不銹鋼管A-TIG焊接頭成分對(duì)性能的影響
浙江至德鋼業(yè)有限公司通過(guò)不銹鋼管A-TIG與TIG焊接頭性能對(duì)比試驗(yàn),分析了活性劑導(dǎo)致的接頭成分變化對(duì)其性能的影響,結(jié)果表明:相比于TIG焊,A-TIG焊電弧收縮,集中的熱源使得熱輸入降低,奧氏體組織細(xì)?。换钚詣┑募尤?,使得接頭碳、磷和硫含量增加,造成接頭脆硬增大,抗拉強(qiáng)度提高10.3%,沖擊韌性損失30.5%;電弧不穩(wěn)定導(dǎo)致表面成形較差,配合耐腐蝕鉻、鉬元素的燒損,使得接頭耐腐蝕性降低。
目前,電力系統(tǒng)所用的大型水冷不銹鋼管道材質(zhì)多為中厚不銹鋼,常規(guī)焊接方法是開(kāi)剖口+TIG(打底)+填絲TIG(填焊)+填絲TIG(蓋面),該焊接方法存在加工成本高、焊接效率低以及熱輸入大等缺點(diǎn)。研究表明,焊縫表面預(yù)涂活性劑,可以改善電弧形態(tài)及熔池金屬表面張力,熔深可增加2倍以上。這種A-TIG焊技術(shù)可在不開(kāi)坡口條件下,實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形,具有焊接效率高、熱輸入小以及熱影響區(qū)窄等有點(diǎn)。但活性劑的加入,必然會(huì)導(dǎo)致焊接過(guò)程穩(wěn)定性及焊縫化學(xué)成分發(fā)生變化,進(jìn)而影響接頭的力學(xué)性能及管道耐腐蝕性能,因此開(kāi)展不銹鋼管A-TIG焊焊接頭性能研究具有重要理論意義和實(shí)用價(jià)值。
一、開(kāi)展實(shí)驗(yàn)
TIG焊接方法具體參數(shù)如表所示。按照該法,分別焊接試樣1和試樣2,焊接參數(shù)如表所示。在此基礎(chǔ)上,觀察焊接過(guò)程及焊縫表面成形狀況。參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),分別在A-TIG焊及TIG焊接頭取拉伸、沖擊和金相試樣,分別測(cè)試兩種接頭的化學(xué)成分、抗拉強(qiáng)度、抗沖擊性能、硬度分布以及耐腐蝕性能,并觀察接頭各區(qū)域組織形態(tài)。
二、結(jié)果分析
1. 接頭成分分析
不銹鋼母材、常規(guī)TIG焊縫及A-TIG焊縫元素含量分布情況如表所示??梢钥闯?,活性劑中的有機(jī)溶劑會(huì)有少量吸附于焊縫表面,使得A-TIG焊縫中碳、硫及磷含量高于常規(guī)TIG;過(guò)于集中熱源使得接頭中錳、鉻、鉬和鎳元素均略有燒損,含量略低與TIG,可見(jiàn)成分變化對(duì)接頭的焊接性能、力學(xué)性能以及耐腐蝕性能有重要的影響。
2. 宏觀焊接性能分析
A-TIG焊縫宏觀形貌如圖所示。可以看出,相比于TIG多層焊,A-TIG的活性劑主要可使電弧間發(fā)生收縮,而集中熱源更是使焊接效率比TIG焊提高2倍。然而,表面吸附的有機(jī)溶劑在高溫下分解成氧化氫(氣態(tài))和二氧化碳,對(duì)電弧穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,使得焊接過(guò)程極不穩(wěn)定,電弧呈間歇性狀態(tài),焊縫表面魚(yú)鱗紋均勻性較差,且氧化發(fā)黑嚴(yán)重,粗糙度及光潔度較差。
