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不锈钢焊缝中气孔形成机理研究及其进展

作者:admin 来源: 日期:2018/8/20 2:21:05 人气:8

以金红石型铬镍奥氏体不锈钢焊条焊缝为研究对象,以气泡浮出速度理论为基础,综合介绍了不锈钢焊缝中气孔形成机理研究的几种观点:药皮中水分影响理论、熔滴中非金属夹杂物影响理论、焊缝金属凝固模式影响理论和熔滴过渡形态影响理论,为后续研究及工程应用提供了必要的理论依据。

在不锈钢熔化焊接中,焊缝中气孔敏感性较大。从质量控制标准观点看,焊缝中出现成串或密集气孔时,由于承载截面积减小,使静载强度和疲劳强度明显降低;从合于使用标准观点看,除了表面气孔对疲劳强度不利之外,焊缝中的气孔对结构使用的有害影响较小。然而,从现场施工技术要求看,通常在较重要结构的焊缝中(GB/T1246990中Ⅰ、Ⅱ级焊缝)出现表面气孔是不容许的,换言之,在这类焊缝中出现表面气孔,常被判为不合格产品。由此可见,防止不锈钢焊缝中气孔的产生,是这类工程结构制造中的重要技术关键。随着焊接技术的进步,采用一定的工艺措施可以改善焊缝的抗气孔性。但是,这并不意味着已经完全消除了产生气孔的危险。在一些情况下,如用工艺性极好的金红石型不锈钢焊条(无论国产的还是国外名牌的)焊接时,焊缝中的气孔仍时有发生。这表明气孔生成机理的复杂性和未知性,同时也表明继续深入研究气孔生成机理的必要性和重要性。值得称道的是,在上个世纪60年代或更早时期,一些学者提出的“气泡浮出速度”理论,为焊缝中气孔形成机理研究奠定了坚实的基础。从那时以来,学者们对“焊缝中气孔形成机理”研究不仅没有停止,而且有了长足的进展,尤其是近年来一些学者提出“非金属夹杂物影响”及“焊缝金属凝固模式影响[8]”等理论,将焊缝中气孔形成机理研究推向一个崭新的阶段。本文以金红石型铬镍奥氏体不锈钢焊条焊缝为研究对象,以气泡浮出速度理论为基础,综合介绍不锈钢焊缝中气孔形成机理研究的几种观点和最新成果,为后续研究及工程应用提供必要的理论依据。

1气孔的特征和性质

铬镍奥氏体不锈钢焊缝中出现的气孔多为表面气孔,多数气孔单个出现,也有2个气孔串接出现的,但未发现密集性气孔。气孔的外观形态多呈喇叭口形,其尺寸大小不一,最大的直径达2.02.5mm,最小的直径只有零点几毫米,其中<0.51.5mm的数量居多。气孔在整条焊缝上的分布(1),从纵向看,有的在前段,有的在中段,有的在后段,也有跨区段的;从横向看,有的位于熔宽中心线附近,有的位于焊缝的熔合线附近。按照气孔形成特点,不锈钢焊缝中气孔可分为两种类型[8]:凝固收缩型气孔和气体逸出型气孔。收缩型气孔的内表面非常粗糙,逸出型气孔的内表面较为光滑。根据气孔的形态特征及形成特点,有关文献一致判定它的性质是氢致气孔。

2气孔形成机理研究的几种观点

2.1气泡浮出速度理论

该理论是早期气孔形成机理研究的经典理论,一直沿用到现在,仍不失其指导意义。该理论认为[13],焊缝中气孔的形成是冶金过程,它由气泡的生核、长大和上浮三个阶段组成。当液态金属中有过饱和的气体,熔池中存在大量现成表面时,气泡的生核就比较容易。当气泡内部的压力大于阻碍气泡长大的外界压力时,气泡就要长大,并趋向外逸。当气泡的浮出速度ve小于或等于焊缝的凝固速度R,就可能残留在焊缝中形成气孔。气泡的浮出速度ve随气泡半径r、液态金属与气泡密度差(ρ1-ρ2)的增加而增加,随液态金属粘度η增加而减小:ve=2(ρ1-ρ2)gr29η(1)式中:ve为气泡的浮出速度;ρ1为液态金属的密度;ρ2为气体的密度;g为重力加速度;r为气泡的半径;η为液态金属的粘度。分析表明,焊缝的凝固速度R越大,越不利于气泡的浮出,越易于引起气孔。气泡的半径r越大,液态金属的密度ρ1越大,液态金属的粘度η越小时,气泡的上浮速度ve也就越大,焊缝中就不易产生气孔。铬镍奥氏体不锈钢在液态时的粘度η比较大,影响气泡上浮速度ve,因此焊缝具有较大的气孔敏感性。

