304奥氏体不锈钢（精选4篇）
304奥氏体不锈钢 篇1
摘要：金属圆锯片是常用的锯切工具之一,具有锯口小、效率高和无热影响区等特点,广泛应用于管、棒料的切断加工。304奥氏体不锈钢属于典型的难加工材料,其难加工特点给锯切加工带来了诸多困难。所以通过试验对金属圆锯片锯切304奥氏体不锈钢的切削规律进行研究,并对锯片几何参数进行优化,从而达到降低锯片磨损的目的。
关键词：锯切加工,圆锯片,锯切规律,正交试验,参数优化
0引言
冶金、机械、石油等行业经常使用金属圆锯片对304奥氏体不锈钢的管、棒料进行锯切加工[1]。304奥氏体不锈钢具有塑性大、加工硬化严重、导热系数低等加工特点,属于典型的难加工材料[2]。这些难加工特点给锯切加工带来了诸多困难,导致在使用过程中出现锯片磨损严重、断面质量差和生产效率低等问题[3]。所以本文通过试验对锯切加工304奥氏体不锈钢的锯切用量和锯片几何参数进行研究,并利用正交试验优化锯片的几何参数。
1锯切试验
1.1试验设备
1)GKT624硬质合金摆式圆锯床
GKT624硬质合金摆式圆锯床(如图1所示)的切割范围是圆形工件直径45mm~150mm、方形工件边长50mm~110mm,锯片驱动电机功率15KW,进给电机功率2KW,转速33~163rpm/100~460rpm,进给速度0~6mm/s,一次送料长度600mm。
2)TC700测量仪
T C 7 0 0测量仪(如图2所示)用于测量锯片切削部分的几何参数和磨损情况,锯片直径测量范围40mm~710mm,放大倍数为20~145倍。
3)试验锯片
该锯片属于组合式圆锯片,由片体和刀块焊接而成。刀块可以使用硬质合金或金属陶瓷。锯片规格为直径360mm,刀块厚度2.7mm,齿数80。
1.2锯切试验方案
1.2.1锯切用量试验
根据锯片生产和使用厂商的经验,并参考切削用量手册的相关数据,确定以下试验方案:选择锯切速度40m/min,50m/min,60m/min,70m/min和80m/min五个数值,进给速度1mm/s,2mm/s,3mm/s,4mm/s和5mm/s五个数值。然后每一个锯切速度和进给速度分别搭配,共计25组参数组合。硬质合金齿圆锯片进行全部25组试验,金属陶瓷齿圆锯片作为对比只进行部分试验。为减小误差,每组参数进行三次试验。
1.2.2锯片切削部分几何参数试验
锯片切削部分结构如图4所示。
选择前角、后角、负倒棱角度和负倒棱宽度四个因素,每个参数适当选择三个水平(如表1所示)。将水平和因素填入L9(34)正交表中,得到锯切试验方案 (如表2所示)。
该试验使用硬质合金齿圆锯片,每张锯片锯切20根304奥氏体不锈钢圆棒料,总锯切面积为0.04m2。在锯切过程中记录实时锯切电流,锯切完成后在TC700测量仪上测量刀块后刀面的磨损宽度。
2.2主要试验步骤
1)试验前准备:根据试验所需锯切速度更换相匹配的皮带轮,并且调节气泵的气压;
2)位置调零:调节锯片和物料台回到初始位置;
3)安装锯片,放置工件,并进行试切;
4)按照既定方案进行试验,在锯切过程中记录实时锯切电流,并收集和观察切屑;
5)根据锯切电流计算锯切功率和锯切力;
6)锯切完成后在TC700测量仪上测量锯片磨损及破损情况。
2.3试验结果与分析
2.3.1锯切功率
根P据=PI=UUIccooss φ计算锯切功率。图5为锯切速度60m/ min、进给速度2mm/s时,硬质合金齿圆锯片锯切一根304奥氏体不锈钢圆棒料的锯切功率P变化图,可以看出从整个锯切过中不存在稳定锯切,可分为以下几个阶段:
