TP347H不锈钢焊接接头微观组织及断口形貌分析

2020-04-04 17:10:44

   浙江宏盛特钢有限公司采用了ER316L和H1Cr18Ni9Ti焊丝对TP347H不锈钢的焊接性进行了研究,测试了焊接接头在常温下的力学性能,对焊缝金属和热影响区进行微观组织观察,并对冲击试件进行了SEM断口形貌分析。发现氧化物等杂质容易聚集在热影响区,内充氩不当在焊缝根部极易形成氧化裂纹,焊接参数大容易引起焊缝区未熔合,在启裂处有脆性断裂迹象。通过分析对TP347H不锈钢的焊接性及工艺参数有了更清楚的认识,对大参数火电机组和核电机组材料的焊接具有一定的帮助。


    TP347H不锈钢主要用于电厂工作温度≤650℃的过热器和再热器设备中,由于其特殊的高温性能,自1980年起在国内300MW以上锅炉机组生产中开始应用,现在600MW超临界燃煤机组的高温再热器也采用了TP347H不锈钢。


    采用超超临界燃煤机组发电,效率能达到43%以上,这取决于先进耐热材料的进展,在中型发电机组的过热和再热部件中,TP347H不锈钢已由P91/T91及P92/T92所代替,但蒸汽温度超过700℃时,TP347H等奥氏体及镍基材料仍是首选,奥氏体钢材料TP347H在大型机组中仍将有巨大前景。近年来,TP347H不锈钢、TP316L等钢材已成为核电蒸汽管路和核反应堆设备材料。文中主要研究TP347H不锈钢焊接性,焊接接头各区域组织状态及断口形貌,并以H1Cr18Ni9Ti焊丝作为对照。据此,可以对这类钢材的焊接工艺的应用与发展进行一定的指导。


一、试验方法与试验材料


    TP347H钢焊接接头性能不仅取决于焊接材料和焊接工艺,其接头质量和力学性能还受到多种因素的影响。


1. 焊接材料及工艺


    母材为TP347H不锈钢管,尺寸为460mm x9mm,差:用ER316L和H1Cr18Ni9Ti焊丝,其化学成分见表。


2. 试样制备


    试样序号为1-6号,X射线探伤合格后进行力学性能试验。弯曲试验使用30mm压头进行180°面弯和背弯。拉伸试验试件尺寸为200 mm×10mm×9mm,保留原焊缝,试验温度为室温,每组试验3个试件,取其均值。冲击试样尺寸为55mm×10mm×5mm,焊接接头厚度方向尺寸为5mm,根据国家标准GB/T229-1994《金属夏比V形缺口(冲击)试验方法》进行试验,试验温度为10℃±1℃,每组试验3个试件,取其均值。采用扫描电镜,观察冲击断口V形槽起裂端和中间断口处形貌。金相试样尺寸为40mm×10mm x9mm,保留原焊接接头截面,经抛光液抛光,盐为3:1的王水腐蚀,采用光学显微镜观察。HRA硬度值在金相试样上取得,每一数据为三点均值。


二、试验结果分析与讨论


1. 试验结果


    弯曲试验中,正面弯曲均无裂纹。背面弯曲,内部无充氩试件出现裂纹。由表可以看出,拉伸强度都达到TP347不锈钢的强度要求。拉伸断裂处,1,2,3,4,6号试件都在热影响区附近处断裂,5号在母材处断裂;冲击吸收功1,4号较高,且母材处较热影响区处要大,3,4号母材较热影响区要小。


2. 观察分析和讨论


 a. 电流参数对焊接接头性能影响分析


    通过试验表明,电流大小关系到热输入的大小,由表可以看出,1,2,6号试件大电流试件HRA硬度较大,抗拉强度明显较低,且拉断处在熔合区。从图中可以明显看出,在熔合线附近热影响区发现许多显微裂纹,这是由低熔共晶严重偏析,聚集在晶界产生的,并夹杂有碳化物或共晶相,这大大削弱了接头机体连接性,导致在热影响区处开裂。另外,大电流容易在熔池中烧损合金元素,产生微量氧化物,容易发生聚集,在晶界形成未熔合。通过观察发现,未熔合缺陷边角呈圆滑过渡收缩形态,内部有共晶物和氧化残留物,在拉断面上可以发现许多开裂源正是此类微型未熔合缺陷,这也是造成热影响区开裂的一个主要因素。


