Đặc điểm hàn của thép không gỉ austenitic và lựa chọn que hàn

Thép không gỉ austenit có khả năng hàn tốt và hiện đang được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp. Nhìn chung, không cần các biện pháp công nghệ đặc biệt trong quá trình hàn. Bài báo này phân tích chi tiết về sự xuất hiện của các vết nứt nóng, ăn mòn liên hạt, nứt ăn mòn ứng suất, giòn mối hàn (giòn nhiệt độ thấp, giòn pha sigma, giòn đường nóng chảy) nguyên nhân và biện pháp phòng ngừa,

Thông qua phân tích lý thuyết và thực hành về đặc điểm hàn, các nguyên tắc lựa chọn và phương pháp lựa chọn điện cực cho thép không gỉ austenit khi hàn các vật liệu khác nhau và trong các điều kiện môi trường làm việc khác nhau được giới thiệu.

Thép không gỉ ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các ngành hàng không, dầu mỏ, hóa chất và năng lượng nguyên tử. Thép không gỉ được chia thành thép không gỉ crom, thép không gỉ crom-niken theo thành phần hóa học và thép không gỉ ferritic, thép không gỉ martensitic, thép không gỉ austenitic và thép không gỉ duplex austenitic-ferritic.

Trong số các loại thép không gỉ, thép không gỉ austenit (thép không gỉ loại 18-8) có khả năng chống ăn mòn tốt hơn các loại thép không gỉ khác; độ bền của nó thấp hơn nhưng độ dẻo và độ bền của nó rất tuyệt vời; hiệu suất hàn của nó tốt và chủ yếu được sử dụng cho các thùng chứa hóa chất, thiết bị và Đây là loại thép không gỉ được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp hiện nay.

Mặc dù thép không gỉ austenit có nhiều ưu điểm, nhưng nếu quy trình hàn không chính xác hoặc vật liệu hàn không phù hợp thì sẽ xảy ra nhiều khuyết tật, ảnh hưởng đến hiệu suất.

Đặc điểm hàn của thép không gỉ austenit

• Dễ bị nứt do nhiệt

Các vết nứt nóng của thép không gỉ austenit tương đối dễ tạo ra khuyết tật trong quá trình hàn, bao gồm các vết nứt dọc và ngang của mối hàn, vết nứt gờ, vết nứt gốc của mối hàn lót và vết nứt giữa các lớp của mối hàn nhiều lớp, v.v., đặc biệt là khi hàm lượng niken tương đối cao. Thép không gỉ austenit cao dễ sản xuất hơn.

1. Nguyên nhân

(1) Các vạch pha lỏng và pha rắn của thép không gỉ austenit có khoảng cách lớn, thời gian kết tinh dài và định hướng tinh thể austenit một pha mạnh nên sự phân tách tạp chất tương đối nghiêm trọng.

(2) Độ dẫn nhiệt nhỏ và hệ số giãn nở tuyến tính lớn, sẽ tạo ra ứng suất hàn bên trong lớn (thường là ứng suất kéo của mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt) trong quá trình hàn.

(3) Các thành phần trong thép không gỉ austenit như C, S, P, Ni, v.v. sẽ tạo thành eutectic có điểm nóng chảy thấp trong vũng nóng chảy. Ví dụ, điểm nóng chảy của Ni3S2 do S và Ni tạo thành là 645 độ, trong khi điểm nóng chảy của eutectic Ni-Ni3S2 chỉ là 625 độ.

2. Các biện pháp phòng ngừa

(1) Sử dụng mối hàn cấu trúc hai pha để làm cho kim loại mối hàn thành cấu trúc hai pha austenit và ferit càng nhiều càng tốt, và kiểm soát hàm lượng ferit dưới 3 đến 5%, có thể làm nhiễu hướng của tinh thể cột austenit. tinh chế hạt. Và ferit có thể hòa tan nhiều tạp chất hơn austenit, do đó làm giảm sự phân tách eutectic nóng chảy thấp trong ranh giới hạt austenit.

