薄不銹鋼復合管焊接工藝及接頭的抗腐蝕性能

薄不銹鋼復合管焊接工藝及接頭的抗腐蝕性能

0銹鋼襯層焊接由中國航天科技集團四院41研究所開發(fā)的20.0ec18ni9復合管，主要用于油壓機和腐蝕介質(zhì)的輸送。由于不銹鋼襯層厚度只有0.5~1.0mm,焊接時存在一定困難。主要是焊接第1層時,如何保證其與18-8型不銹鋼相同的抗腐蝕性能,如何保證在焊接過程中不產(chǎn)生冶金及工藝缺陷以及如何保證焊縫的單面焊雙面成型等。目前對此類復合管焊接性的全面研究還未見報道,作者對此進行了工藝試驗和研究,為此類復合管在工程上的應用打下了基礎。120清除結(jié)晶中的和雙相組織不銹鋼內(nèi)襯復合管的焊接,由于不銹鋼襯層很薄,事實上不可能單獨焊復層,第1層就是過渡層,且要求它的性能與OCr18Ni9基本一致。因此,對過渡層的成份、組織控制以及抗腐蝕性能等都提出了較嚴格的要求。過渡層焊縫要嚴格限制S,P以及Sn,Sb之類的雜質(zhì),同時要避免形成單相奧氏體組織,而應該使焊縫具有γ+δ雙相組織。這種特征組織(δ鐵素體位于枝晶主干部位)是以鐵素體為先析出相,然后發(fā)生L+δ→γ包晶轉(zhuǎn)變及δ→γ固態(tài)相變,但由于最先析出的鐵素體富Cr而非常穩(wěn)定,凝固結(jié)束后不再發(fā)生轉(zhuǎn)變而以骨架狀的樹枝晶存在于結(jié)晶組織中,構(gòu)成γ+δ雙相組織。這種組織能有效提高焊縫抗晶間腐蝕和抗熱裂紋性能,可以有效地清除單相γ組織的方向性而使奧氏體晶粒細化,并可顯著減少晶間偏析。此外,要合理調(diào)整和控制焊縫的化學成份,特別是Cr的含量,根據(jù)Tomman理論n/8定律使Cr的含量控制在12.5%~25%之間,同時盡可能降低焊縫中的含碳量,以使焊縫金屬與18-8鋼的電極電位相接近,從而提高焊縫的抗腐蝕性能。2不銹鋼焊絲tgs-133l和tig焊20/0Cr18Ni9復合管是內(nèi)層0.5mm厚的OCr18Ni9不銹鋼襯層和外層3mm厚的20鋼復合鋼管,理想的過渡層焊縫的組織是γ+5%~10%δ鐵素體,復合管過渡層宜選擇25-13型焊接材料,以補充母材對它的稀釋。當焊縫稀釋率小于30%時,采用25-13型焊材,根據(jù)Schaeffler圖可確定過渡層焊縫為γ+5%~10%δ鐵素體組織。又由于不銹鋼襯層很薄,且要求單面焊雙面成形。因此,選用日本神戶制鋼所的25-13型超低碳奧氏體不銹鋼焊絲TGS-309L和TIG焊方法作為第1層(即過渡層)焊縫的焊接工藝(焊絲化學成分見表1),焊接時焊縫背面充氬保護。而第2層和第3層焊縫則選用與母材相對應的焊接材料,這里采用J427焊條,手工電弧焊方法。焊縫的坡口形式為V型,間隙2.0mm,鈍邊0.5mm(即襯層厚度),坡口角度為70°,焊接工藝參數(shù)見表2,TIG焊電源極性為直流正極性,手工電弧焊為直流反極性。3第1層焊縫蝕復合管焊接的關鍵問題是焊縫的抗腐蝕問題,而焊縫是否抗腐蝕取決于第1層焊縫。第2層和第3層焊縫為蓋面層,由于基層是20鋼,用J427焊的焊縫強度是夠的。因此,主要對第1層焊縫進行研究分析,以檢驗所選焊接工藝的合理性。3.1點的cr、ni、mn含量分布取第1層焊縫的一段截面,用JSM-5800掃描電鏡進行能譜成分點分析和能譜線掃描成分分析,檢測部位見圖1。