镍基填充金属的异种钢焊接

            镍基填充金属具有许多独特的性能,使它们成为异种钢焊接时理想的选择。采用镍基填充金属焊接异种钢时最大的困难在于镍基填充金属的焊接性、冶金适应性和稀释极限,以及异种钢接头的物理特性和使用条件等。如果所有这些局限都能充分解决,异种钢接头就能获得出色的焊缝性能和较长的使用寿命。
可焊性

第一个需要解决的问题就是镍填充金属焊接时的一般差别。尤其是对于那些习惯于焊接碳钢的焊工来说,主要有四个不同可能造成麻烦。首先是接头制备中的清洁。镍合金更容易在硫和其他非金属元素作用下开裂。因此,焊接区域必须保持干净,无灰尘、油垢和其它杂质。实践中采用不锈钢钢丝刷和镍基合金焊接的专用磨轮等特殊工具非常奏效。镍的氧化物比铁的氧化物更加顽固,必须通过研磨、喷磨、酸洗等才能清除。不锈钢丝刷虽然去除焊渣和其它残余物很有效,但它只能将镍的氧化物抛光,外表清洁。

采用镍基填充金属焊接时焊缝轮廓也十分重要。镍凝固后呈面心立方结构,对包括中心线开裂的固态裂纹很敏感。略微凸出的焊缝接头轮廓可以产生横穿焊接界面的压应力,这种压应力有助于减少中心线裂纹。

镍合金的熔深要比碳钢的熔深小得多。因为一般镍合金中的含硫量大约是钢中含硫量的10倍。硫是金属传统焊接制造中最常见的表面活性元素(SAE)。马兰各尼效应(Marangoni effect)解释了焊接熔池中SAE(参考文献1)的不同梯度上熔融金属的流动。SAE的高梯度导致深熔深,而低梯度导致浅熔深,实际上有助于控制镍焊接的稀释率。这些明显的区别如图1所示。
冶金适应性

一旦对镍基填充金属焊接的细微差别有深入了解,下一个要考虑的就是冶金适应性。当使用钢填充金属对钢进行焊接时,熔透率越大越好。然而在异种钢焊接过程中,熔透率大小会影响焊缝的成分和性能。因此,异种钢焊接中的稀释率需严格控制。稀释率的计算方法是用母材的熔化量除以整个焊缝的金属量,如图2所示。

稀释率大小根据焊接工艺不同而不同。熔化极电弧焊(SMAW)广泛应用于异种钢接头的焊接,采用平焊位置焊接时稀释率通常为30%。焊工的技术水平高低会造成稀释率± 10%的波动,但焊工本身对稀释率的影响最小。

气保护电弧焊(GMAW)的稀释率变化较大,根据熔滴过渡的方式和焊枪操作方法的不同,稀释率从10%到50%不等。飞溅过渡的稀释率最高,短路过渡的稀释率最低。

气保护钨极电弧焊(GTAW)的稀释率变动最大。当使用填充金属时,稀释率从20%到80%,甚至更高,这取决于操作者的技术水平。不使用填充金属的乙炔焊,稀释率达100%,整个焊缝都由母材金属组成。

不管采用什么焊接工艺,稀释率都受接头设计和接头装配等因素的影响。自动焊镀层时,恰当的焊条位置和施焊时来回摆动会大大降低稀释率。

尽管期望稀释率越低越好,但沿焊缝方向稀释率的恒定也十分重要。稀释率波动会导致沿焊缝接头长度方向上焊缝性能发生变化。
稀释极限

根据稀释估算公式, 可以计算焊缝金属的组成。然后与已知的镍合金焊缝金属的稀释极限对比,确定其裂纹敏感性。镍合金焊缝金属稀释率主要关注铜、铬、铁等主要合金元素。镍基焊缝金属的镍元素可以被无限稀释。
铜的稀释:四种主要类型镍合金焊缝金属中铜的稀释极限如图3所示。如图所示,铜的稀释与镍、镍铜和白铜等焊缝金属类型都无联系。但对镍铬焊缝,比如使用ENiCrFe-2 或ENiCrFe-3填充金属,铜的稀释率不能大于15%。
铬的稀释:如图4所示,所有类型的焊缝金属都要控制铬的稀释。 镍焊缝金属稀释中铬不能超过30%。镍铜和白铜焊缝金属对铬的稀释率较低:镍铜合金应控制在8%以下,白铜应控制在5%以下。

