316L不锈钢管焊接接头裂纹失效分析

2020-08-30 04:08:25

 浙江至德钢业有限公司针对316L不锈钢管焊接接头出现的裂纹,通过对316L不锈钢管化学成分及焊接工艺的分析,对其在焊接过程中产生的裂纹进行了宏观和微观的裂纹分析,分析裂纹产生原因,提出了减小焊接接头裂纹失效的工艺处理措施。


 不锈钢在航空、石油、化工和原子能等工业中得到日益广泛的应用,不锈钢是指主加元素铬高于12%,能使钢处于钝化状态、又具有不锈钢特性的钢。不锈钢按化学成分分为铬不锈钢、铬镍不锈钢,根据其显微组织分为铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢和奥氏体-铁素体双相不锈钢。在不锈钢中,奥氏体不锈钢比其他不锈钢具有更优良的耐腐蚀性,奥氏体不锈钢是目前工业上应用最广的不锈钢,其具有良好的塑性及韧性。奥氏体不锈钢焊接性能良好,但是若焊接工艺不正确或焊接材料选用不当,会产生裂纹失效,严重影响使用性能。


一、316L不锈钢管化学成分及焊接工艺


 1. 316L不锈钢管化学成分


 奥氏体是碳溶解在γ-Fe中的间隙固溶体,常用符号A表示。它仍保持γ-Fe的面心立方晶格。其溶碳能力较大,在727℃时溶碳为ωc=0.77%,1148℃时可溶碳2.11%。奥氏体是在大于727℃高温下才能稳定存在的组织。奥氏体塑性好,是绝大多数钢种在高温下进行压力加工时所要求的组织。


 奥氏体不锈钢指常温下具有奥氏体组织的不锈钢。奥氏体不锈钢含有大量使奥氏体区扩大的合金元素Ni(镍),而镍抑制铁素体的产生,从而使得在室温下钢的金相组织成为奥氏体组织。此类钢除耐氧化性酸介质腐蚀外,如果含有钼、铜等元素还能耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸、尿素等的腐蚀。


  316L不锈钢管属于不锈、耐热、耐蚀钢,为奥氏体不锈钢管,其化学成分见表。


 2. 焊接工艺


  取316L不锈钢管的两端口头余料,采用二氧化碳气体保护焊焊接在一起。二氧化碳气体保护焊焊缝抗裂性能高,焊缝低氢且含氮量少,焊后变形较小;电弧在气流压缩下燃烧,热量集中,所以焊接热影响区较小,变形不大。为减少晶间腐蚀,采用含钛、铌等稳定化元素的焊条,如A137、A132等,由焊丝或焊条向焊缝熔入一定量的铁素体形成元素,使焊缝金属成为奥氏体+铁素体的双相组织。为减少焊接熔池过热,选用较小的焊接电流和较快的焊接速度,加快冷却速度。为消除应力,焊接后采取完全退火整体热处理。


 为了分析焊接接头裂纹失效,对材料的组织、裂纹扩展特征进行分析,找出裂纹产生的原因,提出相应防止裂纹产生的措施,将产生裂纹的局部产品取样后进行分析。用电火花线切割切出一块60X50mm的试样,如图1所示为用超声波清洗器清洗过的样件。


二、裂纹分析


 对316L不锈钢管材料的横截面进行了组织分析。由于所取母材为焊好热处理完后远离焊缝区域的部分横截面组织,一般来说这对母材组织的影响并不是很大,所以可以代替管件的组织。由图可知,管件组织已大小不一,晶粒极其不均匀,并且材料中存在一些夹杂物。所以可以初步判断母材本身存在一些缺陷。


 1. 宏观裂纹分析


 316L不锈钢管焊好后,出现裂纹,裂纹向各个方向扩展,周围有被灼烧的痕迹。裂纹的宏观扩展特征如图3所示。由图中可以发现裂纹呈断续扩展,沿材料中的缺陷部位扩展,断续裂纹以二次裂纹为起裂点然后扩展。


