有问有答 | 不锈钢焊接

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问题
多年来,我们一直使用可编程式自动氩弧焊机对两个17-4PH管子的搭接环焊缝进行焊接,并且一直都很顺利。但是现在我们的焊接突然出了问题。原来我们对此环焊缝进行焊接时需要焊接两次,首先使用氩弧焊进行自熔焊接,当首道次焊接完成后立即采用填丝焊进行焊接盖面。首道自熔焊接时,通常焊缝较窄,熔深能够达到0.050英寸,但是现在我们焊接的时候首道自熔焊缝非常宽,并且熔深达不到理论的焊接要求。盖面焊缝也熔化的非常快,或者说比首层打底焊要快得多,焊缝易于向两侧铺展,而不是向下渗透。值得注意的是:两种材料均是17-4PH不锈钢。考虑到可能是母材的原因,我们将不同热处理批号的早期工件进行焊接,并与现在的新材料进行对比,结果发现早期的材料就能焊接的很好。您能为我们解释一下原因么?

回答
我觉得你们遇到了马兰戈尼效应。(马兰戈尼效应:由于两种表面张力不同的液体介面之间存在张力的梯度而使质量移动的现象。)在熔池中,表面张力可随温度升高而增加,也可以随温度升高而下降。据Heiple和Roper(参考文献1)的研究表明,熔池中硫含量的高低对表面张力梯度的方向具有较大的影响。

硫元素含量较高时,随着温度的上升,表面张力增加,因此在焊接过程中,熔池表面会产生由熔池边缘向熔池中心方向的对流。此时,电弧下部温度较高的金属会被向下驱动,从而产生较大的熔深。当硫含量较低时(<0.010%)时,表面张力反而会随着温度的升高而降低,使得熔池中的对流方向与前者相反,这时电弧下部的高温度液态金属就会向熔池边缘移动,导致焊缝较宽,同时熔深较浅。

早在20世纪70年代时候,不锈钢精炼厂引入了氩氧脱碳(AOD)技术,之后在不锈钢的氩弧焊焊接时,马兰戈尼效应曾一度困扰着人们。随着时间的推移,焊接技术人员可能早已忘记了这些。这主要是因为氩氧脱碳技术不仅能有效地从熔体中去除碳,而且还能有效除硫。我觉得你新批号的17-4PH不锈钢中硫含量非常低。你可以比较下你们不同批次的钢中硫元素的含量以及焊接熔深的情况,应该能找到你想得到的答案。

图1-含硫量较低的17-4PH不锈钢两道焊接头宏观形貌

图2-单道次低硫17-4PH不锈钢氩弧焊在使用活性剂后焊接接头宏观形貌
问题
经过我们化学成分检测发现,之前批号的17-4PH不锈钢的硫元素含量范围为0.024~0.027%,新批次的硫元素含量为0.0003%。这和您预测的是一样的。那么我们对于这种低硫含量的17-4PH不锈钢,应该如何来解决浅熔深问题呢?

回答
我建议你可以在焊接前在待焊表面先涂上一层活性熔深增强剂。在焊接过程中,这些细颗粒活性剂会悬浮在液体中。这些活性剂会随着温度的升高而使液体的表面张力梯度发生变化,从而促使焊接熔池表面的流体行为由低硫不锈钢模式转变为从熔池边缘向熔池中心形成对流的高硫不锈钢模式。

采用活性焊剂时,焊缝的熔深通常要比没有活性剂的大,在这里我就不给你推荐产品了,你在网上搜索”活性熔深增强焊剂“就可以找到相应的供应商。

可能有好多人对这一钢种和相关的焊接技术并不熟悉,实际上17-4PH是一种马氏体沉淀硬化不锈钢,名义成分为16%Cr,4%Ni和4%Cu。但是不管是哪种不锈钢,马兰戈尼效应都会影响这些钢种的高温流体行为,对于我熟悉的所有不锈钢种类,当硫元素含量较低时,都可以利用马兰戈尼效应和活性熔深增强剂来解决焊接熔深问题。

 

结论
本文的询问人员最终买到了活性熔深增强剂,并针对低硫的17-4PH不锈钢进行了使用活性剂和不用活性剂的氩弧焊焊接试验。

图1为未使用活性剂的双道次焊接,其中首道焊缝是母材的自熔焊,第二道添加焊丝。可以看出,焊缝熔宽较大,但是熔深较浅,即使在第二焊道焊完之后,焊接熔深仍然不够理想。

图2为使用活性熔深增强剂后的单道次自熔焊接。焊接条件与图1相同。从图中可以看出,此时焊缝熔深较大,焊缝表面凸起较少,焊缝熔深大于图1。在这样的焊接效果下,原本需要进行的第二道添丝焊就可以免去,从而节省了焊接时间和焊材。可以说,活性熔深增强剂非常适用于低硫的17-4PH不锈钢的氩弧焊接。

但是我们应该注意的是,使用渗透增强剂时会在焊缝表面出现焊剂残留。鉴于美观原因,焊后必须进行焊剂残留的清除工作,通常可以选用不锈钢丝刷进行打磨去除。

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.

作者简介
DAMIAN J. KOTECKI现任Damian Kotecki焊接咨询公司总裁。曾任IIW财务主管、AWS A5D不锈钢焊接材料委员会主席、D1K不锈钢焊接结构组委会成员、不锈钢和镍基合金WRC焊接组委会成员。同时他还是焊接及相关材料 A5委员会的前任主席,并在2005-2006年担任AWS总裁(2005-2006)。

译者:郑州机械研究所  秦建

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