超低温下高韧性奥氏体不锈钢焊缝裂纹分析与控制

2022-03-31金东发冯锦娟毕大青

焊管 2022年3期

关键词：奥氏体晶粒结晶

0 前言

奥氏体不锈钢具有良好的耐蚀性、低温韧性和力学性能，已被广泛应用于食品、医疗器械、石油、化工和原子能等领域

。从理论上讲，奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢和马氏体不锈钢相比，具有良好的焊接性，但这并不意味着在所有情况下奥氏体不锈钢都能轻松地获得良好的焊接质量。通常奥氏体不锈钢的焊缝金属中含有一定量的铁素体相，可避免焊接热裂纹的产生

，但随着奥氏体不锈钢焊缝中铁素体含量的增加，会导致焊缝的低温冲击韧性逐渐恶化

。因此，对于超低温工况下使用的厚壁奥氏体不锈钢设备，为了使焊缝具有较高的冲击韧性，如何避免焊接热裂纹的出现尤为关键。因此，本研究基于实际项目中出现的问题进行了分析和总结，供技术人员借鉴。

本研究中,观察组患者在治疗中结合针对性护理干预能够有效改善患者的治疗效果,差异显著(P<0.05),同时护理干预针对性改善神经功能缺损状况,差异显著(P<0.05)。因此,在急性脑血栓患者的临床治疗中实施针对性护理干预能够有效改善患者的早期治疗效果,同时改善神经功能状况,值得在临床治疗中推广应用。

1 工程案例

某近海天然气项目的设备需按ASME 规范、DNV 近海标准及项目技术要求进行制造。该批设备的材料为SA-240 316/316L，工作介质为碳氢化合物。其中，重型分离器设备的直径为2 500 mm，筒体的壁厚为80 mm，设计压力为7.7 MPa，最低设计金属壁温为-188 ℃。项目总体要求为： ①需结合ASME 规范及DNV 近海标准重新进行焊接工艺评定； ②焊接工艺评定需在-196 ℃下进行低温冲击试验，焊缝冲击功平均值不得低于60 J； ③焊缝铁素体数量为3～8 FN；④焊接材料牌号需与焊接工艺评定相同。

项目涉及的焊接方法主要包括钨极氩弧焊（GTAW）、焊条电弧焊（SMAW）及埋弧焊（SAW）。经多方调研，焊接材料总体无法满足-196 ℃下焊缝冲击功平均值≥60 J 的要求，只有个别焊材厂家能够保证在GTAW 下的焊缝冲击功勉强达到此项目的技术要求，因此无法满足后期产品的焊接需求。多次与客户及焊接材料厂家沟通后，决定将焊缝的冲击功指标降低至平均值≥45 J，最终选择的焊接材料满足了该技术要求。产品焊接前，按ASME IX 标准、 DNV 近海标准及项目技术要求进行了焊接工艺评定，焊接工艺评定结果合格，焊缝金属铁素体数量为4.3～5.4 FN， -196 ℃下焊缝冲击功为43～95 J，且GTAW 方法下的焊缝冲击功稍高于其它两种焊接方法。该项目最先焊接壁厚≤20 mm 的产品，纵、环缝采用的焊接方法是SAW，未发现任何问题，但在焊接80 mm 的厚壁设备时，双面坡口对接焊缝正面打底焊及背面清根后的前几层焊道出现了断续的、沿焊缝中心的纵向裂纹，如图1 所示。

通过裂纹产生的时机、位置及形态可以判断该裂纹是一种焊接热裂纹。奥氏体不锈钢的焊接热裂纹主要有三种，分别为结晶裂纹、液化裂纹及多边化裂纹。根据三种裂纹的形成机理及特征，不难判断出图1 的焊接热裂纹为结晶裂纹。针对该裂纹，对问题焊道进行排查，排查结果见表1。由于采用的手提式PMI 设备只能对材料主要化学成分进行定性分析，对S、 P 等微量元素不能准确定量。因此，分别对母材（按ASME II-Part A）及焊材（按ASME II-Part C，采用堆焊方式）中S、 P 等微量元素的成分进行了复验，复验结果合格，但堆焊焊道熔覆金属中的P元素已接近标准要求的上限。

