珠光体耐热钢焊接再热裂纹的防治

珠光体耐热钢焊接再热裂纹的防治王珏摘要为了解决珠光体耐热钢焊后热处理过程中易产生再热裂纹的问题，分析了再热裂纹的特征和产生机理，针对影响再热裂纹的因素，提出预防措施。主题词不锈钢焊接热处理裂纹分析防治措施ToPreventtheReformationofThermalCracksonPearliticHigh-temperatureSteelWangJueTosolvetheproblemofthermalcracksreformationonpearlitichigh-temperatureduringpostweldheattreatment,thepropertiesandformationmechanismsareanalyzedinthispaper.Preventivemeasuresareproposedinlightofthefactorscausingsuchreformation.Keywords:Stainlesssteel,Welding,Heattreatment,Crack,Analysis,Preventivetreatment,Measure1概况随着国内石油化工、电力工业的迅速发展，以Cr-Mo为基础的低、中合金珠光体耐热钢成为高温条件下使用的重要材料之一。珠光体耐热钢在小于600℃温度下不仅有很好的抗氧化热强度，还有较好的抗氢腐蚀和抗硫腐蚀性能。同时由于珠光体耐热钢中合金元素较少，其工艺性能和物理性能优良，为其它的耐热钢材料所不及。因此，珠光体耐热钢得到了广泛应用。珠光体耐热钢的焊接工艺通常有两种，一种为选用与母材相匹配的耐热钢焊条，另一种采用奥氏体钢焊条。采用奥氏体焊条由于焊缝金属与母材的膨胀系数不同，长期高温工作还可能发生碳的扩散迁移现象，容易导致在熔合区发生破坏，因此，该焊接工艺较多应用于局部补焊或焊后不易进行热处理的部位，焊接珠光体耐热钢较普遍采用耐热钢焊条。生产实践证明，采用珠光体耐热钢焊条，主要存在冷裂纹、近缝区硬化、热影响区软化等问题。此外，焊接残余应力是造成应力脆性破坏、结构变形失稳以及应力腐蚀裂纹的主要原因之一。因此珠光体耐热钢焊后进行热处理是不可缺少的重要工序，多数珠光体耐热钢在焊后并未出现裂纹，而是在焊后热处理过程中产生了裂纹，这就是珠光体耐热钢焊接的又一问题，即焊接再热裂纹。从60年代开始，国外相继报道了因再热裂纹而发生的多起事故，促使各国对再热裂纹开展了大量的试验研究。70年代初，国内也报道了因再热裂纹而导致产品失效的事故。随着珠光体耐热钢应用于压力容器和高温高压管道，关于再热裂纹的报道也时有所闻。再热裂纹(Reheatcracking)又称为消除应力处理裂纹(Stress-Reliefcracking)，这种裂纹不仅发生在消除应力的热处理中，也发生于焊后再次高温加热过程中。2再热裂纹的特征(1)产生的部位均在焊接热影响区的过热粗晶区，焊缝、热影响区的细晶区及母材均不产生再热裂纹。裂纹沿熔合线方向在奥氏体粗晶晶界发展，不少裂纹是断续的，再热裂纹具有沿晶间开裂的特征。(2)再热裂纹的产生与再热过程的加热或冷却速度无关。(3)焊后不会发生，只是在焊后进行消除应力处理及焊后高温使用中发生，它有一个敏感的温度区，一般在500～700℃，600℃左右最为敏感。(4)再热裂纹总是出现在拘束应力或应力集中的部位，焊接应力越大越易产生，如焊缝向母材过渡不圆滑、焊缝余高过高、咬肉、焊瘤、未焊透、边缘未熔合等部位都容易产生再热裂纹。3再热裂纹的产生机理根据高温金相显微镜及扫描电镜的观察，认为再热裂纹是由晶界滑移导致微裂形成而发生和扩展的。即在焊后热处理过程中，残余应力松驰时，粗晶区应力集中处的某些晶界塑性变形量超过了该处的塑性变形能力，就会产生再裂纹。