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如何优化焊接性能:母材热处理和焊后热处理选择

时间:2023-06-30 理论教育 版权反馈
【摘要】:焊接前,母材热处理状态必须以优化性能,减少缺陷,并考虑焊件要采用的焊后热处理来选择。Vagi和Martin[21]通过在17-4PH钢、17-7PH钢和A-286钢的50mm厚板上施焊,得到高拘束度下的GTAW焊缝,并对其进行试验来测定这些钢的焊接性。在正常情况下,焊接PH不锈钢不要求预热。

如何优化焊接性能:母材热处理和焊后热处理选择

焊接前,母材热处理状态必须以优化性能,减少缺陷,并考虑焊件要采用的焊后热处理来选择。对马氏体类PH不锈钢薄板工件,典型的是在退火状态下进行焊接;而厚板工件则因固有的大拘束度、要在过时效状态下进行焊接。在过时效状态下焊接时,由于材料处于轻微弱化的状态而降低了焊接时产生的应力。半奥氏体类PH钢典型的是在固溶处理或退火状态下进行焊接,奥氏体类PH钢是最难焊接的一类钢,这是因为有凝固裂纹、液化裂纹和失延裂纹等问题。这类钢一般在固溶-退火状态下焊接,以减少自身的拘束度。

Vagi和Martin[21]通过在17-4PH钢(马氏体PH钢)、17-7PH钢(半奥氏体PH钢)和A-286钢(奥氏体PH钢)的50mm(2in)厚板上施焊,得到高拘束度下的GTAW焊缝,并对其进行试验来测定这些钢的焊接性。他们在17-4PH钢靠近焊缝的母材金属中发现沿铁素体细条的一些裂纹,但在焊缝金属中没有发现裂纹。如图8-7所示,这种裂纹的形态和层状撕裂相似。他们在17-7PH钢焊件上没有发现裂纹,但在所有A-286钢焊件上都出现了裂纹,其中有焊缝金属中的凝固裂纹和热影响区中的液化裂纹。

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图8-7 在50mm(2in)厚的17-4PH钢板中,在焊缝旁的母材中的裂纹

(引自Vagi和Martin[21],美国焊接学会授权)

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图8-8 A-286钢1175℃(2150℉)热延性试验试样中的晶界裂纹断口

(引自Brooks和Garrison[7],美国焊接学会授权)

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图8-9 A-286钢1205℃(2200℉)热延性试验试样中沿晶界的液化现象(www.xing528.com)

(引自Brooks[23],美国焊接学会授权)

Brooks[23]对很多批次的A-286进行了热延性试验和可变拘束度开裂试验,发现了液化裂纹和晶界裂纹。他认为晶界裂纹也是液化裂纹的一种形式,但在试验加热到1150℃(2100℉)或者1175℃(2150℉)时没有出现液体。这就显示出这些裂纹是一种失延裂纹(DDC),而在更高温度出现了液相,他认为:液相主要是熔化了的Laves相。图8-8示出了晶界裂纹断口,裂纹是在1175℃(2150℉)进行热延性试验时发生的失延裂纹。图8-9示出了在1205℃(2200℉)进行热延性试验后观察到的液化开始时的照片。图8-10示出了A-286进行可变拘束度试验后观察到的完全液化的晶粒边界。

用异种钢的填充金属如309型不锈钢来焊接,可防止A-286的焊缝金属裂纹,但这种钢是不能热处理的,因而接头的效率变低。普遍存在于A-286中的TiC被认为是一种易受浓度液化的颗粒,这种浓度液化现象会导致HAZ或PMZ(部分熔化区)中的液化裂纹。减小晶粒尺寸和采用低的焊接热输入将形成陡峭的温度梯度,而减少液化的数量和发生的范围。

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图8-10 A-286钢可变拘束度试验试样中的液化裂纹

a)HAZ中的液化裂纹b)引起开裂的Laoes相(引自Brooks[23],美国焊接学会授权)

在奥氏体类PH钢,譬如A-286中,焊接凝固裂纹是一种“痼疾”,和以A模式凝固得到初析奥氏体的奥氏体不锈钢相似,奥氏体PH钢焊缝是全奥氏体组织,不含铁素体。A-286是全奥氏体材料,不可能通过调节成分来促成以FA模式凝固。降低杂质元素,特别是降低能生成低熔点化合物的硫、磷和硅,有助于防止凝固裂纹。采用细直焊缝技术和得到凸的焊道轮廓也有助于降低应力和减少裂纹。

前面提到过,Brooks和Krenzer[4]设计了一种改型的A-286-JBK-75钢来克服凝固裂纹、液化裂纹和失延裂纹的问题。和A-286比较,JBK-75钢降低了碳、锰、磷、硫、硅和硼的含量,而提高了镍含量,据称镍可以促使对可能产生的凝固裂纹和液化裂纹进行回填。

对于PH钢,由于碳含量低,得到低的硬度,因而不存在氢致裂纹的问题,然而还是推荐用低氢的焊接方法,特别是在焊接马氏体和半奥氏体PH不锈钢厚板时。因为它们可能在可以使氢逸出的PWHT之前就转变成马氏体。在正常情况下,焊接PH不锈钢不要求预热。由于PH钢延性不足,应力集中会引起或加重开裂。所以在设计阶段就要避免。

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