(2) Biện pháp quy trình hàn Trong quy trình hàn, cố gắng sử dụng điện cực chất lượng cao có lớp phủ kiềm, sử dụng năng lượng đường hàn nhỏ, dòng điện nhỏ, hàn nhanh không dao động, cố gắng lấp đầy hố hồ quang ở cuối và sử dụng hàn hồ quang argon để hàn đáy, v.v. Giảm ứng suất hàn và vết nứt hố.

(3) Kiểm soát thành phần hóa học Hạn chế nghiêm ngặt hàm lượng tạp chất như S, P trong mối hàn để giảm điểm nóng chảy eutectic thấp.

• Ăn mòn giữa các hạt

Sự ăn mòn xảy ra giữa các hạt, dẫn đến mất liên kết giữa các hạt, mất gần như hoàn toàn độ bền và nứt dọc theo ranh giới hạt khi chịu ứng suất.

1. nguyên nhân

Theo lý thuyết về sự cạn kiệt của crom, khi mối hàn và vùng chịu nhiệt được nung nóng đến nhiệt độ nhạy cảm từ 450 đến 850 độ (vùng nhiệt độ nguy hiểm), do bán kính nguyên tử lớn của Cr, tốc độ khuếch tán nhỏ và cacbon quá bão hòa có xu hướng tạo thành các hạt austenit. Ranh giới khuếch tán và tạo thành Cr23C6 tại ranh giới hạt với hợp chất crom tại ranh giới hạt, dẫn đến ranh giới hạt có crom kém, không đủ để chống ăn mòn.

2. Các biện pháp phòng ngừa

(1) Kiểm soát hàm lượng cacbon

Sử dụng vật tư hàn thép không gỉ có hàm lượng carbon thấp hoặc carbon cực thấp (W(C) Nhỏ hơn hoặc bằng 0.03%). Chẳng hạn như A002, v.v.

(2) Thêm chất ổn định

Thêm Ti, Nb và các nguyên tố khác có ái lực với C mạnh hơn Cr trong thép và vật liệu hàn có thể kết hợp với C để tạo thành cacbua ổn định, do đó tránh được sự cạn kiệt crom ở ranh giới hạt austenit. Thép không gỉ và vật liệu hàn thường dùng có chứa Ti, Nb, chẳng hạn như thép 1Cr18Ni9Ti, 1Cr18Ni12MO2Ti, điện cực E347-15, dây hàn H0Cr19Ni9Ti, v.v.

(3) Áp dụng tổ chức hai chiều

Một lượng nhất định các nguyên tố hình thành ferit, như Cr, Si, AL, MO, v.v., được làm nóng chảy vào mối hàn bằng dây hàn hoặc điện cực, do đó mối hàn được hình thành thành cấu trúc pha kép austenit + ferit, vì Cr ở Tốc độ khuếch tán trong ferit nhanh hơn tốc độ khuếch tán trong austenit, do đó Cr khuếch tán đến ranh giới hạt nhanh hơn trong ferit, làm giảm hiện tượng cạn kiệt crom trong ranh giới hạt austenit. Nói chung, hàm lượng ferit trong kim loại mối hàn được kiểm soát ở mức 5% đến 10%. Nếu có quá nhiều ferit, mối hàn sẽ trở nên giòn.

(4) Làm mát nhanh

Do thép không gỉ austenit không gây ra hiện tượng cứng nên trong quá trình hàn, bạn có thể thử tăng tốc độ làm mát của mối hàn, chẳng hạn như làm mát bằng tấm đồng lót hoặc tưới nước trực tiếp dưới mối hàn.

Trong quá trình hàn, có thể sử dụng các biện pháp như dòng điện thấp, tốc độ hàn cao, hồ quang ngắn và hàn nhiều lần để rút ngắn thời gian mối hàn ở vùng nhiệt độ nguy hiểm, nhằm tránh hình thành vùng cạn kiệt crom.