1)0~3s为快速进给阶段,此时圆锯片沿着进给速度方向快速移动到离圆棒料还有一小段距离的位置,此时锯切功率为空载功率,其数值基本保持不变;
2)圆锯片从第3s附近开始锯切工件,随着锯切的进行,圆锯片在工件内的弧长逐渐增加,同时工作齿数随之增加,所以锯切功率逐渐增大。在第16s附近锯切功率达到最大,此时同时工作齿数最多;
3)随后锯片在工件内的弧长逐渐减少,同时工作齿数随之减少,锯切功率逐渐降低;
4)在第30s附近锯切完成,锯切功率回归空载功率。
2.3.2锯切力
圆锯片属于多齿回转刀具,参与锯切的锯齿都产生切削力。由于该锯片没有刃倾角,不存在轴向锯切力, 所以可以将锯片简化为二维模型进行受力分析(如图6所示)。由图6可以看出,此时同时工作齿数为3个,每个锯齿都产生单齿锯切力F1、F2和F3。单齿锯切力可以分解为主锯切力Fc和径向锯切力Fn。由于进给速度远小于锯切速度,所以根据P=Fcv可以计算出主锯切力Fc。 主锯切力Fc与锯切功率P有相同的变化趋势,所以取最大主锯切力Fcmax进行分析。
1)锯切用量对Fcmax的影响
图7为锯切用量对Fcmax的影响,可以看出,Fcmax随锯切速度的增加而减小,随进给速度的增加而增大。
锯切速度增加导致工件材料剪切屈服强度降低,并且锯切温度升高可以降低工件与锯齿的摩擦系数,从而减小切屑变形程度,所以Fcmax随锯切速度的增加而减小。
进给速度增加对Fcmax有正反两方面影响:一方面, 进给速度增加导致切屑厚度增加,从而Fcmax增大;另一方面,进给速度的增加使切屑变形减小,Fcmax会降低。 所以Fcmax会随着进给速度的增加而增大,但不会成正比例增大。
2)不同刀具材料对Fcmax的影响
表3为使用相同的锯切用量,分别使用硬质合金和金属陶瓷两种刀块锯切得到的Fcmax。由于金属陶瓷的摩擦系数低,可以降低刀—屑之间的摩擦程度,从而能够降低切屑变形程度,所以Fcmax降低。
3)最大主锯切力经验公式
根据试验中使用的锯切用量和得出的最大主锯切力可以建立该规格硬质合金齿圆锯片锯切304奥氏体不锈钢的最大主锯切力经验公式。利用文献[4]中多元回归分析的方法计算出公式中的系数和指数,可以得到经验公式为:
2.3.3锯片切削部分的磨损及破损
图8为锯切速度80m/min、进给速度5mm/s时前刀面磨损情况。可以看出,由于刀块存在相互交错分布的分屑槽,切削刃上部分区域需要锯切前一个刀块的残余金属,此时该位置的切削厚度就是设定值的两倍,导致力和温度更高,所以更容易发生磨损。通过观察可以发现前刀面和后刀面的磨损形式均以黏结磨损和扩散磨损为主,并且还存在一定程度的硬质点磨损。
锯片破损主要出现在刀块的切削刃和尖角部位。图9(a)为切削刃的破损,主要原因也是由于相互交错的分屑槽,使该部位的切削厚度增加,从而导致受到冲击后发生破损。图9(b)和(c)分别为倒棱和分屑槽结构尖角处的破损情况。尖角是应力集中点,强度低,受到冲击后容易发生破损。
锯齿发生破损后,由于切削刃不再锋利,所以锯切力和锯切温度急剧增加,导致冷焊现象更加严重,如图9(d)所示。另外,刀块破损后会使后面的刀块的切削用量突然增大,使其更容易发生破损,所以可以观察到连续几个刀块发生破损的情况。
2.3.4积屑瘤
图10为锯切速度60m/min、进给速度5mm/s时观察到的积屑瘤。但总体上积屑瘤现象并不明显,主要有以下三方面原因:一是锯切速度40~80m/min处于积屑瘤消退的阶段;二是锯切加工属于断续切削,锯齿的切入和切除工件过程中存在冲击和振动;三是圆锯床上安装有用于清理切屑的钢丝毛刷。所以锯齿重新切入工件时绝大多数积屑瘤已经脱落,积屑瘤对锯切过程的影响比较小。
