316L不锈钢管焊缝的组织结构特性分析

2020-11-18 00:16:27

 316L不锈钢管的使用范围较广,在不同工业场景下起到作用的特性也各有不同。了解被检材料的性质,是无损检测人员必需的知识储备,也是从检测结果中得到正确结论的基本前提条件。至德钢业的研究对象是超声检测方法,因此在介绍316L不锈钢管时,重点是容易对超声波产生影响的因素,如晶粒粗大、不均匀性、各向异性和异质界面等特性。同时,为了给本文后续的超声波传播过程建模、信号处理方法和焊缝检测方法等内容提供真实的参数作为依据,本章试制了与奥氏体焊缝特性相似的试块,并实际测试了这些试块的声学性能。


一、对接焊接接头分析


 1. 晶粒形成原理简介


  316L不锈钢管是一种在室温下可以维持稳定奥氏体显微组织的不锈钢,其合金元素的主要成分有铬和镍,以及一些微量的碳、钛、钼、氮、锰等元素。由316L不锈钢管结晶相图可知,镍和锰两种合金元素可以扩大奥氏体存在的温度范围,使晶粒即使经过了焊接的高温之后,仍然只会在形态和尺寸上发生变化,而不会转化为其它类型。在奥氏体形成的过程中,影响晶粒尺寸的因素一般有以下几种:加热温度、保温时间、钢的原始组织、加热速度、钢的化学成分、冷却速度和母材晶粒方向。下面将从这几个角度分析316L不锈钢接头各区域中晶粒形成的原理和过程。


 2. 加热温度的影响


  两块316L不锈钢管母材的对接接头一般采用熔化焊的方式进行焊接,此过程中焊条内的金属会被快速加热到熔点温度以上,形成图中的熔池。而加热温度与晶粒的生长速率成正比,最终晶粒也更容易形成较大的尺寸。因此焊接的高温特性,从本质上决定了奥氏体晶粒最终会生长到较大的尺寸。


 3. 保温时间的影响


  316L不锈钢管的热传导能力一般,导致熔融的焊缝组织会经历较长的保温时间。同时,由于厚板316L不锈钢管接头的尺寸一般比较大,焊接过程中会采用多焊道(如图中所示的焊道)的焊接方式,使得焊缝中部分金属不断地被加热,这进一步延长了冷却时间。焊接本身产生的高温,再加上较长的保温时间,为焊缝中的原子扩散提供了有利条件,这会导致奥氏体晶粒组织容易长大。


 4. 加热速度的影响


  相较于锻造过程中高温炉的加热速度,焊接方式对钢的加热是在极短时间内完成的,较大的过热度使奥氏体的实际形成温度较高,起始晶粒也更小。但越小的起始晶粒,越容易在持续的高温环境下长成越大的最终尺寸。


 5. 钢的原始组织的影响


  奥氏体是一种层片状结构,其内部碳化物(如渗碳体)的表面积较大,在奥氏体中的溶解速度也更快,这会使得奥氏体晶粒的生长过程具有更高的速率和更久的时间。316L不锈钢的热传导速率较低,大部分的对接接头母材并未受到加热的影响。而受到焊接加热影响较明显的小部分母材,一般为焊缝熔合线两侧大约10mm的区域,也就是热影响区及熔合区,如图所示。此区域的金属以母材的奥氏体为原始晶粒,经历了焊接过程中的加热和保温的影响,晶粒的体积进一步粗化,为焊缝中的晶粒提供了非自发的形核基础。


 6. 冷却速度和母材晶粒方向的影响


  焊接过程中,母材坡口附近的晶粒被粗化以后,熔融的钢材以这些粗化的晶粒(图中的“片状奥氏体”)为形核源开始生长。由于熔池与母材接触的部分体积较小,冷却速度快,所以晶粒刚开始生长时容易形成柱状形态。


  晶粒从母材上生长一段距离以后,在高温和长时间保温的影响下,新焊道中的晶粒会以之前焊道的晶粒取向为基础,跨过多层焊道继续生长,但此时的生长方向平行于熔池的温度梯度,造成了晶粒从母材上长出后慢慢向焊缝中心弯曲的现象。并且熔池内部体积较大,冷却速度中等,晶粒以竞争生长的方式形成树枝晶粒。


  在焊接大厚度奥氏体钢的时候,熔池下半部分散热速度更快,容易形成柱状晶粒,因此焊缝中心线上的晶粒,一般从底部自发形核,然后由下而上生长为柱状晶粒。焊缝中的晶粒形态总结如下:焊缝中心线上形成由下而上生长的柱状晶粒,焊缝两侧的晶粒从母材上以柱状的形态长出,随后生长为树枝状晶粒,逐渐向上弯曲并靠拢中心线。图2-1中以虚线箭头描述了焊缝中晶粒生长的方向。


