316H不锈钢管焊接接头裂纹失效分析

2020-09-21 01:25:45

 浙江至德钢业有限公司针对316H不锈钢管焊接接头出现裂纹的现象,对316H不锈钢管母材和热影响区的金相组织进行了观察。结果表明,材料组织不均匀且有夹杂物,晶界处有析出相。同时测试了裂纹附近材料的硬度,分析了裂纹产生的原因。焊接接头裂纹失效的分析为改善316H不锈钢管焊接质量提出了相应的措施。奥氏体不锈钢具有良好的室温及低温韧性、焊接性、耐蚀性和耐热性,因而被广泛应用于化工装置有腐蚀介质的高温抗氧化设备中。奥氏体不锈钢含碳量很低,其最主要元素为铬和镍,一般铬的质量分数为17%~19%,镍为8%~11%。316H不锈钢管系奥氏体不锈钢,国内亦作07Cr17Ni12Mo2,具有奥氏体不锈钢的所有优良特性,是奥氏体不锈钢的典型代表。


 316H不锈钢管通常需要焊接加工来构成成品。其焊接特点主要有:焊缝处易形成方向性很强的粗大柱状晶组织,使杂质和一些敏感元素在晶间形成低熔点的液态膜成为可能;焊接时间过长时,会使铬的碳化物从奥氏体中析出,在焊缝处形成晶间腐蚀;热导率小且线膨胀系数大,局部不均匀加热时,易形成较大的温度梯度等。这些特点会直接或间接地导致裂纹产生,甚至造成严重的安全事故。国内很多学者对合金钢的焊接裂纹进行了研究,但对于316H不锈钢管焊接失效行为的研究却甚少。现有某公司316H不锈钢管焊接失效的接头部分的试样一块,为揭示裂纹发生的原因,本工作对该试样的材料组织进行了观察研究,并用EDS(能谱定量分析)测试了焊料的元素,同时还测试了裂纹附近材料的硬度,分析了裂纹产生的原因,为改善316H不锈钢管焊接质量提出了相应的措施。


一、材料和焊接工艺


 1. 产品规格及材料


  用于运输气体或液体的管件产品因焊接接头裂纹而失效。管件规规格610×12.7,外径610 mm,壁厚12.7 mm。材料为316H奥氏体不锈钢,其化学成分见表。为了对裂纹产生的原因进行分析,取焊后失效的材料制成试样。试样是采用电火花线切割的,切出的一块小试样尺寸为30mm×25mm。图所示为用超声波清洗器清洗过的试样。


 2. 焊接工艺


 所取试样来自于两管件焊接接头部分,管件与管件之间采用氩弧焊焊接(氩弧焊:明弧焊接,操作和观察都比较方便,可进行各种位置的焊接,目前广泛应用于不锈钢和耐热钢等材料的焊接)。由于先焊接后热处理容易造成变形,所以公司采取的制造工艺为先压片后热处理再焊接。


二、分析与讨论


 1. 组织分析


 从管件母材上切取试样,先用砂纸对试样进行打磨,然后采用金刚石抛光剂进行抛光。对用于金相观察的试样部位用王水进行腐蚀,腐蚀10~15秒后,用金相显微镜观察母材的金相组织,图为其不同倍数下的显微组织。由图可见,晶粒大小不是很均匀;由图可见,在晶界处存在一些夹杂物,且晶粒与晶粒结合得并不是很好。也就是说,晶界为母材的薄弱环节,对裂纹的产生起了促进作用。


 2. 微观裂纹分析


 在图所示的焊缝处微观形貌图中,可在晶界处看到有异物。查阅相关资料可知,该异物可能为液态薄膜或者σ相的一种。通常,低熔点杂质(硫、磷等)易于在奥氏体晶界富集,在枝晶间形成液态薄膜,增大热裂纹的倾向[8]。如果是低熔点杂质偏析形成液态间层,那么这些杂质最有可能来源于焊料。由EDS测得,焊料药皮中各成分的质量分数为:碳=6.97%,氧=38.90%,钠=3.27%,镁=0.52%,铝=3.02%,硅=17.07%,氯=0.73%,钾=4.62%,钙=16.89%,钛=6.68%,铁=1.34%。测得焊料焊芯成分的质量分数为:碳=3.22%,钠=1.04%,铝=0.30%,硅=0.38%,铬=19.11%,铁=62.34%,镍=11.74%,钼=1.87%。对EDS测得的这些数据进行分析,可以排除形成液态薄膜的可能。奥氏体不锈钢在高温加热过程中会发生σ相析出脆化,所以初步判断该异物为σ相。观察焊料成分可以发现,焊料中含有钼和硅,这两种元素可以促成σ相形成,即在高温条件下发生σ相析出脆化并形成裂纹。