(5) Tiến hành xử lý dung dịch hoặc xử lý nhiệt đồng nhất. Sau khi hàn, nung nóng mối hàn đến 1050-1100 độ, để các cacbua được hòa tan lại thành austenit, sau đó làm nguội nhanh để tạo thành cấu trúc austenit một pha ổn định.

Ngoài ra, cũng có thể tiến hành xử lý nhiệt đồng nhất ở nhiệt độ 850-900 trong 2 giờ. Lúc này, Cr trong các hạt austenit khuếch tán đến ranh giới hạt, hàm lượng Cr ở ranh giới hạt lại đạt trên 12%, do đó không hình thành hạt bị ăn mòn.

• Nứt do ăn mòn ứng suất

Hư hỏng do ăn mòn kim loại dưới tác động kết hợp của ứng suất và môi trường ăn mòn. Theo các trường hợp nứt do ăn mòn ứng suất và các nghiên cứu thực nghiệm về thiết bị và bộ phận bằng thép không gỉ, có thể coi rằng dưới tác động kết hợp của ứng suất kéo tĩnh nhất định và môi trường điện hóa cụ thể ở nhiệt độ nhất định, thép không gỉ hiện có có khả năng tạo ra ăn mòn ứng suất.

Một trong những đặc điểm lớn nhất của ăn mòn ứng suất là tính chọn lọc trong sự kết hợp của các phương tiện ăn mòn và vật liệu. Dễ gây ra ăn mòn ứng suất của thép không gỉ austenit, chủ yếu là axit clohydric và clorua chứa các ion clorua, cũng như axit sunfuric, axit nitric, hydroxit (kiềm), nước biển, hơi nước, dung dịch nước H2S, dung dịch nước NaHCO3+NH3+NaCl đậm đặc và các phương tiện khác Chờ.

1. Nguyên nhân

Nứt ăn mòn ứng suất là hiện tượng nứt chậm xảy ra khi mối hàn chịu ứng suất kéo trong môi trường ăn mòn cụ thể. Nứt ăn mòn ứng suất của mối hàn thép không gỉ austenit là dạng hỏng hóc nghiêm trọng của mối hàn, biểu hiện là hỏng giòn mà không có biến dạng dẻo.

2. Các biện pháp phòng ngừa

(1) Xây dựng hợp lý quy trình tạo hình và quy trình lắp ráp để giảm thiểu mức độ biến dạng khi gia công nguội, tránh lắp ráp cưỡng bức và ngăn ngừa các loại sẹo trong quá trình lắp ráp (các loại sẹo lắp ráp và vết cháy hồ quang sẽ trở thành nguồn nứt của SCC, dễ gây ra ăn mòn. rỗ.

(2) Lựa chọn vật liệu hàn hợp lý Đường hàn và kim loại nền phải có sự kết hợp tốt, không có cấu trúc xấu nào, chẳng hạn như hạt thô và martensit cứng và giòn.

(3) Áp dụng quy trình hàn thích hợp để đảm bảo mối hàn được định hình tốt và không tạo ra bất kỳ sự tập trung ứng suất hoặc khuyết tật rỗ nào, chẳng hạn như cắt dưới, v.v., áp dụng trình tự hàn hợp lý để giảm mức ứng suất dư hàn. Ví dụ, tránh hàn chéo, thay đổi rãnh hình chữ Y thành rãnh hình chữ X, giảm góc rãnh thích hợp, sử dụng mối hàn ngắn và sử dụng năng lượng đường nhỏ.

(4) Xử lý nhiệt sau hàn để xử lý giảm ứng suất, chẳng hạn như ủ hoàn toàn hoặc ủ sau khi hàn; búa sau hàn hoặc phun bi được sử dụng khi xử lý nhiệt khó thực hiện.

