不锈钢带极堆焊工艺研究

焊接 1999(2) 快．循环次数过少，界面连接不均匀．有未焊台及微裂 纹等缺陷。压力对相变扩散连接也有重要影 响．加热 下限温度只要保证能发生相变即可。 (3)在本试验范围内，合适的 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 参数为抽口热上 限温度为(9lo一930)℃ ，加热下限温度为(800—820) ℃，焊接压力为 1O一13 MPa，加热速度为 3o一50℃／s， 冷却速度为 15～20℃／s，循环次数为 20次。在此条件 下所获得的钛／不锈钢相变扩散连接接头的抗拉强度 为 380 MPa以上 ，接头变形率小于 10％。 参 考 文 献 1 太桥 修．SUS304L．X于 叉钢 手穸 扩散接台．溶 接学会输文集，1995，13(3)：390～394 2 Y．地d吼 ， 鹪 0f )田 雠 di卧 ∞ bonding． 5ei~ee and T缸 1 1988，4(8)：669～674 3 林祥丰等 ．钢的相变超 塑性扩散焊研究 ．南京航空航 天大学 学报，l996，(2)：201—203 4 王燕文等 ．钢的相变超塑性压接和碳 的扩散现象 ．全 国第五 届超塑性学术讨论会论文集，1991：120～125 收稿日期 199B 1O 08) 怍者简介： 周荣林，1968年生，在读博士生。 不 锈 钢 带 极 堆 焊 茂名石化机械厂(525024) 黄蹰罗 广*-~ )'-(525024) ， -‘。●-_一 摘要 研究了不锈钢带楹电渣堆焊工艺参数对堆焊层稀释率的影响规律和外加磁场对焊接质量的影响；提出 了O．4珊nx50岫 焊带堆焊工艺参数的稀释朝值和工艺 网值，其值分剐 50 和 90 ， ；微观金相分析还表 明：焙合区粗大奥氏体组织和增 C层宽度是影响堆焊层抗氢致剥离能力的重要因素。 -、 l 关键词： 竺生 三堇堕 塑 一 ． ／( ’ L ，l1I、) PROCEDURE OFELECTRO—SLAG SURFACING w 唧 STAINLK~ ^ ’ s]瞪雹L 哪 EU TR咖 Haang Siluo et al ~[eet 0f eleetm一妇 surfacing proeeaa 0f atalnleaa strip electrode∞ the dgutien rate thet~feet~f additional 如 field∞ the bead m is studeed ． The e 哪 threshold词 u ~fdiluti~ proceas put fcc~-d·The mj hⅡe analysis thatthe c0 austenite and wide cadxm—em-ichedlayers aretwo donlilaafl[ facto~ 胡 the clad property of~ stmg peelj off"induced br hydrogen ． ＆!y唧 ： Electro—d 鲫 ·由 ， o。 ，pe曲 g胡 f~luent 由D旮皿 0 前 言 换热器是石浊化工设备 中应用十分广泛的热交换 设备。换热器的性能和质量对能量的应用率及系统运 行的经济性和可靠性有着十分重要的作用，随着能源 问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的 日益严重，对换热器的性能与质量必将提 出更 高的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 。我厂为某石些竺 鲨地氢蓥萋璺制的u 型管叠装换热器是该装置改扩建的关键设备。