 7. 钢的化学成分的影响


  在奥氏体晶粒形成的过程中,有的合金元素起到粗化晶粒的作用,有的起到细化的作用,还有的作用不大。此外,化学元素的含量对奥氏体生长的影响也不同,例如碳含量在一定范围内时对奥氏体晶粒的长大起促进作用,但含量超过一定限度后反而会起到反作用。各种牌号的316L不锈钢中,除了主体的合金元素以外,微量合金元素的种类和含量各有不同,并且每种元素对奥氏体生长起到的作用也无法测定,因此这些元素的影响无法准确界定。而上述的5种影响因素,已经从本质上决定了奥氏体晶粒会呈现粗大尺寸的状态,所以化学成分的影响可以作为次要因素,忽略不计。


  在焊接时,焊条的选择一般会参照母材的材质,它的成分与母材成分相同或接近才可使用。而且焊条的材质本身也是316L不锈钢管,因此在熔融再降温后,焊条金属也不会发生相变,其形式仍然是奥氏体。因此焊条的使用也不会对焊缝中奥氏体晶粒的形态产生较大的影响,也可以忽略不计。


 8. 对接焊接接头的区域划分


  两块316L不锈钢管母材焊接完成以后,在上一小节中所述几种因素的影响下,焊接接头在不同的区域会呈现出不同的特性,这些特性对超声波的影响也各有不同。按照焊接过程中的受热程度大小,可将316L不锈钢管接头分为三个部分,分别为:母材区、热影响及熔合区、焊缝区。


二、母材区


  在两块被焊接的工件上,未受焊接热量影响的区域为母材区,此区域中奥氏体晶粒不会发生形态和尺寸上的变化,保持原始形态。而原始形态的奥氏体是一种等轴状的多边形晶粒,材料各向同性,入射角度对超声波传播的影响不大。


  对接接头的母材一般为304或316不锈钢管,其奥氏体晶粒一般为7级,对应的直径为约为0.03mm。根据钢材中超声波纵波的声速约为5900m/s、奥氏体焊缝检测时一般使用中心频率为2MHz-2.5MHz的探头,可得超声波的波长约为2.36mm-2.59mm。可见晶粒尺寸远小于波长的十分之一,因此母材对纵波超声波的散射作用很小。


三、热影响及熔合区


  热影响区为的晶粒度一般为4-6级,对应的晶粒直径约为0.04mm-0.09mm,不到常用频率超声波波长的1/20,此区域中的超声波散射作用也很小。熔合区的宽度很窄,从宏观金相图上无法观察到,此区域内部超声波产生的影响有限。但是熔合区与热影响区的组织特点差异显著,超声波传播到这两个区域组成的异质界面时,会产生波形转换、反射和折射等问题。


四、焊缝区


  316L不锈钢管焊缝中晶粒的平均直径可达到0.5mm以上,并且根据上一小节影响因素5中的分析,晶粒跨过多层焊道生长时,长度往往可以超过10mm,如此大尺寸的晶粒对应最粗的晶粒度等级00。而晶粒的尺寸接近超声波波长的二分之一时,强烈的散射作用会导致超声检测失效。焊缝区的晶粒仅仅是直径的尺寸,就已经达到了常用频率超声波波长的1/4,更何况晶粒长度的尺寸已经远远超过了波长的尺寸,这些都会对超声波在金属中的传播造成严重的散射作用。虽然焊缝组织中的超声波波速会上升,但对波长的影响较小,不会改变焊缝区晶粒散射严重的特点。


  焊缝区域中的晶粒一般为柱状或者树枝状,即具有分叉或者呈一定弧度的细长形态。这种晶粒在不同方向上的直径差别很大,造成了焊缝组织的各向异性和不均匀性。当超声波传播方向与晶粒方向的夹角改变时,声衰减和声速都会发生变化,因此在检测奥氏体焊缝时,探头的超声发射角度是一个不可忽视的重要因素。


五、声学性能测定实验


  当两块母材被焊接完成后,上一小节中划分的三个区域完全结合在一起,使用超声波测试每个区域时,不可避免的会受到邻近区域的干扰。为了准确地获得这三个区域的独立声学性能,根据每个区域的晶粒度等级,本课题制作了相应的316L不锈钢管试块,用来模拟每个区域中的金属特性。