2.3.5切屑
1)锯切速度对切屑形状的影响
图11为进给速度为2mm/s时,锯切速度设置40m/ min和80m/min时得到的切屑。可以看出,随着锯切速度的增加,切屑变形程度降低。主要原因:一是塑性变形的传播速度比弹性变形慢,切屑的塑性变形区域变窄; 二是锯切速度增加导致锯切温度升高,摩擦系数降低, 也使切屑变形程度降低。
2)进给速度对切屑变形的影响
图12为锯切速度40m/min时,进给速度1mm/s和5mm/min时得到的切屑,可以看出随着进给速度的增加,切屑长度增加。其原因是进给速度的增加造成切削厚度增加,从而是切屑的抗冲击能力增强,所以更不容易折断。
2.3.6锯片几何参数优化
通过正交试验进行试验,并采用极差分析研究各因素对试验指标的影响,并优化切削部分的几何参数。试验结果及计算分析如表4所示。
根据表4中的数据画出趋势图,如图13所示。
由表4可以得出各因素的主次顺序为:
(主)D>C>B>A(次)
由于后刀面磨损宽度属于望小值,所以根据图13可以确定最佳组合为A3B2C1D1,即前角15,后角9°, 负倒棱宽度0.2mm,负倒棱角度-15°。
3结论
通过对锯切用量和锯齿几何参数的试验,研究了304奥氏体不锈钢的锯切规律,并优化了锯齿几何参数。试验表明:最大主锯切力随着锯切速度的增加而减小、随着进给速度的增加而增大;切屑随着锯切速度增加而变形程度降低、随着进给速度的增大而长度增加;当锯片切削部分几何参数为前角15°,后角9°,负倒棱宽度0.2mm,负倒棱角度-15°时,后刀面磨损宽度最小。
参考文献
[1]郭继富.冶金锯片在我国钢铁行业应用综述[N].中国冶金报,2011-08-04B02.
[2]张清阁.面铣加工奥氏体不锈钢的切削参数优化及有限元仿真研究[D].山东大学,2013.
[3]郭北涛,付广艳,刘群,等.难加工材料锯切技术的研究[J].制造技术与机床,2008,11:112-114.
[4]惠记庄.采用回归分析法建立切削力经验公式[J].西安公路交通大学学报,1996,04:102-105.
304不锈钢螺栓腐蚀断裂研究 篇2
一、失效件检测
1. 外观检查
现场收集到的断裂螺栓如图1。从螺栓断口上看, 螺栓均从中间光杆处断裂, 断口不整齐, 基本无塑性变形特征。断口表面存在黄褐色和灰色物质。
2. 主要化学成份检测
通过对失效螺栓主要合金成份检测, 检测结果如表1。
3. 微观检测
对失效螺栓截取试样进行微观检测和分析, 断口处微观图如图2 (a) 所示。断面不整齐, 断口下出现断续分布裂纹。试样中检测到存在长达1.79mm非金属夹杂物, 如图2 (b) 所示。螺杆基本显微组织为奥氏体+少量碳化物, 其分布如图2 (c) 。螺栓螺纹处的微观图象如图2 (d) 所示, 可见明显的滚压流线, 没出现裂纹现象。
(a) 裂纹走向 (b) 杂质分布 (c) 金相特征 (d) 螺纹处滚压流线
二、螺栓失效分析
通过对失效螺栓的宏观、微观和化学成分检测, 根据技术标准要求和不锈钢腐蚀理论, 本案例中螺栓失效主要可规纳为几个主要原因。
1. 螺栓材料化学成份缺陷
按照ASTM A193 B8的技术要求, 该螺栓材料在C、Cr含量上不符合要求, 特别是C合量偏高, 造成晶间腐蚀明显增大。材料成份对照表见表2。
2. 螺栓应力腐蚀分析
应力腐蚀的特点