镍铬焊接产品最有可能用于有关铬稀释的焊接接头。这些产品,焊缝金属中总的铬含量不能超过30%。因为焊接产品包含了15%~20%的铬,稀释率应控制在15%以内。幸运的是,高铬稀释的应用情况非常稀少。
铁的稀释:异种钢焊接中最常碰到的稀释元素是铁。许多场合要求将铁元素加入到镍合金,铁通常作为覆层的基底。许多镍合金焊缝金属都具有较大的铁稀释量,但通常由于所用焊接工艺不同而使得焊缝金属的铁稀释极限有所不同。图5是各种焊缝金属和不同焊接工艺的铁的最大稀释率。

当使用SMAW工艺焊接时,镍焊缝金属的铁稀释率达40%左右。然而,如果使用裸露的焊丝,镍焊缝金属的铁稀释率不能大于25%。

镍铜焊缝金属中铁稀释率根据焊接工艺的不同而不同。如果采用SMAW工艺,铁稀释率达30%左右时会产生一些不良问题。埋弧焊的铁稀释率不能大于25%。当采用气保护焊工艺焊接时,镍铜焊缝金属的铁稀释率减小,尤其是焊缝应力释放后稀释率减小尤为明显。目前铁的稀释极限没有准确定义,但保守估计焊后熔敷的最大铁稀释率为15%,应力释放后铁的最大稀释率为5~10%。当与钢有关的母材焊缝焊接时,由于这些值可能会更大,应在接头完成前对母材进行镍焊缝或镍铜焊缝覆层。镍铜保护层也应用于埋弧焊。

白铜焊缝金属只能稀释少量的铁。不管什么焊接工艺,白铜熔敷时铁的稀释率都应限制在5%以内(参考文献2)。

镍铬焊缝金属的铁稀释量相对较大,它们广泛应用于各种不锈钢和碳钢的异种钢焊接接头上。镍铬药皮焊条的熔敷时,铁的稀释率为40%左右。裸丝焊的熔敷能达到25%的铁稀释率。

采用镍基药皮焊条进行焊缝熔敷时,熔敷量要比直接用裸丝焊接的焊缝熔敷大。熔渣系统能消除钢中较高浓度的有害杂质。这就是为什么SMAW工艺能稀释率较大的原因,也使它成为修复场合常用的工艺。
硅的稀释:镍铬焊缝金属的稀释中也应考虑硅,尤其是涉及铸造材料的焊接接头场合。焊缝熔敷金属中硅的总量不能超过0.75%,最好控制在0.50%以下。

无论哪一个制造条件改变,都可能导致焊缝应力增加,最终造成试件过早失效。这在异种钢焊接接头中也一样,异种钢焊接也应遵循基本的原则。明显变化的复杂接头形式应予以避免。牢记这一点也适用于填充金属的选择。当焊接低碳钢到Monel®合金时,不要使用强度很高的镍铬钼填充金属。强度差异太大实际上会增加焊缝应力,导致比较低强度填充金属的焊缝更快失效。这一点在承受疲劳载荷的应用场合尤为重要。
物理性能

除了冶金适应性外,其他因素如热膨胀系数不同和熔点高低等通常也影响异种钢焊接时焊缝金属的选择。奥氏体不锈钢和T-22等低合金钢焊接时就必须考虑热膨胀。这种类型的异种钢接头在电厂锅炉的过热管和再热管中使用。低合金钢的膨胀率大约比奥氏体不锈钢低30%。在一定的循环温度下工作,不同的热膨胀将会对焊接接头施加应力,降低工件的疲劳寿命。从稀释率的角度看,无论是不锈钢焊缝金属还是镍铬焊缝金属都如此。不锈钢焊缝金属的热膨胀应和不锈钢母材的热膨胀相同,镍铬焊缝金属的热膨胀率应在合金的膨胀速率附近。

如果焊接接头使用不锈钢焊条焊接,焊缝和不锈钢母材都比合金膨胀得多,将沿着较弱的合金一侧产生不同的膨胀线,如图6所示。如果使用镍铬焊缝金属,不相等的膨胀应力会出现在较强的不锈钢一侧,如图7所示。图8数据基于一项广泛的研究项目,该项目涉及材料性能委员会、电力科学研究院和GA技术等机构。试验数据显示,使用镍铬填充金属焊接的铁素体钢和奥氏体钢焊缝接头寿命能延长4年半到7年半。
潜在问题:热膨胀不匹配