六、试块的准备


  使用不同角度的斜探头检测奥氏体焊缝区域时,超声波的波束会依次穿过焊缝接头的三个区域。而超声波在不同区域中传播时会产生不同程度的衰减,主要原因一般有晶粒散射、波束扩散和介质吸收等因素,其中散射衰减与金属的晶粒特性有很大关联。常用316L不锈钢母材的晶粒度等级为7级左右,但制作试块时无法精确控制材料的晶粒尺寸,因此母材区对应的模拟试块具有7-8级的晶粒度都视作符合要求。焊接过程中,焊缝附近的母材金属由于高温的作用,组织和性能都会有明显的改变,最终形成了热影响区。为了研究本区域的金属材料特性,制作了4-6级中等晶粒度材料的模拟试块,用来验证超声波的传播特性。


  熔合区是母材坡口上被焊接热融化的部分,由于其宽度远小于其他区域,因此被划分入热影响区一并研究,不再单独制作试块。根据上一节中的分析,奥氏体晶粒在常温下呈现铸态柱状形态,其尺寸往往可以超过常用晶粒度等级所能评价的极限。因此在制作对应的金属组织特性模拟试块时,晶粒度越大越好,最大的晶粒度等级为0/00。


  试块在经过机械加工与热处理之后,最终能达到的晶粒度等级难以控制,为了获得全部3种晶粒度等级的试块,故总共制作了6个样品。模拟试块加工过程中,需要涉及到锻造比、始锻和终锻温度、固溶温度和保温时间等参数。


  锻造通常分为拔长锻造与镦粗锻造,已有的304和316L不锈钢管为杆件,其直径小于超声探头的直径。为了使超声探头在试块的上表面有一定的移动空间,因此锻造方法为镦粗锻造。


  合适的始锻温度可以提升金属的多项性能,根据试块金属材料的临界温度,最终将始锻温度设定为1175℃。终锻温度如果过低,会使316L不锈钢管组织中析出碳化物,造成变形抗力增加,导致锻造时产生裂纹,一般的终锻温度为850℃,但这在具体操作中也是难以精确控制的,最终现场实测的终锻温度为810℃。具体的锻造温度曲线以锻压手册为准。


  316L不锈钢管的固溶处理一般在1050℃~1150℃的环境下进行,要求的晶粒度较小时使用较低的温度,反之则使用较高的温度。同时这个过程中的保温时间和最终晶粒度大小也有很大的关联,通常是两者之间呈正比。


七、材料特性对超声传播的影响


 1. 316L不锈钢管母材的晶粒度较细,超声波在此区域内传播时衰减程度很小,因此超声检测时可以忽略母材对超声波能量的影响。热影响区对超声波的衰减虽然有一定影响,但影响程度较低,并且此区域宽度较小,因此影响作用有限。而超声波在粗晶粒材料中的衰减,远远大于在中等晶粒和细晶粒的金属材料中的衰减。由此可见,在确定超声能量是否能穿透316L管不锈钢对接接头时,主要需要考虑的是母材厚度带来的扩散衰减,以及焊缝宽度带来的散射衰减。焊缝尺寸越大,缺陷的超声回波信号越容易被噪声湮没,信噪比也越低,不利于缺陷的定性与定量。


 2. 超声波在母材和热影响区中的传播速度相近,不会出现因分界面两侧的声速不同而造成超声波波束扭曲的情况。如果在母材或者热影响区中出现缺陷,其定位结果比较准确。热影响区域与焊缝之间的声速差异,表明了两个区域之间的分界面为异质界面,界面两侧的声速差异过大会造成声束路径扭曲,如果缺陷出现在焊缝中,很有可能会造成其定位结果与实际位置差距较大的情况。当使用超声波检测焊缝区域时,应重点考虑上述特点带来的影响。


  浙江至德钢业有限公司首先介绍了316L不锈钢管对接焊接接头的焊接原理,结合多个影响因素分析了焊接过程中奥氏体晶粒形成和生长的过程,并进一步分析了对接焊接接头三个区域之间的声学性能差异。之后又制作了表征对接焊接接头不同区域特性的模拟试块,并测试了这些试块的主要声学性能,以实测数据证明了不同的区域在超声性能上的确具有差异。同时这些声学性能参数,还可以为后续的章节提供依据数据支持。


至德微信.jpg


联系

Contact

浙江至德钢业有限公司

公司地址:浙江省丽水市松阳县工业园永宁路320号

电子信箱:myzhide@126.com

电话:0577-28850550

传真:0577-28909778

联系人: 13967076667 刘经理(微信同号)

采用大厂坯料