该换热 器直径为 ∞ nⅡn，工作介质为生成油、混氢原料．换热 器主体材质为 40∞ 厚的 15CrMoR钢 ，要求换热器所 有内表面及密封面堆焊两层不锈钢 309L(3 mm)+347L (3 rnrn)，以提高设备抗高温，琏，s，H2s等介质的腐蚀 能力。该类产品目前大部分为进口或合作生产．国内 少数制造厂也大多采用电弧堆焊的传统工艺，而对电 维普资讯 http://www.cqvip.com 焊接 1999(2) 渣焊 的工艺应用于小直径薄壁换热器内壁堆焊研究较 少。因此，本文对不锈钢电渣堆焊工艺进行 了分析和 探讨 。 1 堆焊方法夏材料 在容器简体内壁大面积 自动堆焊不锈钢的方法 国 内外 主 要有 两 种，即埋 孤 堆 焊 (SAW)和 电渣 堆 焊 (ESW)。埋孤堆焊熔深大，熔敷金属稀释率高达 20％ 以上 ；为了保证耐蚀层的有效厚度 ，就必须增加堆焊层 的厚度，同时也降低 了堆焊层的抗 氢致剥离能力。而 电渣堆焊熔深浅，熔敷金属稀释率低 ，堆焊层的增 c和 合金元素烧损少。为此，选择电渣堆焊。电渣堆焊实 质上是一种利用电流通过熔渣产生的热能作为热源的 熔化焊。这种电流通过熔渣所产生的热能 的过程就是 电渣过程⋯。试验发现电渣堆焊质量的好坏直接取决 于电渣过程的稳定性。 不 锈钢 带极 电渣堆 焊试 验 所用 的基本 材料 为 15CrMoR钢正火状态下供货 ，厚度 40 1TIIFII，其化学成分 和力学性能见表 1和表 2，堆焊设备 选用美 国林肯 DC 一 1500平特性电源并配比利时 SOUI)'--METAL带极机 头，堆焊材料为 日本 309SJ和 347SJ钢带 ，规格 为 0．4 nlff[1×501TIIFII．焊剂为与焊带配套的 FJ一1烧结焊剂，并 采取“两带一剂”方式堆焊 ，其化学成分见表 3。 表 1 15CfldoR钢 化 学 成 分 f％) 抗拉强度 屈服强度 延伸率 v型缺 rl冲击功 硬度 ／．MPa ／MPa (％) ／J 20℃ HB 570 45l 30 12．5 187 表3 悍 带 化 学 成 分 (％ 2 堆焊参数对熔敷金属稀释率的影响 电渣堆焊的焊接参数主要包括四个 ：焊接电流 ，， 焊接电压 。焊接速度 和磁控 电流 。对于前三个参 数中分别固定其中两个 ，改变另外一个 ，进行一系列堆 焊试验，对堆焊层进行化学取样分析 ，按有关文献_2_2提 出宙9稀释率计算方法 ，求 出 Q，Nj的稀释率 ，找出各个 参数对稀释率的影响规律，其规律如图 1一图3所示。 从三个关 系图来看 ，虽然 随着 j的增 大， 也增 大，但是增大的幅度较小 ，比有关文献【2 研究提出的埋 孤堆焊 I一 关系图要平缓 ，这是由于电渣堆焊是靠电 阻热(即焦尔效应 )，电流通过一个导电的浅熔池熔化 渣池，对母材、焊带和焊剂熔化。在这个过程 中，没有 明显的电孤过程 ，只有稳定的电渣过程。由于采用的 烧结焊剂，具有高的导电性和弱氧化性 ，得到的渣池电 阻势较小，所以要求的电流 比埋弧堆焊要大 ，增大电流 (即增大能量输入)主要消耗于焊带 的熔化，并始终保 持浅熔池。所以增大电流并不明显的增大熔深，稀释 率增加较小。 随着焊接电压的增加，电渣过程的稳定性将逐渐 被破坏。因为 升高，则两极距 离增加焊带脱离于渣 池之上形成电渣一电孤联合过程，而随着 的进一步 A 24 26 28 30 32 U／V 图 2 U一口关系图 维普资讯 http://www.cqvip.com · 14 焊接 1999(2) 图 3 一日关 系图 提高(30 V以上)，电弧比例不断增加，电渣过程逐渐消 失 ，直至形成完全的电弧过程。