增加坡口宽度及角度，特别是坡口根部区域，尽量逐层多道焊接，只熔合坡口一侧母材或如同表面堆焊形式的焊接，从而改善焊道的熔合比及受力状态。因为正常的坡口根部角度很小，单道焊接时焊缝金属会与坡口两侧母材互相熔合，增加焊缝熔合比，从而导致焊缝中杂质元素增多；同时从焊缝的受力状态考虑，由于熔深较大的对接焊缝的收缩应力基本垂直于杂质聚集的结晶面，从降低焊缝中心结晶裂纹倾向的因素考虑，表面堆焊和熔深较浅的对接焊缝抗裂性较好

。

2 焊缝结晶裂纹的形成机理

采用小电流短弧焊接方法，降低焊接热输入。焊接热输入的降低，会降低熔池的温度，便于减少杂质元素的偏析；也会提高焊道冷却速度，从而改善奥氏体不锈钢焊道中的铁素体含量；同时会减少焊道的填充量，进而降低结晶凝固时的应变量。所以热输入的降低，有利于降低结晶裂纹的敏感性

。

采用小电流焊接，减小熔深，适当提高焊缝成型系数。这是因为焊缝成型系数会影响枝晶成长方向和晶界的偏析情况，当焊缝成型系数较小时，最后凝固的枝晶会和面因晶粒对向生长而成为杂质严重析出的部位，最易形成结晶裂纹

。

卡尔曼滤波是一种最优估算算法，通过利用线性系统状态方程以及系统的输入和输出观测数据，来达到最优估算的目的。卡尔曼滤波可有效的过滤观测信号中的噪声，且应用条件宽泛，能够在平均的意义上，对真实信号进行估计，并且能够将误差降至最小。因此，在卡尔曼滤波算法问世以来，无论是在通信领域还是电路系统中都得到了广泛的应用。在图像处理的应用中，卡尔曼滤波可对受噪声影响而导致产生模糊的图像进行复原操作。在假定了噪声的某些统计性质后，卡尔曼的算法就可以以递推的方式对模糊图像进行处理，从而得到真实的图像，可以复原原本模糊的图像。

总的来说，结晶裂纹是在凝固结晶的后期，低熔点相在初次结晶晶界偏聚从而形成低熔点的液态薄膜，液态薄膜强度低且应变集中，同时变形能力很差，在厚板焊缝金属冷却收缩所引起的较大拉应力下形成裂纹。即结晶裂纹的形成需要两个条件：一是焊接熔池中存在一定数量的低熔点共晶体；二是焊接金属在结晶过程中必须产生足够的应变。

3 焊缝结晶裂纹的预防措施

目前，外泌体的提取方法主要有差速离心法、超速离心法、过滤离心法、密度梯度离心法、免疫磁珠法和色谱法，而鉴定方法则主要包括透射电子显微镜、纳米颗粒跟踪分析技术、蛋白质印迹法和流式细胞术。外泌体的常规储存条件为-80℃，重复的冷冻和融化会影响囊泡的完整性[14]。外泌体分离鉴定后，可结合芯片和二代测序结果筛选与疾病相关的差异表达因子，并最终分析其可能参与的生物学功能及信号通路。近年来，调控外泌体释放和发挥生物学效应的信号通路仍不明确，考虑其与病毒在大小、密度、组成及功能等方面的相似性，故可借鉴病毒的相关成果来开展外泌体的系列性创新研究[15]。

第三，创新知识体系。要建立独立学院法学专业新的教材体系，它既不是普通本科教材的浓缩，更不是删减，而是知识体系的创新。新教材体系要以专业人才培养目标为依据，全面提高人才培养素质和教育教学质量，系统地研究、借鉴传统法学教材的优点，创立新的体例和新的语言风格，既要照顾到法律基础理论，又要突出实用性。

结合现场实际情况，由焊材厂家通过进一步控制焊材的S、 P 等元素含量来提高焊缝的抗裂性能，短期内无法实现。因此，主要先从以下几个方面进行了改进，降低奥氏体不锈钢焊缝出现结晶裂纹的几率，并增加检测手段来保证产品焊接质量。