2.2药皮中水分影响理论

(1)金红石型不锈钢焊条气孔形成有三要素:①药皮的含水量高,进入熔池的氢总量较多;②电弧气氛中的氧化势较低,对氢的抑制作用较弱;③熔滴阶段的还原反应使硅向熔池中过渡,阻碍熔池中氢的逸出。上述三要素中,药皮的含水量是决定因素。(2)文献[9]针对直径4mm不锈钢焊条,提出药皮中水分影响理论:①药皮原始含水量小于0.35%,由于药皮中含水量很低,电弧下熔滴携带和进入熔池中氢的总量很少,气孔倾向小;②药皮原始含水量为0.4%0.6%,药皮中含水量增高,进入熔池中氢的总量增加了,如果氢的逸出条件较差时,很容易产生气孔;③药皮原始含水量大于1.5%,这时药皮中含水量属高水分,进入熔池中氢的总量更多,由于熔池激烈沸腾,气泡逸出条件改善,气孔倾向反而减小。(3)基于焊接过程中焊条药皮实际含水量变化,及其对气孔的影响规律,文献[9]还提出气孔沿焊缝方向移动规律(2):①如果在焊缝前段出现气孔,表明药皮原始含水量偏高,降低药皮含水量时,气孔部位将向左移;②假如在焊缝后段出现气孔,表明药皮原始含水量更高,继续增加药皮含水量,气孔部位将向右移动;③如果气孔出现在焊缝中段,增加药皮含水量,气孔部位将向右移动,减少药皮含水量,气孔部位将向左移动。上述气孔移动原理,为采用调整药皮含水量方法,有效防止气孔产生,提供了必要的理论依据。

2.3熔滴中非金属夹杂物影响理论

(1)早在上个世纪70年代初,文献[1]在研究气孔形成过程时,曾述及在液态焊缝金属内的非金属夹杂物上可能产生气孔,然而并未给出有力的试验依据和进一步的研究。20世纪70年代末,又有文献指出,非金属夹杂物也有利于接头中气孔的形成[4]。该文认为:①液态金属对非金属夹杂物表面的润湿性,比对晶体表面的润湿性小;②非金属夹杂物的尺寸对气泡润湿性的影响,表现为限制气泡润湿范围的增加,如果夹杂物尺寸较大,其半径超过1.52μm,气泡从此夹杂物分离的临界半径要比从晶体表面分离的临界半径大,此时,气泡从夹杂物分离的可能性降低,气孔发生的倾向增大了,另一方面,气泡从分散的、小尺寸的、半径不超过0.51μm的夹杂物表面分离,要比从晶粒表面分离发生的早,这就增大了焊缝的抗气孔性。(2)进入21世纪,有关非金属夹杂物对气孔影响的研究,进入了一个新时期。文献[57]首次将熔滴过渡与熔滴中夹杂物及焊缝中的气孔相联系,提出了熔滴中非金属夹杂物影响气孔产生的创新机理。该理论认为:①熔滴中的非金属夹杂物是熔滴过渡区化学反应的产物,它的形态呈圆球形,其直径大小不一,最大的直径超过100μm,最小的直径只有一点几微米。熔滴中夹杂物分布不均匀,熔滴中心附近的夹杂物数量很少,大多数位于熔滴边缘附近,熔滴中夹杂物数量比熔敷金属中高十几倍,夹杂物的尺寸亦比熔敷金属中的大得多;②熔滴中形成的非金属夹杂物与其吸附的氢同时进入熔池,在熔池中气泡长大和上浮过程中,尺寸较大的夹杂物对气泡上浮阻碍作用大,尺寸较小的、分散分布的夹杂物对气泡上浮阻碍作用较小;③熔滴中的非金属夹杂物数量越多,吸附的氢也越多,对气泡的上浮阻碍作用越大,焊缝中气孔倾向就大,反之,非金属夹杂物数量越少,气孔倾向就越小;④熔滴尺寸与非金属夹杂物数量及气孔倾向之间有以下关系,细熔滴中生成的夹杂物数量较多,气孔倾向较大,反之,粗熔滴中夹杂物数量较少,气孔倾向较小;⑤金红石型药皮中硅铝酸盐组成物含量较高,在熔滴过渡阶段发生的渗硅增氧反应,一方面使熔滴中生成了数量可观的夹杂物,另一方面还导致熔滴和焊缝的严重增硅,熔池中大量的非金属夹杂物以及表面活性元素硅,都对熔池中气泡上浮逸出起阻碍作用,因此,这类焊条焊缝中的气孔敏感性较大。