(5) Biện pháp quản lý sản xuất để kiểm soát tạp chất trong môi trường, chẳng hạn như O2, N2, H2O, v.v. trong môi trường amoniac lỏng, H2S trong khí dầu mỏ hóa lỏng, O2, Fe3+, Cr6+, v.v. trong dung dịch clorua, xử lý chống ăn mòn: chẳng hạn như lớp phủ, lớp lót hoặc bảo vệ catốt, v.v., thêm chất ức chế ăn mòn.

• Sự giòn của mối hàn

Sau khi mối hàn thép không gỉ austenit được nung ở nhiệt độ cao trong một khoảng thời gian, hiện tượng độ bền va đập sẽ giảm đi, đây gọi là sự giòn.

1. Giòn ở nhiệt độ thấp của kim loại hàn (giòn ở 475 độ)

(1) Nguyên nhân

Cấu trúc hàn hai pha chứa nhiều pha ferit hơn (hơn 15% đến 20%), sau khi nung ở nhiệt độ 350 đến 500 độ, độ dẻo và độ dai sẽ giảm đáng kể. Vì tốc độ giòn nhanh nhất ở 475 độ, nên được gọi là giòn 475 độ.

Đối với mối hàn bằng thép không gỉ austenit, khả năng chống ăn mòn hoặc chống oxy hóa không phải lúc nào cũng là đặc tính quan trọng nhất, nhưng khi sử dụng ở nhiệt độ thấp, độ dẻo của kim loại hàn sẽ trở thành đặc tính quan trọng.

Để đáp ứng yêu cầu về độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp, kết cấu hàn thường hy vọng đạt được một kết cấu austenit đơn để tránh sự tồn tại của delta ferit. Sự xuất hiện của delta ferit luôn làm giảm độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp, và hàm lượng càng nhiều thì sự giòn hóa này càng nghiêm trọng.

(2) Biện pháp phòng ngừa

①Trên cơ sở đảm bảo khả năng chống nứt và chống ăn mòn của kim loại mối hàn, pha ferit phải được kiểm soát ở mức thấp, khoảng 5%.

②Các mối hàn bị giòn ở nhiệt độ 475 độ có thể được loại bỏ bằng cách làm nguội ở nhiệt độ 900 độ.

2. Sự giòn pha Sigma của mối hàn

(1) Nguyên nhân

The long-term use of austenitic stainless steel welded joints in the temperature range of 375 to 875 ° C will produce an inter-FeCr compound called σ phase. The σ phase is hard and brittle (HRC>68).

Do sự kết tủa của pha σ, độ dẻo va đập của mối hàn giảm mạnh, được gọi là sự giòn pha σ. Pha σ thường chỉ xuất hiện trong mối hàn kết cấu pha kép; khi nhiệt độ làm việc vượt quá 800 ~ 850 độ, pha σ cũng sẽ kết tủa trong mối hàn austenit pha đơn.

(2) Biện pháp phòng ngừa

①Hạn chế hàm lượng ferit trong kim loại hàn (dưới 15%); sử dụng vật liệu hàn siêu hợp kim, tức là vật liệu hàn có hàm lượng niken cao và kiểm soát chặt chẽ hàm lượng Cr, Mo, Ti, Nb và các nguyên tố khác.

② Áp dụng thông số kỹ thuật nhỏ để giảm thời gian lưu trú của kim loại hàn ở nhiệt độ cao

③ Pha σ đã kết tủa được đưa vào xử lý dung dịch rắn khi điều kiện cho phép để pha σ được hòa tan thành austenit.

④Nung nóng mối hàn đến 1000-1050 độ, sau đó làm nguội nhanh. Pha σ thường không được tạo ra trong thép 1Cr18Ni9Ti.

3. Đường hàn giòn

(1) Nguyên nhân

Khi thép không gỉ austenit được sử dụng trong thời gian dài ở nhiệt độ cao, hiện tượng gãy giòn sẽ xảy ra dọc theo một vài hạt bên ngoài đường nóng chảy.

(2) Các biện pháp phòng ngừa và kiểm soát

Việc bổ sung Mo vào thép có thể cải thiện khả năng chống gãy giòn ở nhiệt độ cao của thép.