 2. 微观裂纹分析


  对裂纹的扩展特征进行微观分析,其结果如图所示。在图所示的微观形貌图中,可以看出材料中存在缺陷,在晶界处存在低熔点杂质,同时有低熔点杂质偏析。图所示裂纹沿晶界向母材内部扩展,由以上分析可知母材晶界是容易产生裂纹的薄弱区域,再加上析出相的存在为裂纹扩展提供了有利条件。


三、裂纹产生原因分析


  由上述图片可以看出316L不锈钢管焊后裂纹扩展方向纵横交叉,据热裂纹和冷裂纹的形貌特征,可以判断热裂纹和冷裂纹都存在于此失效样件中。裂纹产生原因如下。


 1. 材料自身缺陷


  由一部分裂纹开裂方向沿晶界开裂可知,在热影响区过热区晶界存在低熔点杂质,同时在焊缝区有低熔点杂质(可能来自于焊料中)偏析形成液态间层。这些低熔点杂质易于富集于奥氏体晶界,在枝晶间形成液态薄膜,增大热裂纹的倾向。


 2. 材质热处理状态


  另一部分裂纹开裂方向无分支、穿晶开裂,在焊道下的热影响区内形成平行于熔合线发展的裂纹是由于焊接接头存在淬硬组织,性能脆化。从裂纹发生的区域观察,母材热影响区有撕裂,可以认定淬硬组织是产生冷裂纹的主要因素。


 3. 焊接温度


  奥氏体不锈钢由于热导率较低,而线膨胀系数却较大,在局部快速加热时温度分布不均匀易形成较大的温度梯度,所以在焊接时容易产生焊接应力。奥氏体不锈钢中的成分如碳、硫、磷、镍等会在熔池中形成低熔点共晶。如硫与镍形成Ni3S2熔点645℃,而Ni-Ni3S共晶的熔点内有625℃。奥氏体不锈钢的液与固相线的距离较大,结晶时间较长,且奥氏体结晶的枝晶方向性强,所以杂质偏析现象比较严重。分析可知,焊接过程中的热输入(电弧温度)越大,焊后工件将会有一定的变形量,会导致焊后有较大的焊接应力。由于变形量随着热输入量的增加而增加,因此,母材内部的焊接应力和温度成正相关关系。


四、 减小焊接接头裂纹失效的工艺处理


 首先应加快冷却速度,因为奥氏体钢不会产生淬硬现象,所以可在焊接过程中提高其冷却速度。可以在焊接后直接把焊接接头放入水中冷却,或直接浇水以提高其冷却速度,以达到减少贫铬区形成的机会。


 其二尽量使焊缝金属呈双相组织,铁素体的含量控制在3~5%以下。双相组织的焊缝比单相奥氏体组织具有较高的抗热裂纹能力。因为铁素体可以细化晶粒,打乱柱状晶的方向,防止杂质的聚集,并且铁素体还可以比奥氏体溶解更多的杂质,从而减少了低熔点共晶物在奥氏体晶格边界上的偏析。


 第三在焊接工艺上,采用碱性焊条,用小电流,快焊速,短弧多道焊,收弧时尽量填满弧坑等措施,以缩短焊接接头在危险温度区停留时间。


五、结论


  316L不锈钢管试件材料组织存在低熔点杂质或元素,低熔点元素容易造成母材晶界弱化,会在焊缝和母材交界附近沿母材晶界扩展导致热裂纹产生。热处理状态对母材在焊接受热时的应力和变形影响较大。在母材内应变能较低时,受热时回复较轻,相应的变形和内应力也较小,不易形成裂纹。反之母材内应变能较大时,焊接时回复内应力较大,可能使裂纹更严重。焊后应进行整体热处理,以细化管件组织,并且可以消除焊后残余应力。二氧化碳气体保护焊过程中母材内部温度梯度造成的内应力会导致焊接界面裂纹发生,应减小温度梯度以避免上述裂纹的发生。


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