材料受受拉应力作用的情况下, 材料在特定的环境下产生滞后裂纹或断裂的现象称为应力腐蚀。当不存在应力时, 材料的腐蚀是非常轻微的, 拉应力超过临界值后, 在特定的环境下, 材料将发生脆裂。奥氏体不锈钢的应力腐蚀影响因素有应力因素、环境因素和材料因素等。例如, 奥氏体不锈钢在沸腾盐溶液、高温纯尽水和含Cl-的环境下都容易产生应力腐蚀。
应力腐蚀除了需要特定介质外, 还有几个主要特点:
⑴只有当材料存在拉应力时, 才能产生腐蚀裂纹。应力既可以是残余应力, 也可以是外力作用下产生的拉应力。
⑵应力腐蚀断裂是一种低应力断裂现象, 应力腐蚀开裂时的应力远远小于材料强度不足开裂应力。开裂前没有明显的塑性变形, 断裂往往表现为突发性, 容易造成灾难性事故。
⑶应力腐蚀裂纹方向宏观上与主拉伸应力方向相垂直, 但微观上的偏移产生分叉现象。断口往往呈海滩条纹、羽毛状、撕裂状、扇子形等不规整形态。
螺栓应力腐蚀分析
影响奥氏体不锈钢应力腐蚀的主要因素是存在拉应力、环境和化学成份等。
⑴应力因素
大量的研究表明, 奥氏体不锈钢应力腐蚀的临界压力为0.3~0.5Mpa。螺栓为阀阀盖上的紧固螺栓, 管道工作压力为5Mpa, 充分说明, 螺栓紧固时在工作状态下的预紧力、工作应力将超过临界应力, 具备应力腐蚀的应力条件。
⑵环境因素
环境因素对奥氏体不锈钢应力腐蚀的影响主要有PH值、Cl-浓度、温度和溶解氧的浓度等。螺栓工作在自然环境中, 温度和溶解氧的浓度不是主要影响因素, 主要分析PH值、Cl-浓度的影响。
根据大量研究显示, p H值越低, 奥氏体不锈钢腐蚀开裂的敏感性越大。在Mg Cl溶液中, 304不锈钢遭受开裂时裂纹尖端的p H值为1.2~2.0。在连多硫酸溶液中, p H值为5.0, 304钢也很快开裂。
通过对螺栓断口产物进行检验, 发现存在F、S、Cl等腐蚀性元素。当地气象资料显示, 该区域每年酸雨频率在70%左右, 雨水p H值在4~5左右。形成了螺柱应力腐蚀的主要环境因素。
三、螺栓晶间腐蚀分析
1. 晶间腐蚀特点
晶间腐蚀是指材料在腐蚀过程中, 腐蚀发生与扩展沿着材料的晶界发生。晶间腐蚀是一种局部腐蚀现象, 产生的原因主要是由于晶粒表面与晶粒内部之间化学化学成份存在差异、晶界存在杂质或者内应力存在而引起的。不锈钢晶间腐蚀的根本原因是在晶间形成了贫Cr区。
材料产生晶间腐蚀时, 晶粒之间的结合受到破坏, 材料强度明显下降。由于晶间腐蚀是发生在晶粒之间, 即材料内部产生大量的微裂纹, 在外力使用下, 内部裂纹产生扩展而材料宏观上并没有产生明显的变形现象, 所以晶间腐蚀破坏具有突发性, 经常造成严重的事故。
2. 化学成份对304不锈钢晶间腐蚀影响
⑴C含量影响
C含量是304不锈钢晶间腐蚀最主要的影响因素。大量研究证明, C含量的增加, 304不锈钢的晶间腐蚀风险也明显增大。一般认为, 304不锈钢的含C量最好控制在0.08%以下。这种情况下, 晶间间能析出的C减少, 晶间形成碳化物减少, 晶界不易形成“贫铬区”。
⑵Cr元素影响
Cr元素的影响对奥氏体不锈钢的影响规律受到温度的影响, Cr含量增加在低敏化温度区将加快晶间腐蚀, 在高敏化区则会延长间间腐蚀。一般认为, 在低于550℃温度下, Cr对晶间腐蚀的影响受Cr扩散情况控制, 通常奥氏体不锈钢的Cr含量应该不低于13%。
⑶Ni元素影响
Ni元素主要是使不锈钢获得完全奥氏体组织。材料中, 0.1%的C含量和18%的Cr含量需要8%的Ni含量才能形成完全奥氏体组织。Ni含量增加, C在奥氏体中的溶解度下降, 材料的晶间腐蚀敏感性将增大。
3. 螺栓晶间腐蚀分析