Qua phân tích trên, chỉ có lựa chọn hợp lý các biện pháp quy trình hàn hoặc vật liệu hàn nêu trên mới có thể tránh được các khuyết tật hàn nêu trên. Thép không gỉ austenit có khả năng hàn tuyệt vời và hầu như tất cả các phương pháp hàn đều có thể sử dụng để hàn thép không gỉ austenit.

Trong số các phương pháp hàn khác nhau, hàn hồ quang điện cực có ưu điểm là thích ứng với nhiều vị trí và độ dày tấm khác nhau, được sử dụng rộng rãi. Sau đây tập trung phân tích các nguyên tắc và phương pháp lựa chọn điện cực thép không gỉ austenit theo các mục đích sử dụng khác nhau.

Những điểm chính để lựa chọn điện cực cho thép không gỉ austenit

Thép không gỉ chủ yếu được sử dụng để chống ăn mòn, nhưng cũng được sử dụng làm thép chịu nhiệt và thép chịu nhiệt độ thấp. Do đó, khi hàn thép không gỉ, hiệu suất của điện cực phải phù hợp với mục đích của thép không gỉ. Điện cực thép không gỉ phải được lựa chọn theo kim loại cơ bản và điều kiện làm việc (bao gồm nhiệt độ làm việc và môi trường tiếp xúc, v.v.).

(1) Điểm 1

Nói chung, việc lựa chọn điện cực có thể tham khảo vật liệu của kim loại cơ bản và lựa chọn điện cực có thành phần giống hoặc tương tự như kim loại cơ bản. Chẳng hạn như: A102 tương ứng với 0Cr18Ni9, A137 tương ứng với 1Cr18Ni9Ti.

(2) Điểm 2

Do hàm lượng cacbon có ảnh hưởng lớn đến khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ, nên điện cực thép không gỉ có hàm lượng cacbon của kim loại lắng đọng không cao hơn hàm lượng cacbon của kim loại nền thường được lựa chọn. Chẳng hạn như 316L phải sử dụng điện cực A022.

(3) Điểm 3

Kim loại hàn của thép không gỉ austenit phải đảm bảo các tính chất cơ học. Điều này có thể được xác minh bằng cách thẩm định quy trình hàn.

(4) Điểm 4 (Thép chịu nhiệt Austenit)

Đối với thép không gỉ chịu nhiệt (thép chịu nhiệt austenit) làm việc ở nhiệt độ cao, điện cực được chọn chủ yếu phải đáp ứng được khả năng chống nứt nóng của kim loại mối hàn và hiệu suất nhiệt độ cao của mối hàn.

1. Đối với thép chịu nhiệt austenit có Cr/Ni lớn hơn hoặc bằng 1, chẳng hạn như 1Cr18Ni9Ti, v.v., thường sử dụng điện cực thép không gỉ austenit-ferritic và nên sử dụng kim loại hàn chứa 2-5% ferit. Khi hàm lượng ferit quá thấp, khả năng chống nứt của kim loại hàn kém; nếu quá cao, dễ hình thành pha giòn sigma trong quá trình sử dụng lâu dài ở nhiệt độ cao hoặc xử lý nhiệt, dẫn đến nứt.

Chẳng hạn như A002, A102, A137. Trong một số ứng dụng đặc biệt, khi có thể yêu cầu tất cả kim loại hàn austenit, chẳng hạn như điện cực A402, A407, v.v. có thể được sử dụng.

2. Đối với thép chịu nhiệt austenit ổn định có Cr/Ni<1, such as Cr16Ni25Mo6, etc., it is generally necessary to increase the Mo, W, Mn in the weld metal while ensuring that the chemical composition of the weld metal is approximately similar to that of the base metal. The content of such elements can improve the crack resistance of the weld while ensuring the thermal strength of the weld metal. Such as using A502, A507.