两种母材之间或焊缝金属与母材金属之间的熔点的不同会导致在焊接过程中,较低熔点的材料出现裂痕。

较高熔点的材料在凝固和收缩时会对较弱的、未完全凝固的其它材料产生应力。这个问题可以通过焊前先对低熔点母材熔敷一层焊缝金属得到解决。焊缝金属熔敷层的应力水平较低。在接头完成时,先前熔敷的焊缝金属降低了整个接头的熔点差异。
腐蚀

选择镍合金和镍填充金属通常是因为它们能抵抗各种腐蚀介质。腐蚀工程师定义了8种不同的腐蚀类型。本文主要讨论三种:均匀腐蚀(全面腐蚀)、局部腐蚀和电化腐蚀。全面腐蚀是在试样整个表面产生腐蚀。典型例子是碳钢生锈或碳钢暴露在盐酸中的腐蚀。局部腐蚀是一种加速腐蚀形式,只在金属的点蚀或裂缝处产生破坏。这种腐蚀类型通常导致焊件过早失效。

电化腐蚀是通常发生在异种钢焊接中。当两种或更多的异种金属通过导电焊缝连接在一起,它们就形成一对电偶。如果异种钢焊接接头暴露在导电介质中,比如海水,电化腐蚀就会发生。这时焊接接头会变成一个电解池,阳极会失电子而阴极得电子,最终在阳极产生腐蚀或溶解。当焊接两种不同金属或采用低匹配填充金属或阳极填充金属焊接时都会因为电化腐蚀导致焊接失败。如果异种钢焊接接头选择填充金属时没有考虑电化腐蚀,焊缝就可能产生电化腐蚀致使焊件过早失效。

电化腐蚀可以通过选择适当的填充金属予以避免。选择比母材更不活泼或更低电极的填充金属,会在母材更大表面形成电偶造成腐蚀。介质的类型会影响焊缝金属是否保护。比如,在25℃海水中使用ERNiCrMo-3焊接的镍铜合金焊缝是阴极,但在25℃的48%的HF溶液中焊缝呈阳极。
焊接质量评定

异种钢接头的性能必须进行弯曲和拉伸试验,以评定焊接质量。通常,采用纵向的试样试验而不是横向的试样进行试验,以免误导结果。

异种钢接头包括三种合金(两种母材和稀释的焊缝金属)和两个热影响区。如果不同区域具有不同的机械性能或加工硬化率,那么由于试样横断面上不同区域的屈服强度不同,可能会导致试样横断面上的定形弯曲试验失败。具有较低屈服强度的母材或焊缝金属会在较高屈服强度的金属产生变形前先屈服。使用纵向试样,焊缝接头所有区域都以同样速率伸长,更能反映焊缝质量的实际情况。当两种强度明显不同的金属焊接在一起时,ASME QW-161.5标准允许使用焊缝纵向试样进行弯曲强度试验。

横向拉伸试验也得到类似的结论。最软的区域延伸率最大,然而标准的标距2.0英寸(51毫米)平均的延伸率在所有5个区域之上,误导这些值较低。横向试样的伸长率毫无意义,除非标距被限制在开裂带内。
总结

如果上述问题都能妥善解决,那么使用镍基填充金属焊接的异种钢接头就能获得较长使用寿命的优良焊缝。然而,大多数实际焊接场合,都存在一些不确定的因素。当在潮湿腐蚀的环境中焊接异种钢接头时,填充金属ERNiCrMo-14和ENiCrMo-14(参考文献3)具有优良的耐点蚀和抗缝隙腐蚀性,对多数金属母材来说都可作为阴极使用。当在温度达到2100℉的高温环境中焊接异种钢时,ERNiCrCoMo-1或ENiCrCoMo-1(参考文献3)填充金属具有良好的抗蠕变强度和抗热腐蚀性。除了这些建议,如果可焊性、冶金适应性、稀释率、物理性能、腐蚀要求和焊接质量检验都能妥善解决,那么异种钢焊件使用寿命长就能成功实现。
参考文献

1. Heiple, C. R., and Roper, J. R. 1982. Mechanism for minor element effect on GTA fusion zone geometry. Welding Journal 61(4): 97-s to 102-s.

2. Wilson, R. K., Kelly, T. J., and Kiser, S. D. 1987. The effect of iron dilution on Cu-Ni weld deposits used in seawater. Welding Journal 66(9): 280-s to 287-s. 

3. Baker, B., Gollihue, R., Kiser, S., and Shoemaker, L. 2008. Alloy welding products multi-task to reduce maintenance cost and improve process reliability. NACE Paper No. 08179.

 
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     收录时间:2015-11-25 03:13 来源:中国焊接资讯网  作者:匿名
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