝕,當其觀察面清晰顯示出熔合線、熱影響區和各層焊道痕跡時,在正常光照條件下,用5~10倍放大鏡進行宏觀金相觀察。如圖所示,焊縫金屬、熱影響區及母材區域均無裂紋、未焊透、氣孔,熔敷金屬與母材熔合良好,其結果符合QW-183的要求。

  b.微觀金相試驗

  經宏觀金相檢測完成后的觀察面上,在電子顯微鏡下至少放大200倍后,進行微觀金相觀察,母材金相組織照片如圖3所示,其組織均為單相的、固熔狀態的彌散相奧氏體組織。焊縫組織如圖4所示,其組織為典型的單相奧氏體鑄態組織、Fe及Cr-Ni-Mo-Cu晶間化合物組成。熱影響區的組織如圖所示的該區域內的組織與母材的組織基本一致。經觀察,在整個焊接接頭區域內:未發現有對焊接性能有影響的顯微裂紋、沉淀物出現及異常組織,其結果合格。

 3.硬度試驗

金相試驗后按標準GB/T4340—2009的要求進行維氏硬度試驗。在試驗溫度為24℃,空氣相對濕度為24.2%室內環境條件下,按圖所示的位置進行檢測,維氏硬度(HV)檢測結果見表。結果顯示母材、熱影響區和焊縫金屬的硬度值均無異常分布,熱影響區寬度在6.0~8.5mm的范圍內。

 4. 晶間腐蝕試驗

  取自于稀釋區以外的焊縫金屬晶間腐蝕試樣,其規格尺寸為70mm×10mm×4mm,經外觀及尺寸檢查合格后,按GB/T4334.5—2000標準的要求,φ(酸)10%電解浸蝕法進行晶間腐蝕試驗,結果為:拉伸表面均完好無損,試樣表面未發生晶間腐蝕現象。

 5.化學分析

  試驗對未被稀釋的焊縫金屬進行化學分析,結果見表,焊縫金屬化學成分滿足ASME第Ⅱ卷C篇SFA-5.4標準中E320LR的要求。

 

六、結論

 1. 奧氏體不銹鋼材料的抗腐蝕性能,因所含化學成分及百分比含量的不同,其是有取向性的。

 2. 焊接材料優選超低碳焊條E320LR或焊絲ER320LR.以避免20臺金焊接的過程中產生焊縫凝固裂紋、近焊縫區液化裂紋等徽熱裂紋。

 3. 在選擇工藝參數時,應優選軟規范,即熱輸入小的規范,以削弱焊縫及熱影響區金屬過熱或過燒,從而避免增大接頭的晶間和應力腐蝕風險。

 4. 20合金的焊接接頭,只要工藝措施選擇合適,其一樣與母材具有同等抗強酸腐蝕的性能。

 5. 20合金焊接易于產生微熱裂紋的內因是母材和焊接材料化學成分中有高含量的鎳,以及較高含量的鉻,銅及鉬等元素;外因是由于工藝措施的選擇不當而導致焊接接頭的過熱或過燒。

 

 
 

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