此时，焊接时的飞溅 明 显增多，熄孤后焊带端 口呈拱弧状，且不规整。焊接过 程伴随不均匀的“啪啪”声 ，而稳定的电渣过程则无飞 溅 ，焊接过程伴随均匀的“嘶嘶”声 ，熄弧后焊带端 口平 整规则。 焊接速度增加后，形成稳定均匀渣池的速度慢于 焊带的填充速度，使焊带熔化过程游离于渣 0池前方， 破坏电渣过程的稳定性 ，并产生电弧，形成电弧堆焊过 程。电渣堆焊和电弧堆焊 的熔池示意图如图4。 蠹 ⋯ 电弧 瞎敬金属 撼敷金屉 (8)电弧堆焊 (b)电渣堆焊 图 4 电渣堆焊和电弧堆焊焙池示意图 试验表明，对于0．4 nmx 50mm的焊带 电渣堆焊 ， 焊接电流在熔池内产生的磁收缩效应即焊接电流在带 极 一络池通路中发生的磁力作用和焊接电缆邻近熔池 时发生的磁力影响使熔渣和熔池金属 向焊遭 中心流 动，这种“收缩效应”较为明显，是造成焊道两懊I产生咬 边、沟槽和表面不平整的直接原因。因此需外加磁场 产生一个太小相等 、方 向相反的力来补偿 ，采用 SOUD — METAL外加磁控装置，可以通过调节外加磁场电流 的大小来决定外加磁场电流的大小 ，外加磁场的作用， 可以控制熔池在翻腾时的流动速度并产生向熔池两外 侧 的拉力。当没有磁场时，火 口倾 向于不对称和火 口 尾部呈凸形 ；磁场过强时，火 口表面是凹形的。判定磁 场强度的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 是当火口基本对称而且火 口的凸形变成 平面或有轻微凹面是适合 的，对于 0 4 m ×50-T帅焊 带，磁场电流为 1．2—1．5 A较为合适。 3 堆焊参数稀释阈值和工艺阈值 事实上 ．堆焊质量的好坏、熔敷金属稀释率的高低 是 ，、U、 共同作用的结果，这就是焊接线能量的影响， 通过线能量 值把，、 、 三者的关系结合起来，找出 与熔敷金属稀释率 的关系得出如图 5所示的曲线 。 由该图可看出，对于 O．4iflIn×50m 焊带，当 E低于 50 kl／mm时，熔敷金属稀释率 将超过加％。此时，堆 图5 线能量 E与稀释率 目的关系 焊层的化学成分由于受到母材严重的稀释．凸、Ni含量 下降 ，导致铁索体含量不足 ，熔台区增 c层宽度增加， 同时由于 值偏小 ，焊接冷却速度加快 ，使熔台区形成 淬硬组织，导致冷裂倾向增大。反复实验得出，当 为 45 k．1lem时，堆焊层铁素体含量为 3．2％，熔合线 2．0 m 以上处的 cr含量为 15，8％，M 为 6．4％，大大低于 要求值。同时，增 c层宽大。图6和图7是 E为45 kl／ cm和 60 kJ／era时熔台区增 c层的微观金相照片。其 中，当 为45lcJ／cm时，增 c层宽度达O．2 rⅢn， 为 60 l~I／cm时，增 C层宽度只有 O．04 mm。另外 ， 值低于 50 kJ／cm时，焊接成形差，波纹粗糙，搭接处有沟槽 ，加 图 6 E：45VJ／cm时微观金相图 400× 维普资讯 http://www.cqvip.com 焊接 I999(2) l5 图 7 =60kJlcrn时微观金相图 4OO× 大磁场也无法消除 ，堆焊层的厚度也不能满足要求 ，外 观质量明显满足不 了设计要求 。因此 ，可以确定 ，5O kJ／era为 O．4iTtrn X 50 rI1ITI焊带电渣堆焊参数的下限值， 当 F≥50 kJ／era时， >20％，当 E(50 k3／em时 ． ≥ 20％。所以，这个线 能量值可以认 定为工艺规范稀释 阈值[ 。 为了掌握焊接线 能量对焊接接 头性能的影响规 律 ，把不同线能量下施焊的试样经 650℃ X 5 h热处理 后进行力学性能检验、晶问腐蚀检验和微观金相分析 ， 其结果见表 4。