3.1 改善焊接接头设计

目前，地理国情监测成果已在各个领域发挥着不可或缺的作用，随着常态化地理国情监测工作的深入推进，各项规定内容的逐渐完善，监测成果质量必将稳步上升。作为一项对国民经济、国家决策具有指导性作用的项目，每一位测绘质检工作人员都应秉承科学实践、积极创新的工作态度，扬长避短，探索出一套更先进、可行的质量控制方法，使成果质量更加科学可靠，满足更多、更广泛的应用需求。

3.2 降低焊接热输入

从焊接冶金学角度来说，焊缝金属凝固结晶过程中先结晶的晶体金属最纯，而后结晶的部分，即晶体前缘的合金元素及杂质元素偏高，从而造成晶粒内部和晶粒之间的化学成分不均匀。对于焊缝中心，随着柱状晶的不断长大和堆移，会把杂质元素推向熔池中心，使得熔池中心的杂质元素比其它部位多，从而加剧焊缝中心的化学成分偏析

。同时，微量有害元素S、 P 在γ相中的溶解度比在σ 相中的溶解度低的多，这就造成奥氏体不锈钢焊缝在冶金过程中，柱状晶粒内多余的S、 P 元素分别与Fe 元素、 Ni 元素在晶界上形成Fe-FeS、 Ni-Ni

、 Fe-Fe

P 及Ni-Ni

P 等共晶体，这些共晶体的熔点远低于铁及奥氏体相的熔点

，当结晶后期已凝固的晶粒相对较多时，这些残存在晶界处的低熔相尚未凝固，并呈液态薄膜状散布在晶粒表面，进而割断了一些晶粒之间的联系。

3.3 控制焊道成型系数

其次，在焊缝金属凝固过程中，会经历液-固态（液相占主要部分）和固-液态（固相占主要部分）两个阶段。在液-固态时，熔池内晶核少，相邻的晶粒之间不接触，液态金属可在晶粒之间自由流动，虽有拉伸应力存在，但被拉开的焊缝可以被液态金属及时填满。但在固-液态时，固相不断增加且不断长大，已凝固的固相彼此接触并不断交织到一起长合成枝状晶，晶体间残存的低熔点液相不能自由移动，从而会在焊缝金属冷却收缩所引起的拉伸应力的作用下产生微小缝隙

；同时厚板不锈钢相对薄板不锈钢焊接接头的温度分布不均匀，会造成温度梯度大、冷却速度快及拘束力大等问题，均会加大高温阶段晶间发生塑性变形的应变量，使得金属在高温阶段晶间塑性变形能力不足以承受当时所发生的塑性应变量时，进而发生高温沿晶断裂，即奥氏体不锈钢焊缝的结晶裂纹

。

3.4 提高焊缝铁素体含量

由于设备有较高的低温冲击韧性要求，因此焊缝中铁素体含量不能过高，过高的铁素体含量会恶化奥氏体不锈钢焊缝的低温韧性。但铁素体有利于打乱焊缝中柱状晶的方向，细化晶粒，使得焊缝中杂质分布均匀化，同时铁素体对S 和P 元素的溶解度比较大，能够防止这些杂质元素的偏析和形成低熔点共晶。因此，在焊接过程中，采用小电流短弧焊接，控制层间温度≤50 ℃，有条件的情况下，可以背面喷水冷却降温，适当提高焊缝中铁素体含量。有关研究

表明：奥氏体不锈钢焊缝中的铁素体含量随焊接电流及焊接电压的降低而提高，且随冷却速度的加快而提高。

3.5 避免出现凹形焊道

焊接过程中，特别是坡口根部，要避免因焊接电流过小、焊接速度过快或焊接填充量过少而形成凹形焊道。凹形焊道由于中心未被熔融金属充分填充，使得焊道中心合金元素严重稀释、杂质元素偏聚，从而使焊道中心晶粒之间的结合力降低；同时，焊道中心凝固瞬间由于热胀冷缩存在较大的拉应力，而被拉开的缝隙没有足够的液态金属来填充，也会产生结晶裂纹。