关于再热裂纹的产生机理有三种说法，再热裂纹形成的机理虽然可以从以下三方面进行分析论证，但仍有许多不明之处，影响的因素也不是单一的，可能是几种因素共同作用的结果，只是在不同情况下以某种因素为主。可以这样认为，珠光体耐热钢再热处理过程中，当应力集中部位晶界微观局部的实际塑性变形大于该处产生裂纹的临界变形能力时，就形成再热裂纹，实际塑性变形与焊接接头的拘束度、残余应力的大小以及晶粒的大小有关，而晶界杂质的偏析、晶内沉淀强化必然影响到产生裂纹的临界变形值，也就影响到再热裂纹的产生。3.1晶间杂质析集脆化的作用试验研究指出，再热裂纹的产生与晶界本身的弱化有关，强调杂质在晶界析集而造成脆化，对再热裂纹的脆化起到了主要作用。此外，母材的应力松驰效应对再热裂纹的敏感性也有很大的影响，它表明母材晶界强度的影响。试验表明，再热裂纹敏感性大的钢应力松驰程度低。因而认为，焊接热影响区的晶界弱化和母材的高温应力松驰能力弱，是提高珠光体耐热钢再热裂纹敏感性的重要原因。关于晶界弱化引起再热裂纹敏感性提高的问题，许多焊接专家认为：在500～600℃热处理过程中，由于钢中的杂质元素P、S、Sb、Sn等在晶界偏析的缘故。对具有典型性的P元素含量的研究结果认为，当P含量由0.003%增至0.018%时，引发再热裂纹产生的应力下降，钢材的塑性变形能力也下降。3.2晶内沉淀强化的作用在焊接热影响区的过热区，由于加热温度高达1300℃以上，原强化相碳化物等析出质点固溶于金属中，因焊后冷却快而处于饱和的不稳定状态。在焊后消除应力的热处理过程中，这种过饱和溶解的碳和碳化物形成元素，就以显微颗粒状的各种碳化物(M3C、M7C3、M23C7)形式析出，从而使晶内强化，提高了晶内的屈服强度。而晶界由于其晶格结构的不规则性，并存在晶格缺陷，因此在高温及残余应力的作用下金属将发生滑移变形(或叫蠕变变形)以松驰应力。由于晶内的强化，这种变形就集中在晶界。当这种滑移变形超过晶界变形能力时，就产生了裂纹。3.3蠕变断裂理论近年来，有更多的人认为，在再热过程中将发生应力松驰，随着应力的降低伴随有蠕变现象。所以可以用蠕变断裂理论来解释再热裂纹的形成。就珠光体耐热钢而言，对于再热条件下的蠕变断裂，可以应用“空穴开裂”加以解释。在应力和温度的作用下，点阵空位能够运动，当空位聚集到与应力方向垂直的晶界上达到足够的数目时，晶界的结合力遭到破坏而产生空洞。在应力的作用下，它们继续扩大，形成裂纹沿晶界断裂。一般来讲，金属凝固或在固态再热处理过程中能够形成亚显微空洞，当金属发生蠕变变形，通过空位的运动、聚集而逐渐长大成为裂纹，另一方面，如果有杂质沿晶界分布，也可作为空洞形核的发源地。4再热裂纹的影响因素及控制4.1焊缝成形由于焊缝成形影响应力集中的大小，再热裂纹易产生于应力集中的热影响区粗晶区，因而也影响再热裂纹的产生。焊缝与母材过渡不圆滑，焊缝余高过高或存在咬肉、未熔合、未焊透等缺陷，在焊后再热过程中均能诱发再热裂纹。因此焊接过程中应尽可能的控制焊缝成形，对成形不理想或存在缺陷的部位进行修补，以达到降低焊接应力的作用，从而控制再热裂纹的产生。4.2组装应力组装时采用强力组对等，都会使得焊缝处存在大的组装应力。焊后再热过程中，容易引发再热裂纹，因此组装珠光体耐热钢时要避免强力组装，以减少组装应力。4.3预热为防止再热裂纹的产生，焊前预热是十分有效的。预热可以降低残余应力，形成对裂纹不敏感的组织等。日本的焊接专家认为，预热可以提高热影响区粗晶区的强度。珠光体耐热钢焊前按要求进行预热，在很大程度上可以防止再热裂纹的产生。4.4焊后后热实验证明，珠光体耐热钢焊后进行150～200℃的后热处理，可以有效地消除焊缝中的扩散氢，从而减少焊缝中残存的空穴，有利于防止再热裂纹的产生。