从金相观察得知，当 E=95 kJ／era，E= 100 kJ／m 时，焊接区有少量 a相；当 E=t10 kJ／cm时 ， 晶界上有 相分布。 表4 线 能 ■ E对 焊 接 接 头 性 能 的 影 响 从表 4及金相观察结果可知，当 E<50 lcJ／cm时， 小侧弯开裂 ，晶问腐蚀不台格；当 E>90 k3／cm时，大、 小侧弯开裂 ，晶问腐蚀出现了微小穿晶裂纹，并出现 了 相，剪切强度也呈下降趋势。这是因为： (1)E过小时，熔台区出现了淬硬组织 ，堆焊层 cr、 M含量不足，铁素体含量不足，是引起侧弯开裂和晶间 腐蚀不合格的直接原因。 (2)随着 F的增大，熔池高温停 留时间加长，焊接 冷却速度放慢．堆焊层熔台区侧 的奥氏体晶粒长粗，尺 寸变大，数量增加 ，柱状晶发达 ，使接头韧性下降，虽然 从 400倍显微镜下未发现裂纹 ．但是熔台区粗大的奥氏 体晶粒是导致剪切强度下降。剥离倾 向增大的主要因 素。图 8及图9分别是6o kJ／era和 951【】／一 两种线能 量条件下试样熔台医的显微组织照片。显然 95 kJ／cm 条件下的奥氏体晶粒比 60 kl／cm时要大得多。 (3)F增大过多，堆焊层铁素体含量增加 ，这是因 图 8 =60 kJ／锄 时熔台区粗太奥氏体 4OO× 嘿 图 9 =93 kJ／cm时熔合区鞋l太奥氏体 400 为冷却速度变慢以后，奥氏体过冷度变小 ，所以在冷却 过程中，奥低体有充分时问析出铁素体 ，使铁素体含量 超标，而且当 E>90 kJ／cm时，从微观金相 中发现 了 相， 相是一种脆化相，导致接头脆化 ，并降低堆焊层的 抗晶问腐蚀能力。 (4)将 95 kJ／一 线能量条件 下施焊的试样做超声 波探伤并作解剖检查。在搭接处发现有夹渣缺陷和未 熔台，这是由于线能量增大后 ，堆 焊层厚度增加，使搭 接处熔合状况变差，堆焊层厚度已超过 4．5 Im 。因此， 对于0．4InFi~X 50ⅡIrn焊带 ，当线能量超过 90 k}／cm时， 焊接质量下降，厚度超过要求值，接头力学性 能恶化， 铁索体含量超标 ，且会出现 d相。所 以，9o kJ／cin线能 量值应视为工艺参数的上限值，即工艺阈值 一。 从试验结果来看 ，对于工艺参数处于5o 9o kJ／cm 维普资讯 http://www.cqvip.com l6 · 焊接 1999(2) 范围内的试样，堆焊层厚度会随 值的增加而增加 ，外 观暖量方面通过外如磁场的调节 ，均能达到平整度小 于 1|m 的要求，铁素体含量的变化也在 3％ 一10％要 求范围内，而对晶问腐蚀检验 ，采用硫酸—硫酸铁法或 硫酸一硫酸铜法均能合格 ，只是当 靠近 90 H／era，硫 酸铜法的试样弯曲时，偶然会出现穿 晶裂纹 ，但这是允 许的 。 由此也可以看 出，电渣堆焊 的工艺参数调整范围 是很宽的，在稀释阈值和工艺阈值之间有效调整，均能 获得稳定的电渣过程 ，堆焊层外观质量和综台机械性 能也都能达标。 4 堆焊工艺参数对堆焊层抗氢致剥离性能的影响 从图 6 图 9可以看到，在熔合区有一条明显的黑 色带状增 c层，堆焊层紧挨增 c层“黑带”的是粗大奥 氏体晶粒，并能明显看到这些粗大晶粒的边界，然后便 是奥氏体柱状晶。远离熔舍线的堆焊层是树枝晶，为奥 氏体 +少量铁素体的双相组织。如此分析，可以得到 从熔合线开始向堆焊层方向发展的显微组织 的变化： 增 c层一粗大奥氏体一柱状晶奥氏体一树枝晶奥氏体 +少量铁素体。 4．1 粗大奥氏体晶粒 有关文献 指出，大多数临氢工况条件下，耐蚀不 锈钢堆焊层的剥离都与粗大奥 氏体晶粒有关。粗大奥 氏体晶粒造成晶界量减少，氢容易聚积在有限的狭少 的晶界通道，形成很高的氢浓度 ，促使氢剥离在晶界发 生。