 3. 微观断口分析


 图为采用XL-30 ESEM环境扫描电子显微镜拍得的部分试件沿裂纹拉断的微观形貌图片。由图可见,晶间存在大量的微观裂纹,裂纹扩展特征以沿晶扩展为主,上述分析是造成该现象发生的主要原因。结合图可以看出,纵向裂纹的扩展方向是从焊缝与热影响区结合处至母材的方向。


 4. 硬度分析


 采用MHV—1000型数显显微维氏硬度计对试样的局部硬度进行测试,以便于进行分析。测点选择如图所示。在纵向方向,从焊接接头下表面至上表面,每隔0.5mm测一个点,共测试5条分布线,从左至右依次为1至5号分布线。由焊缝区至热影响区分布线的排列为:焊缝区2条(较密一些);中间裂纹区1条;热影响区2条(松散一些)。由图可知,1~5号分布线硬度平均值依次为237.31、215.63、228.64、229.60、220.83 HV。1号线处由于焊料向两旁流动,所以冷却速度最快,硬度值最大;2号线处由于焊料集中堆覆在此处,温度很高,冷却速度最慢,所以硬度值最小;3号线处由于靠近热影响区,受母材的影响,冷却速度较慢;4号线处由于离热影响区更近,所以冷却速度较快;5号线处为母材的硬度。结合图可以发现,在焊道与母材交界处形成一横向裂纹,这是由于3号线附近受2号、4号线处冷却挤压所致。2号线、4号线处温度相对于3号线处有一个差值,由于热胀冷缩的缘故,分别对3号线处形成挤压,产生挤压应力,导致裂纹产生。同时,3号线位置正好处于焊缝与母材交界处,有一个坡度差,易产生应力集中现象,为该裂纹的产生提供了便利。由图可以看出,纵向的裂纹起源于横向裂纹。在该试样上,以横向裂纹为起点,在纵向方向产生了沿晶扩展的微观裂纹。


 5. 裂纹的原因分析


  a. 材料存在缺陷


  由母材金相组织可以得出,管件材料中存在缺陷,晶粒晶界处有一些夹杂物,并且晶粒与晶粒结合得并不是很好。晶界处为母材的薄弱环节,这就为裂纹的产生创造了条件。同时,焊料中含有可促成σ相形成的元素,这就使得管件材料在高温条件下易发生σ相析出脆化,致使裂纹形成。


  b. 残余应力及应力集中


  管件采取先压片后热处理再焊接的工艺,焊接是最后一道工序。焊接完成后,管件的组织比较粗大,会带来焊后残余应力。在焊缝与母材交界处有一个坡度差,易产生应力集中现象。残余应力和应力集中都会引起裂纹的产生。


  c. 温度


  奥氏体不锈钢由于热导率较低,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,导致严重的内应力。焊接过程中的热输入(电弧温度)越大,焊后工件的变形量也越大,较大的变形量会导致焊后有较大的焊接应力。因此,可以认为温度是产生裂纹的主要因素。


三、结论


  1. 316H不锈钢管件材料组织存在杂质、母材晶界弱化和焊料中存在析出相形成元素,都会使得微裂纹在焊缝和母材交界处附近沿母材晶界扩展,从而导致热裂纹产生。


  2. 316H不锈钢管焊后应进行整体热处理,以细化管件组织,消除焊后残余应力。焊缝处应避免应力集中,减小坡度,尽量使之平整。


  3. 316H不锈钢管焊接过程中热输入过大及母材内部温度梯度过大造成的内应力会导致焊接裂纹产生,通过焊前预热、焊后缓冷、降低热输入以及适当锤击以释放焊接应力等措施,可有效避免裂纹的产生。


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