同时焊后后热可以使得焊缝晶界的有害杂质S、P等进行一步弥散，减少因S、P等杂质偏析而导致的再热裂纹。焊后在不太高的温度下进行等温处理，也可以产生类似预热的效果，这样还可以降低焊前的预热温度。4.5焊接线能量焊接线能量对再热裂纹的影响有两个方面。首先大的线能量可以有利于降低拘束应力，降低粗晶区的硬度，使得晶内的沉淀增多，减弱焊后加热时析出的强化程度，有利于减少再热裂纹的倾向。但另一方面，大的焊接线能量却使过热区的晶粒更加粗大，晶界结合力更加脆弱，从而增加了再热裂纹的倾向。因此，在焊接珠光体耐热钢时，对焊接线能量的选择，应考虑线能量对晶粒长大的敏感程度，对某些晶粒长大敏感的钢种，焊接时应选较小的线能量，反之，可适当选择较大的焊接线能量。4.6晶粒度焊接热影响区粗晶区的晶粒大小对再热裂纹的敏感性也有影响。晶粒度大，裂纹敏感性大；晶粒度小，晶界所占的面积就大，在其它条件均相同的情况下，晶界所能承受的蠕变变形量相对大，产生再热裂纹的倾向也就相应变小。焊接材料的选择通常有两种原则：一为“等成分原则”即选用焊接材料在化学成分上与母材相同；二为“等强度原则”即选用的焊接材料在化学成分上与母材成分相近，主要保证焊接接头的强度与母材相同。在进行珠光体耐热钢焊接时，一般采用“等强度原则”，甚至在使用条件允许的情况下，可以适当降低焊接接头的强度。实验证明，通过适当降低焊缝金属的强度，提高其塑性变形能力，从而降低焊接接头的应力集中程度，以降低再热裂纹的敏感性。仅仅焊缝表层采用低强度高塑性的焊接材料来盖面也是比较有效的。4.8合金元素的影响(1)碳由于碳化物的形成，碳在热裂纹中有着重要的作用。在Cr-Mo钢中，当含碳量由0.05%增至0.20%时，裂纹倾向明显增加。在含V量高的钢种中，碳的影响更大。(2)铬Cr的影响是两个方面的。当钢中的含Cr量＜1.5%时，随着含Cr量的增加，裂纹倾向增大；当含Cr量＞2.0%时，随含Cr量的增加，裂纹倾向逐渐减小。当然，Cr对再热裂纹的影响在很大程度上还取决于钢种中Mo与V的含量。(3)钼Mo能够降低蠕变塑性，增加裂纹。其作用是通过对相变特性的影响及碳化钼的析出而实现的。模拟热循环试样缺口应力试验，当Mo的含量为0.21%时，627℃断裂的时间为1300min，而Mo的含量为0.54%时，断裂时间降为2min，说明Mo含量的增加，提高了钢的再热裂纹的敏感性。(4)钒V通常与Cr、Mo等元素同时加入，在同时含有其它元素时，增加V是极其有害的。V含量为0.73%，钢材应力—断裂塑性最低。当V含量＜0.15%时，随其含量的增加裂纹率明显增大。如V含量由0增至0.08%时，Y型坡口拘束试样的裂纹率由0增至95%。V的影响主要是形成V4C3的析出，使应力松驰率下降。(5)微量杂质元素从金属材料主要元素成分含量相同，而再热裂纹倾向相差很大的事实来看，微量杂质元素起着很大的作用。这是因为这些杂质元素在晶界偏析，促使晶界空穴形成，大大降低金属的蠕变性能。如降低断裂应力和断裂塑性。4.9重熔焊道在再热裂纹的预防上，焊后利用TIG对焊缝表面进行一次重熔，可以减少焊接接头的残余应力，因而也有利于减少再热裂纹的产生。作者单位：中油第七建设公司266300山东省胶州市参考文献：1周振丰，张文钺.焊接冶金与金属焊接性.北京：机械工业出版社，19882周振丰.金属熔焊原理及工艺.北京：机械工业出版社，19873周顺深.低合金耐热钢.上海人民出版社，19764美国焊接学会编，黄静文等译.焊接手册第二册.北京：机械工业出版社，19885美国焊接学会编，韩鸿硕等译.焊接新技术.宇航出版社，19876王健安.金属学与热处理下册.北京：机械工业出版社，19877丁启湛.钢的焊接脆化.北京：机械工业出版社，1992