對圖1中的不銹鋼母材1點和底層焊縫中心點2點進行能譜成份點分析,以對這兩點的主要合金元素含量進行對比。經(jīng)分析,1點的Cr含量為20.39%,Ni含量為7.85%,Mn含量為1.91%;2點的Cr含量為13.59%,Ni含量為5.14%,Mn含量為1.28%。從分析結(jié)果看,2點的Cr,Ni含量偏低,但Cr的含量已超過12.5%,根據(jù)Tomman理論的n/8定律,已達到與18-8鋼同一電極電位區(qū);由于焊接冶金的特點,焊縫點成分的分布有不均勻性,因此再用線掃描對焊接接頭進行總體的成份分布分析,以檢驗成分分布的均勻性。線掃描結(jié)果見圖2。圖2a豎線為熔合線,其左、右分別為焊縫和不銹鋼母材的元素含量分布。從線掃描結(jié)果可見,焊縫和熔合區(qū)中Cr,Ni,Mn的平均含量分布與0Cr18Ni9母材基本一致,這說明了焊縫從成分方面保證了其強度和抗腐蝕性能與不銹鋼母材基本相同。3.2顯微硬度檢測取底層焊縫和OCr18Ni9不銹鋼母材的熱影響區(qū)(HAZ)做光學金相和顯微硬度分析,金相組織見圖3。圖中從左到右依次為焊縫、HAZ和OCr18Ni9母材的金相組織。焊縫是γ+δ雙相組織,其中黑色條蟲狀的組織是沿奧氏體晶界分布的δ鐵素體,白色的是奧氏體基體;熔合區(qū)組織中,交互結(jié)晶區(qū)清晰可見。母材和焊縫的奧氏體晶粒形態(tài)有所區(qū)別,母材基本上是等軸晶粒,焊縫是柱狀晶粒。這種金相組織保證了焊縫的抗裂性能和抗晶間腐蝕性能,應為理想的金相組織。沿圖1線掃描部位進行顯微硬度測量。測量點見圖3,測量結(jié)果見圖4。從圖4可見,焊縫、HAZ、母材的硬度值相差不大。HAZ的硬度值介于焊縫和不銹鋼母材之間,這是因為隨鋼種碳當量CE(IIW)的增加,HAZ最高硬度也隨之增加,即淬硬傾向增加,而由于焊絲是超低碳,使過渡層極薄或沒有過渡層的存在,從而使HAZ硬度降低,并與焊縫和母材硬度值接近。由于通過顯微硬度可以反應材料的力學性能,可以看出,焊縫、HAZ和不銹鋼母材的力學性能是基本一致的。3.3極化曲線測試電化學試驗采用常規(guī)的三電極體系,參比電極為飽和甘汞電極,輔助電極為Pt片,電解質(zhì)為3.5%NaCl溶液。采用TD3691型恒定電位儀,以5mV/s的掃描速率,從-500mV到+500mV外加等速上升的恒電位,測示電流的變化并進行電流、電位的數(shù)據(jù)采集,然后通過數(shù)據(jù)處理得到腐蝕電流密度隨時間的變化曲線,即極化曲線。工作電極分別取圖1中1點和2點所在的區(qū)域,工作電極表面積分別為3.1mm2和6.3mm2,由此可測得兩條極化曲線。通過對兩條極化曲線的特征值(即活化時間)進行對比分析來判斷被測區(qū)的抗腐蝕能力的大小。兩區(qū)的極化曲線見圖5,其中圖5a為1點所在區(qū)域的極化曲線,圖5b為2點所在區(qū)域的極化曲線。由極化曲線可見,不銹鋼母材和第1層焊縫都有鈍化現(xiàn)象。而且第1層焊縫的活化時間要略小于不銹鋼母材的活化時間,即第1層焊縫在腐蝕介質(zhì)中要先于不銹鋼母材停止腐蝕。因此,第1層焊縫的抗腐蝕性能完全達到了不銹鋼母材的水平。4焊接接頭性能(1)采用背部充氬保護的TIG焊作為20/0Cr18Ni9復合管第1層焊縫的工藝方法,可使焊縫背面成形良好,能