3. 接頭硬度分布
兩種接頭不同深度層硬度分布情況如圖所示,其中A-TIG焊接接頭硬度整體略低于TIG多層焊,但焊縫中心處出現(xiàn)硬度極大值。原因是TIG多層熱輸入較大,奧氏體晶粒粗大,硬度較高。結(jié)合金相圖可以看出,碳、磷和硫含量較高的A-TIG接頭中,晶界處易析出較多的脆性滲碳體,且接頭處富集的磷、硫雜質(zhì)形成脆性相,會(huì)進(jìn)一步增加其脆硬傾向,而較低含量的錳對(duì)雜質(zhì)去除效果影響較低。
4. 接頭拉伸性能分析
焊接接頭的力學(xué)性能參數(shù)以及焊接接頭拉伸斷口形式如表所示。通過(guò)表可以看出,常規(guī)TIG及A-TIG焊的接頭拉伸斷口均在焊縫中心,而A-TIG焊接頭的平均抗拉強(qiáng)度比TIG焊強(qiáng)度高10.3%,斷口有一定縮頸量,斷口平齊而光亮,沒(méi)有常規(guī)TIG斷口中的韌窩出現(xiàn)。A-TIG焊縫中析出的滲碳體和P、S雜質(zhì)富集在奧氏體晶界處,成為裂紋的發(fā)源地,接頭脆硬傾向顯著增加,強(qiáng)度增加,塑性降低。
5. 接頭沖擊性能分析
焊接接頭沖擊斷口如圖所示。由圖可知,較常規(guī)TIG焊接接頭沖擊性能比A-TIG焊接頭的沖擊性能損失多出了30.5%,沖擊斷口較為平齊,沒(méi)有顯著韌窩出現(xiàn),焊縫中較高的碳含量使接頭硬化顯著,且較多的磷、硫雜質(zhì)使接頭韌性損失加劇。
6. 接頭拉伸性能分析
多層TIG及A-TIG焊接管道內(nèi)壁經(jīng)48小時(shí)中性鹽霧試驗(yàn)形貌結(jié)果如圖所示,顯示出A-TIG焊縫的耐腐蝕較差。一方面焊接過(guò)程不穩(wěn)定導(dǎo)致焊縫背面成形存在較多缺陷,這些缺陷處成為管道內(nèi)部腐蝕的通道;另一方面焊縫中鉬元素因燒損含量降低,材質(zhì)本身耐腐蝕性變差。
7. 接頭顯微組織分析
接頭的顯微組織形貌如圖所示??梢钥闯?,常規(guī)TIG焊及A-TIG焊焊縫組織都是在奧氏體基體上有鐵素體在晶界和晶內(nèi)析出,形成奧氏體和鐵素體雙相組織,呈樹(shù)枝狀分布。常規(guī)多層TIG焊,焊接熱輸入量大,高溫停留時(shí)間長(zhǎng),焊縫中奧氏體組織較為粗大;而A-TIG焊的電弧收縮能量集中,熱輸入量較小,焊縫區(qū)寬度比TIG更窄,奧氏體組織更細(xì)小均勻。另外,A-TIG焊接頭的奧氏體晶界處析出較多的碳化物相,阻礙晶界滑移,導(dǎo)致接頭脆硬傾向增大。
三、結(jié)論
相比于傳統(tǒng)TIG焊接,A-TIG電弧收縮焊接效率較高、熱輸入低且?jiàn)W氏體組織細(xì)小均勻,但殘留有機(jī)物使得焊接過(guò)程不穩(wěn)定,表面成形較差。A-TIG焊縫中較高的碳、磷與硫元素使得晶界處析出較多的碳化物及硫化物相,使接頭脆硬傾向增加,抗拉強(qiáng)度降低10.3%,沖擊性能損失30.5%。而接頭中較低的鉻、鉬和鎳元素,結(jié)合較差的表面成形,使得不銹鋼管道焊縫耐腐性能降低。為保證焊接過(guò)程穩(wěn)定可靠及接頭質(zhì)量,A-TIG焊的活性劑成分及工藝方法有待進(jìn)一步研究。
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