 b. 氩气保护对接头质量的影响


    如图所示,裂纹为根部氧化造成,根部氧化时,焊缝收缩,根部产生裂缝,并在收缩应力作用下不断延伸,由根部向焊缝中心扩展,缝隙中有大量氧化物,起裂处主要分部在根部焊趾熔合线应力集中部位。焊接时无法保证焊缝理想光滑,必然在某些部位,特别是焊趾和底层根部存在不同的缺口效应,这样会造成应力集中。2号、3号为未充氩气试件,拉伸试验在热影响区处断裂,氧化裂纹区域无塑变形态,系最先开裂处,显然根部氧化和应力集中是造成热影响区开裂的最主要的原因。在实际施焊中,由于充氩方式不当,焊接顺序不妥,很容易混入空气,发生根部氧化。通过反复试焊和检验,将焊接方向调整为由下往上,氩气流量适中,避免了因氩气压力过大或过小引起紊流的现象,从而有效解决了根部氧化问题。


  c. 焊接性分析


    试验采用ER316L和H1Cr18Ni9Ti焊丝,化学成分见表,ER316L焊丝相比TP347H不锈钢,加入了2.4%的钼元素,其焊缝金属形成奥氏体一铁素体双相组织,有细化和均匀化碳化物,提高抗蠕变性能,防止晶界偏析和热裂纹的作用,耐点蚀性能也显著提高。通过观察,3号、5号和6号焊缝为奥氏体组织,黑色条状物为铁素体。6号为大电流试件,在热影响区处产生较多共晶物和碳化物,图3中黑色点状物为析出MC型碳化物及6相,使得热影响区强度降低,试件很容易在此处被拉断。含有铁素体的奥氏体钢在低温度下冲击吸收功较低,从表3可以看出5号、6号试件焊缝冲击吸收功是较低的。H1Cr18Ni9Ti焊丝由于Ti的加入,形成TiC,避免了焊缝中Cr23C6的产生而引起的品间腐蚀。但是,由于容易形成链状分布的TiN,容易产生裂纹。由于TP347H不锈钢含镍、铬、铌均高于H1Cr18Ni9Ti焊缝,加之H1Cr18Ni9Ti在焊接过程中的烧损,在不考虑元素间相互阻碍扩散这一特性下,可以推测,必然导致这些元素由热影响区向焊缝扩散,在熔合线附近产生弱化区,容易发生晶间腐蚀,不均匀组织和聚集物,造成1号,2号,4号在熔合区断裂。另外H1Cr18Ni9Ti蠕变性低于ER316,故一般不使用H1Cr18Ni9Ti焊丝焊接受热面管道。


    从碳当量角度来分析焊接性:TP347H、ER316L和H1Cr18Ni9Ti焊丝(0.26%≥C≥0.02%)使用碳当量公式计算求得:


    CEN( TP347) = 3.32; CEN( ER316L) = 2.70; CEN( H1Cr18Ni9Ti) = 2.461。


    评价两者焊接性,H1Cr18Ni9Ti焊丝较好,这点在实际焊接中已得到验证,熔池温度容易控制,ER316L熔化后相对粘性大。但根据前面分析论述,H1Cr18Ni9Ti焊接冶金及力学性能方面劣于ER316L,采用ER316L焊丝更好。


 d. 冲击断口形貌分析


    冲击断裂属于张开型断裂,冲击试件缺口是人为加工的裂纹源,在裂纹源起裂端,属于平面应变屈服区,在加工缺口过程中,使起裂端塑性区发生塑性变形,这样此区域脆性大大增加。如图所示,为准解理断裂,有明显解理台阶和河流花样,也有明显细小塑性韧芽。为韧窝断裂,表面呈撕裂韧窝,属于塑性断裂,并伴有孔洞和异相物。通过观察1号、2号、4号试件均为解理断裂。经过比较,ER316L焊缝塑性要好于H1Cr18Ni9Ti焊丝。通过对比6个试件的各项指标,5号试件最优,即在规定参数下,使用ER316L焊接,氩气保护得当,无根部氧化出现,热影响区不平衡组织较少,断口塑性断裂更明显,力学指标达到要求。


三、结论


   1. TP347H不锈钢焊接接头HAZ普遍存在析出MC型碳化物及δ相,这使得HAZ强度降低,并引起脆化,大电流试件更明显。另外,充氩方式不当,很容易在根部焊趾产生氧化裂纹。

   

  2. 裂纹源启裂端三向应力使脆性大大增加,起裂处为脆性断裂,中间断口为韧窝断裂,属脆性和塑性混合断裂。ER316L焊缝金属塑性比H1Cr18Ni9Ti要好。


  3. ER316L焊接冶金及力学性能方面优于H1Cr18Ni9Ti,故对TP347H不锈钢受热面管道的焊接更宜采用ER316L焊丝。


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