由螺栓的化学成份检测结果分析, 螺栓材料含C量偏高, Cr含量偏低, 容易造成奥氏体化不充分, 容易产生晶间腐蚀。
螺栓断裂处均发生在光杆处而非螺纹部位, 经查证, 螺栓加工过程中, 螺纹加工是由滚压工艺制作, 在微观检测中, 发现螺纹部位截面上有明显的滚压流线, 由于滚压流线的存在, 晶粒得到细化, 晶间腐蚀倾向下降, 另外, 滚压过程中产生的残余压压力, 有助于降低应力腐蚀的敏感性。
结论
螺栓断裂原因主要是由于螺栓产生应力腐蚀而发生, 材料上的缺陷增大应力腐蚀的风险。采取适当的措施, 有利于减少常温下304不锈钢螺栓的应力腐蚀断裂的风险。
⑴根据大气环境特点选择螺栓材料。例如酸雨地区、沿海地区谨慎选择304不锈钢材料。
⑵控制和改变应力形式和大小。例如在安装过程中要规范, 控制好预紧力和工作压力的关系, 避开临界压力区;改变螺栓的加工方法, 使螺栓表面产生残余压应力。
⑶做好螺栓的防护。例如对螺栓表面进行涂漆、喷塑等处理;同时要对螺栓周围进行保洁清理, 减少螺栓与大气中引起应力腐蚀介质的接触。
参考文献
[1]余国琮.化工机械工程手册.北京:化学工业出版社, 2003.
[2]张志宇段林峰.化工腐蚀与防护.北京:化学工业出版社, 2005.
304奥氏体不锈钢 篇3
南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司承接了一批电力机车受电弓产品的焊接工作,该受电弓的上、下臂主梁长1 200 mm、管壁厚度2. 5 mm,由一端50 mm × 50 mm渐变成25 mm × 50 mm的锥形薄壁304不锈钢方管。因为该方管具有锥度,很难使用精拔工艺进行生产,因此需要采用焊接。
由于不锈钢热导率小而热膨胀系数大,接头冷却过程中易产生较大的变形和焊接应力,尤其贯穿整根方管的长纵缝焊接,会使不锈钢管的外形及尺寸产生极大的变化; 同时方管壁很薄,只有2. 5 mm,焊接时很容易出现焊穿、反面被氧化等缺陷,焊接难度极大。通过多次焊接工艺对比试验,最终确定了比较稳定的焊接工艺。
2 操作规范
2. 1 焊接方法确认
2. 1. 1 304不锈钢的化学成分
304不锈钢相当于国标材料GB—0Cr18Ni9,其中C的质量分数不大于0. 08% ,Si的质量分数不大于1% ,Mn的质量分数不大于2% ,P的质量分数不大于0. 045% ,S的质量分数不大于0. 03% ,Ni的质量分数在8% ~ 10. 5% ,Cr的质量分数在18% ~20% 。
2. 1. 2 304不锈钢的焊接特点
304不锈钢属于奥氏体不锈钢,通过化学成分分析,可知304不锈钢碳当量较低,焊接性良好,但是其凝固温度区特别宽,低熔点杂质容易在晶界富集[1]; 304不锈钢具有较大的线膨胀系数,因而冷却收缩力比较大。这些因素导致304不锈钢在焊接过程中极易产生热裂纹。
此外,304不锈钢在450 ℃ ~ 850 ℃温度范围长时间停留时,会在晶界上析出碳化铬,导致晶间腐蚀。而在500 ℃ ~ 800 ℃下长时间停留时,又容易生产 σ脆性相,降低金属的塑性和韧性,因此焊接过程中应尽量避免工件在危险温度区间长时间停留。
2. 1. 3焊接方法
根据对304不锈钢焊接性能分析,为了防止合金元素不必要的损失而导致晶间腐蚀,宜采用短弧焊且焊枪尽量不做摆动,兼顾到焊接效率和焊接的一致性,最终确定采用纵缝自动焊接。
2. 2 母材处理及组对
由于自动焊接对母材组对要求较高,必须保证焊缝位置在焊接过程中不发生变化,即应保证焊接间隙均匀,坡口角度准确,焊口有较高的平面度等,因此需要对工件母材进行处理。