(5) Điểm 5 (thép không gỉ chống ăn mòn)

Đối với thép không gỉ chống ăn mòn làm việc trong các môi trường ăn mòn khác nhau, điện cực phải được lựa chọn theo môi trường và nhiệt độ làm việc, đồng thời phải đảm bảo khả năng chống ăn mòn của điện cực (thực hiện thử nghiệm hiệu suất ăn mòn của mối hàn).

1. Đối với môi trường có nhiệt độ làm việc trên 300 độ và có tính ăn mòn mạnh, phải sử dụng điện cực có chứa thành phần ổn định Ti hoặc Nb hoặc thép không gỉ cacbon cực thấp. Chẳng hạn như A137 hoặc A002, v.v.

2. Đối với môi trường chứa axit sunfuric loãng hoặc axit clohydric, thường sử dụng điện cực thép không gỉ chứa Mo hoặc Mo và Cu, chẳng hạn như: A032, A052, v.v.

3. Đối với thiết bị có khả năng ăn mòn yếu hoặc chỉ để tránh ô nhiễm rỉ sét, có thể sử dụng điện cực thép không gỉ không có Ti hoặc Nb. Để đảm bảo khả năng chống ăn mòn ứng suất của kim loại hàn, vật tư hàn siêu hợp kim được sử dụng, nghĩa là hàm lượng các nguyên tố hợp kim chống ăn mòn (Cr, Ni, v.v.) trong kim loại hàn cao hơn hàm lượng của kim loại nền. Ví dụ, sử dụng vật liệu hàn loại 00Cr18Ni12Mo2 (như A022) để hàn các mối hàn 00Cr19Ni10.

(6) Điểm 6

Đối với thép không gỉ austenit làm việc trong điều kiện nhiệt độ thấp, độ bền va đập nhiệt độ thấp của mối hàn ở nhiệt độ sử dụng phải được đảm bảo, do đó sử dụng điện cực austenit tinh khiết. Chẳng hạn như A402, A407.

(7) Điểm 7

Điện cực hợp kim gốc niken cũng có sẵn. Ví dụ, thép không gỉ siêu austenit loại Mo6 được hàn bằng vật liệu hàn gốc niken với Mo lên đến 9%.

(8) Điểm 8: Lựa chọn loại lớp phủ điện cực

1. Vì bản thân kim loại hàn thép austenit pha kép chứa một lượng ferit nhất định nên có độ dẻo và độ dai tốt. Xét về khả năng chống nứt kim loại hàn, lớp phủ cơ bản và điện cực phủ loại canxi titan được so sánh. Sự khác biệt không đáng kể như đối với điện cực thép cacbon. Do đó, trong các ứng dụng thực tế, người ta chú ý nhiều hơn đến hiệu suất quy trình hàn và hầu hết các điện cực có mã loại lớp phủ 17 hoặc 16 (như A102A, A102, A132, v.v.) đều được sử dụng.

2. Chỉ khi độ cứng kết cấu rất cao hoặc khả năng chống nứt của kim loại mối hàn kém (như một số thép không gỉ crom martensitic, thép không gỉ crom-niken austenit nguyên chất, v.v.), mới có thể cân nhắc lựa chọn mã lớp phủ 15. Điện cực thép không gỉ phủ cơ bản (như A107, A407, v.v.).

Kết luận

Tóm lại, hàn thép không gỉ austenit có những đặc điểm riêng, và việc lựa chọn điện cực hàn cho thép không gỉ austenit đặc biệt đáng chú ý. Thực tế lâu dài đã chứng minh rằng các biện pháp trên có thể được sử dụng để đạt được các mối hàn khác nhau cho các vật liệu khác nhau. Phương pháp và điện cực của các vật liệu khác nhau, điện cực thép không gỉ phải được lựa chọn theo kim loại cơ bản và điều kiện làm việc (bao gồm nhiệt độ làm việc và môi trường tiếp xúc, v.v.). Nó có ý nghĩa hướng dẫn tốt đối với chúng tôi, để có thể đạt được chất lượng hàn mong muốn.