因此，要使产品在使用过程中不发生氢致剥离和 延缓剥离的发生 ，首先必须抑制和减少堆焊层熔台区 粗大奥氏体的生成和成长 ，而这一过程又取决于焊接 工艺。过大的焊接线能量是造成粗晶的根本原因，图 8 及图9的对比很好地说明了这一点。因此．对于 0，4 ma'n~50 Im 钢带电渣难焊 ，必须把参数控制在工艺闭 值以内，以防止堆焊层组织生成较多数量 ，较大尺寸的 粗大奥 氏体组织。另外，少量的 8铁素体分布于奥氏 体的晶界上 ，增加 晶界数量，降低晶界 能，同样起着抑 翩剥离的作用。同时通过增加 cI、Ni当量 比(即降低稀 释率)，使8铁素体的析出位置向母材方向移动，打乱 熔合 区奥氏体的成长方向、将粗大奥氏体晶粒挤进增 c 层并 自行消失_4J。 4．2 增碳层宽度 在 cr—h10钢上堆焊不锈钢，其实质是异种钢的焊 接，熔台过渡区中的化学成分微观组织变化十分剧烈 ， 在此区域内易形成淬硬组织，显微硬度偏高．cr．Nj含 量不足是整个堆焊接头的最薄弱环节 ，是剥离发生、发 展的主要通道 ，增 c层宽度越 大，氢致剥离敏感性越 大，除了采用超低c焊材和合理的热处理 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 来控制c 的含量和扩散，但增 c层 的形成是由于堆焊过程 中两 种不同成分的材料混熔，增 c层的宽度最初取决于焊 接过程两种材料混熔的宽度和 c、cr、Ni、Mn、Si、?do等 元素剧烈迁移的程度。因此，采取合理的工艺参数确 保较低的稀释程度并保持稳定的浅熔深电渣过程是控 制增 C层宽度的根本措施。 5 结 论 (1)带极电渣堆焊技术比传统的埋弧焊熔深浅，稀 释率低，成形美观，内在质量高。 (2)对电渣堆焊稀释率的影响因索是多方面的，其 中焊接电流影响不太明显 ，而焊接电压和焊接速度的 增加均会破坏电渣过程 的稳定性 ，使电弧行为趋 于明 显；而正确选择外加磁场电流是保证良好 的外观质量 的重要手段 。 (3)对于0．4 Im ×50 m 不锈钢带电渣堆焊焊接 工艺参数有较大的灵活性 ，可以在 50 ／era一90 Id／ca'n 范围调整焊接线能量值，而获得不同厚度 的堆焊层 ，在 此范围内施焊的堆焊层内在质量、力学性能 、铁素体含 量、晶问腐蚀检验等均能合格；线能量值在 50 ld／crn左 右时为电渣堆焊参数的稀释阈值，线能量值在90 kJ／cm 左右时为工艺 阏值。当 《50 k．J／em时，焊接稀释率 将超过 2o％，增 C层宽度 十分明显 ，铁素体含量不足； 而当 E990 kl／em时 ，熔台区奥氏体 晶粒粗大，力学性 能恶化 ，铁素体含量超标 ，并有 a相存在。 (4)熔合区粗大奥氏体组织，增 c层宽度是影响堆 焊层抗氢致剥离能力重要因素。通过调整堆焊参数， 使之处于稀释闭值和工艺周值之问，能抑制粗大奥氏 体的形成和生长并控制增 c层的宽度 。使堆焊层在微 观组织形态上具备 良好的抗晶致剥离能力。 参 考 文 献 1 郑承炎，胡是瞻编译，中日焊接拄术交流资料．中石化供应制 造公司 ，1987． 2 黄嗣罗，2寺Cr—lMo不锈钢带极堆焊工艺研究，压力容器， 1996(5) 3 曾乐．现代焊接技术手册．上海科学技术出版社，1993． 4 Yasuda K．Nak,mo S．Me日日邺 to prevent sIB柚e翱 Steel ovd 叶 Weld 帆 Djsbm l】异，J， s11985，54(8)：438—446 (收藕 日期 1998 12 18) 作者简介： 黄嗣罗，1969年生，工学学士，工程炜。 维普资讯 http://www.cqvip.com