为了保证焊缝全焊透,同时减少焊缝金属的填充量,降低焊接收缩应力,防止热裂纹产生,宜采用V形坡口[2]; 同时考虑到长纵缝焊接过程中坡口大小不能发生改变,通过对比实验,最终确定了坡口形式为带0 ~ 1 mm钝边的60°Y形坡口。在方管组对前,打磨坡口及两侧,露出金属光泽,并用丙酮清洗坡口表面,去除焊接范围内的油污铁锈; 工件组对时,2根半管工件贴紧,不留间隙,以防止焊接过程中因焊接变形导致的焊接间隙改变。
在方管焊接前,为保证焊缝区域成型良好,应在组对方管两端各加一块与母材相同材质且等厚的板,作为引弧板和熄弧板; 防止在起弧和收弧过程中,电流、电压等参数不稳定造成的焊接缺陷。
2. 3 焊丝及保护气体
根据304不锈钢的焊接性能分析,在焊接过程中,应选用铬锰含量比母材高的焊丝[3],以补偿焊接过程中合金元素的烧损,因此在试验过程中选用ER308L焊丝,以保证焊缝的强度和化学性能。
不锈钢焊接主要的保护气体为氩气,但考虑到自动焊接时需要比较稳定的电弧,为此,采用了Ar+ CO2混合气体保护的方式。通过加入少量的CO2改善电弧稳定性,提高金属熔滴过渡频率,并降低喷射过渡临界电流和减少飞溅,最终确定的保护气体为Ar( 97. 5% ) + CO2( 2. 5% ) 的混合气体。
2. 4 焊接工装
为了保证工件组对焊接时焊缝的反面成型良好、不被氧化,首先试验了背面通氩气保护焊接的方法,但是通氩气保护的工作效率较为低下,且浪费严重。通过对比,确定了使用衬垫工装进行保护焊接的方式。
由于304不锈钢不会产生淬硬现象,所以采用加大冷却速度的方式缩短焊接接头在危险温度区间停留的时间,有效保证了焊接质量,同时又能减少焊接变形,采用带圆弧成型槽的水冷铜衬垫进行辅助成型。
在装夹衬垫时,由于方管上表面很窄,短的地方只有25 mm,如果使用传统的上下夹装的方式固定衬垫,很容易阻碍焊枪的运行位置。为解决该问题,采用在衬垫底部插入斜楔的方式,将衬垫撑到零件表面,此时斜楔将下面的方管壁压平,减小了焊接变形,保证了焊接质量。工装示意如图1所示。
2. 5 焊接参数
通过工艺试验,最终确定了比较稳定的焊接工艺参数,即采用直径为1. 0 mm的焊丝,焊接电流为150 ~ 160 A,焊接电压为19 ~ 22 V,焊枪移动速度为560 mm/min。
2. 6 焊接过程
首先调整方管位置,使水冷铜衬垫的成型槽与工件坡口位置对齐,用压板将方管压紧,通过调节压板使方管焊接表面平整,防止出现对接错边导致的焊接缺陷。再向水冷铜衬垫中通入循环冷水,使得焊接过程的焊接热量被迅速带走,降低工件温度,进而保证焊接质量并降低不锈钢变形量。
按照上述工艺参数进行焊接,在引弧板上引弧,至熄弧板上熄弧停止焊接。待焊完方管冷却后去除刚性约束,再按相同工艺进行方管反面的长纵焊缝焊接。
3 结论
( 1) 通过刚性工装和无间隙Y形坡口组对,保证了焊接位置不改变; 适中的电流能熔掉Y形坡口的钝边,保证了焊缝全焊透; 配合水冷铜衬垫辅助成型,使得焊缝反面成型良好,不会产生焊穿或被氧化的缺陷,保证了焊接质量。经X射线探伤,焊缝等级达到B级,满足零件使用要求。
( 2) 通过刚性固定保证焊接位置不变,同时将部分焊接应力作用到刚性工装上,减小了零件的焊接变形; 正、反两面的对称焊缝焊接使焊接应力得以部分抵消,再次降低焊接变形; 同时流动的循环冷水能迅速带走焊接热量,有效降低了工件温度,减少了焊后变形量。三者配合,使得焊后方管变形量极小,尺寸在公差范围内,省去了整形的步骤。