2.4焊缝金属凝固模式影响理论

上个世纪70年代以来,相继有学者认为,焊缝气孔的产生与铬镍奥氏体不锈钢焊缝凝固过程、组织变化有联系,提出了与众不同的“焊缝金属凝固模式影响”理论[8]。所谓焊缝金属凝固模式,是指焊缝结晶初生领先相是γ还是δ。可用Cr-Ni伪二元相图(3)来讨论,合金①的结晶初生相为δ,其凝固模式用F表示。合金②的结晶初生相仍为δ,但越过AB面后又依次发生包晶和共晶反应:L+δ→L+δ+γ→L+γ。这种凝固模式用FA表示。合金③的结晶初生相为γ,越过AC面后依次发生:L+γ→L+γ+δ→γ+δ。这种凝固模式用AF表示。合金④的结晶初生相为γ,直到凝固结束,以至室温不再相变。这种凝固模式用A表示。文献[10]指出:在焊缝的胞状结晶组织中,结晶前沿相对光滑,且具有长而深的熔化金属凹区。在此凹区中,当δ为先析出相结晶时,氢含量可达到40×10-645×10-6,这一数值超过了氢的溶解度20×10-6,这很可能导致气孔生核。当γ为先析出相结晶时,氢含量为25×10-6,该数值并未超过氢的饱和值。因此得出结论:δ为初生相结晶与γ为初生相结晶相比,其焊缝更容易导致气孔形成。

焊缝金属的凝固模式,可以用铬镍当量比值Creq/Nieq来确定,CreqNieq的计算式为[10]:Creq=Cr+1.37Mo+1.5Si+2Nb+3Ti(2)Nieq=Ni+0.31Mn+22C+14.2N+Cu(3)Creq/Nieq<1.55,焊缝是γ为初生相凝固模式,焊缝气孔倾向小;Creq/Nieq>1.55,焊缝是δ为初生相凝固模式,焊缝气孔倾向大。可以看出,焊缝金属合金系统的变化,引起铬镍当量比值Creq/Nieq的变化,从而导致焊缝结晶初生领先相的变化,最终影响气孔倾向变化。由此推测,控制引起焊缝合金系统变化的冶金或工艺因素,使焊缝中Creq/Nieq<1.55,就有可能控制铬镍奥氏体不锈钢焊缝中气孔倾向。

2.5熔滴过渡形态影响理论

上个世纪80年代初,对不锈钢焊条开展的研究发现,焊条的熔滴过渡形态对工艺性能有重要影响,具有世界先进水平的名牌不锈钢焊条,其熔滴均呈渣壁过渡形态。因此认为,实现渣壁过渡形态是改善不锈钢焊条综合工艺性能的关键条件。20世纪90年代后期,有报道指出,不锈钢焊条熔滴过渡形态与工艺性能之间的关系比较复杂:细熔滴渣壁过渡时,焊条的工艺性能虽然很好,然而气孔倾向较大;粗熔滴过渡时,工艺性能较差,气孔倾向却较小。为此,文献[11]首次将焊条的熔滴过渡特性与气孔相联系,探讨它们之间的关系,提出了过渡形态影响理论:①电弧中熔滴吸收氢的总量是气孔形成的主导因素,细熔滴渣壁过渡时,熔滴的比表面积大,在电弧中吸收的氢量多,进入熔池中的氢总量多,当氢的逸出条件差时,极易形成气孔,反之,粗熔滴过渡时,熔滴的比表面积小,熔滴吸收的氢量少,进入熔池中的氢总量少,气孔倾向小;②促使熔滴细化的药皮组成物,含量多时气孔倾向增大,促使熔滴粗化的药皮组成物,含量多时气孔倾向减小;③对熔滴尺寸影响不大的药皮组成物,含量多时气孔倾向主要取决于进入熔池中的氢总量,以及熔池中氢的逸出条件。基于熔滴过渡形态影响原理,文献[12]提出了熔滴的准渣壁过渡概念及其形成条件。所谓准渣壁过渡是在渣壁过渡的前提下,适当调整熔滴的粒度比,使细熔滴与粗熔滴数达到一定比例。一定比例的粗熔滴,在电弧中吸收的氢量较少,进入熔池中的氢总量少,使气孔倾向减小。在此基础上,文献[13]推出了一种双层药皮不锈钢焊条,它的内层药皮渣碱度很小,外层药皮渣碱度略大。利用内外层药皮的不同特性,实现了准渣壁过渡形态,使焊条具有良好的工艺性和抗气孔性。双层药皮不锈钢焊条的良好工艺质量,有力地显示了“熔滴过渡形态影响理论”的实用价值。

3结束语

根据气孔的形态特征及形成特点,有关文献一致判定它的性质是氢致气孔。然而对气孔的形成机理研究却出现了多种理论。可以看出,这几种理论之间不仅不矛盾,而且形成了互为补充、完善及发展的关系。(1)气泡浮出速度理论作为气孔形成机理原创性经典理论,以其严谨的科学性和前瞻性保持了它的学术地位,以致于多年以后出现的若干理论,均建立在它的基础上。(2)药皮中水分影响理论、熔滴中非金属夹杂物影响理论、焊缝金属凝固模式影响理论及以及熔滴过渡形态影响理论,它们从不同的视角提出了更加细化的、带有局部创新的理论,把气孔形成机理研究推向了一个崭新阶段。(3)关于气孔形成机理研究,还有许多工作要做。随着测试及相关技术的进步和完善,在一些未知的、关键过程机制研究方面,一定会取得突破性的进展。