奥氏体不锈钢的焊接 篇4
不锈钢按主要化学成分分类可分为三种, 铬不锈钢、铬镍不锈钢、铬锰氮不锈钢。按组织分类有:奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体-奥氏体双相不锈钢、沉淀硬化不锈钢。奥氏体不锈钢一般分为:18-8型奥氏体不锈钢、18-12Mo型奥氏体不锈钢、25-20型奥氏体不锈钢。
一般来说, 合金元素含量越多, 热导率λ越小, 而线膨胀系数α和电阻率μ越大, 奥氏体不锈钢的λ约为低碳钢的1/3, 其α比低碳钢大50%, 并随温度的升高, α的系数也相应提高。所以奥氏体不锈钢在焊接中常会引起较大的变形。
奥氏体不锈钢具有优良的焊接性, 而且同时有良好的耐腐蚀性并且低温下有很好的低温韧性。常用的焊接方法有焊条电弧焊, 埋弧焊, 氩弧焊。在压力容器制造中, 使用18-8型奥氏体不锈钢总是希望焊缝组织是单一的奥氏体组织, 但是为了确保焊缝金属有足够的抗结晶裂纹能力, 却希望焊缝组织含有少量δ铁素体。近年来随着全球液化天然气 (LNG) 消耗量大持续增长, 对于LNG设备的需求也在不断增长, 奥氏体不锈钢304L在用于设计温度-196℃低温环境中还有良好的低温冲击韧性。
奥氏体不锈钢焊接工艺要点:其焊接一定要合理控制焊接参数, 奥氏体钢热导率小, 热量不容易散失, 一般焊接所需的热输入比碳钢要低20%~30%。过高会造成焊缝开裂, 变形严重。一般采用较小的线能力和较快的焊速。焊接要有引弧板 (纵缝) , 不得在材料表面引弧, 运条要稳定, 短弧焊接, 不摆动, 直线运行, 快速焊接。为防止在450~850℃之间停留时间长而出现晶间腐蚀, 应严格控制层间温度, 必要时采取强制冷却措施。多层焊时, 每层要清渣, 严格控制层间温度, 等前道焊缝冷却后, 再焊接下层。
二、不锈钢压力容器的焊接方法
(一) 手弧焊。应选用碱性药皮焊条, 采用低碳焊条, 减少焊缝含碳量, 使焊缝成为γ+δ相奥氏体+铁素体组织。焊条电弧焊, 焊接电弧长度, 焊接普通钢时, 以2~4mm为佳, 而焊接不锈钢时, 以1~3mm为佳, 过长则保护效果不好。为防止焊接气孔之出现, 焊接部位如有铁锈、油污等务必清理干净。不锈钢手工电弧打底时, 由于焊条直径较粗, 熔池体积大, 焊工不易掌握, 易造成焊缝背部产生焊瘤、烧穿、末焊透及气孔等缺陷, 无法保证焊接质量。为避免上述缺陷, 不锈钢压力容器打底焊接宜采用小直径焊条Ф2.5、Ф3.2。填充盖面可以采用Ф3.2, Ф4.0焊条。Ф2.5mm焊接电流I=75~85A;Ф3.2mm焊接电流I=90~110A;Ф4.0mm焊接电流I=120~140A, 电弧电压为:U=21~23V, 直流反接。不锈钢填充前应仔细检查清理焊层, 彻底清理熔渣跟污物, 清理熔渣时不允许使用碳钢刷, 要用不锈钢刷或砂轮防止铁离子污染。电弧弧长应适宜, 密切注视熔池冷却, 防止气孔涌出。防止电流偏小否则容易造成电弧穿透力不够形成未焊透。电流偏大则容易造成烧穿, 熔池下坠形成焊瘤。合理控制焊接电流, 焊接电压, 焊接速度平稳。盖面焊点关键在于焊接成型美观, 均匀, 不咬边, 焊缝余高不得超标, 其中低温不锈钢容器不得有任何咬边。焊道宽度比坡口宽2~3mm, 焊缝超高部位可以打磨但是不应伤及母材并要求圆滑过渡。
(二) 氩弧焊。保护气体为氩气, 纯度为99.99%。当焊接电流为50~150A时, 氩气流量为8~10L/min, 当电流为150~250A时, 氩气流量为12~15L/min。钨极从气体喷嘴突出的长度, 以4~5mm为佳, 在角焊等遮蔽性差的地方是2~3mm, 在开槽深的地方是5~6mm, 喷嘴至工作的距离一般不超过15mm。对接打底时, 为防止底层焊道的背面被氧化, 背面也需要实施气体保护。为使氩气很好地保护焊接熔池, 和便于施焊操作, 钨极中心线与焊接处工件一般应保持80~85°, 填充焊丝与工件表面夹角应尽可能地小, 一般为10°左右。氩弧焊 (TIG) : (直流正接) 焊丝Ф=2.4mm, I=90~100A, U=12~14V, 焊速约150mm/min.。氩弧焊在不锈钢压力容器制造中用于打底焊或薄壁小直径容器的焊接。氩弧焊打底时, 施焊时氩气要始终充于焊缝, 施焊过程中要严格控制融孔直径在2.5~3mm, 并保证钨极在不同角度均匀调整, 并垂直容器轴心。收弧时, 填充焊丝不应使焊缝过高, 以利接头, 也不应该太薄防止弧坑裂纹。中断时应将焊缝末端重新溶化并重复5~10mm, 且形成圆滑过渡。
(三) 埋弧焊。奥氏体不锈钢压力容器生产中, 埋弧焊是效率远远高于手弧焊跟氩弧焊的方法。但是奥氏体不锈钢埋弧焊时, 由于焊接电流密度大, 热量集中, 因此形成的弧坑也较大, 并且熔池厚度也增大, 在局部间隙的较大处很容易烧穿, 因此在施焊过程中需要在焊件背面采取一定的工艺措施, 以防烧漏。常用方法是采用手弧焊封底, 并用纯铜板垫、永久垫和焊剂垫等。通过焊接工艺评定确定相关工艺参数, 经过评定试验发现各项参数均达到合格。
奥氏体不锈钢焊接中容易出现热裂纹, 为了防止奥氏体铬镍钢焊接接头的热裂纹, 可从冶金和工艺两方面采取措施。
三、防止不锈钢焊接产生热裂纹的措施
(一) 冶金措施。一是奥氏体铬镍钢焊接接头中的热裂纹, 无论是结晶裂纹、液化裂纹, 还是高温低塑性裂纹都与材料本身所含的低熔点共晶体的偏聚及晶界物理和化学不均一性有关, 因此防止热裂纹产生的根本措施是严格控制不锈钢母材和焊接材料中的C、S、P、Si等杂质元素, 提高材料本身的纯净度。二是调整焊缝金属的合金成分, 使其形成含δ-铁素体3%~8%的奥氏体+铁素体双相组织。焊缝金属中铁素体体积分数控制在6%~10%, 可获得无裂纹的焊缝。但铁素体体积分数不宜大于10%, 否则会在焊后的加热过程中转变成δ-相而使焊缝金属变脆。不过在LND低温容器中, 为了获得更高的冲击韧性, 把焊缝中铁素体含量控制在2%以下。可以同时满足-196℃低温时候, 奥氏体不锈钢的冲击功大于31J, 又要侧向膨胀量大于0.38mm。
(二) 工艺措施。第一, 合理设计坡口形状和几何尺寸, 规定合适的接头装配间隙, 降低母材在焊缝金属中的比率;第二, 正确调整焊接规范参数适当地提高电弧电压和焊接速度, 降低焊接电流, 以增大焊缝的成型系数, 形成向上共生结晶的焊缝形状;第三, 减小焊接线能量, 控制层间温度外加冷却措施, 以提高焊缝金属初次结晶的速度, 减弱焊缝金属晶间偏析的程度。
通过以上措施, 奥氏体不锈钢焊接的热裂纹问题大大降低, 就是偶尔出现的热裂纹也是基本由焊工操作不当所致。
摘要：通过对奥氏体不锈钢的焊接性进行分析, 根据压力容器的制作特点, 制定了埋弧焊, 氩弧焊, 手弧焊三种焊接方法。完善了不锈钢压力容器焊接工艺并应用于产品制造, 取得了良好的效果。
关键词：奥氏体不锈钢,焊接性,手弧焊,氩弧焊,埋弧焊
参考文献
[1]李亚江主编.焊接冶金学[M].北京:机械出版社, 2006
[2] (美) 利波尔德.不锈钢焊接冶金学及焊接性[M].北京:机械工业出版社, 2008