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不锈钢和镍基合金焊接指南

不锈钢和镍基合金的焊接工作关键在于清洁度以及选择正确的焊材。本指南旨在逐步帮助您成功完成不锈钢和镍基合金的焊接工作。
 

第1步:焊接工艺中合金焊材的选择

若两种母材为相同材质,可使用母材合金材料作为选材指导。例如,焊接316L和316L金属时,可使用316L焊材。过去的经验表明,焊缝容易出现腐蚀现象,此时可能需要增加合金含量。至于需要增加多少合金含量,必须仔细考量,以免合金含量过高,导致电化学腐蚀。

异种金属焊接的焊缝(例如:将不锈钢焊接至碳钢)

注意:如选择错误的焊材,或稀释比例过高,会形成低合金混合物,从而导致焊接缺陷。最常见的焊接失败是裂纹,但是,也可能出现焊缝脆化。

因此,选择正确的合金焊材和焊接工艺对成功完成焊接工作而言至关重要:

  • 将低合金焊接至不锈钢时,请勿使用低合金焊材。否则会导致焊缝脆化。
  • 将低合金焊接至不锈钢时,请勿使用低于该不锈钢级别的焊材。由于马氏体的形成, 会导致焊缝脆化。
  • 请使用专为异种金属焊接设计的高合金焊材,例如309、312等。

进行异种不锈钢或异种镍焊接时,请参见异种金属焊接指南。一般来说,最好的方式是,使用专为二者当中合金含量较高的金属设计的焊材。例如,焊接304L和316L母材时,需使用316L焊材。

将不锈钢焊接至镍基合金时,通常使用镍基焊材。

  • 将不锈钢焊接至镍基合金时,请勿使用不锈钢焊材,因为很可能会导致产生中线裂纹。这是由于焊缝镍金属一侧会发生稀释。若不锈钢熔敷层的镍含量过高,会导致成分失衡,从而更容易出现裂纹。

第2步:焊接工艺中焊接参数的选择

选择焊接参数时,应尽可能实现低热量输入,以便最大程度减少变形。热变形过高时,会导致母材过度拉伸,产生应力裂纹。

热量输入=(电流*电压*60)/焊接速度。电流或电压越低,热量输入越低。焊接速度越快,热量输入也越低。例如,直焊相较摆焊而言速度更快,热量输入也更低。

调整电流或电压,以优化:

  • 电弧稳定性
  • 熔深(电压越低,熔深越浅)
  • 焊接飞溅(降低送丝速度,或提高电压)
  • 咬边(电流越高,越容易导致咬边的产生。也可降低焊接速度,使熔池填满底边)
  • 稀释(熔深越浅,稀释程度越低)

使用短路焊接工艺,以最大程度减少合金元素的烧损。

第3步:适当的焊接准备

污染

清除或避免所有可能存在的污染源,包含以下物品产生的腐蚀:污垢、油污、油脂、氧化皮、涂料,以及可能包含氯化物的标记墨水。

若使用防飞溅介质,则须使用不锈钢专用材料。若将压缩空气用于冷却或干燥焊缝,则必须注意其中包含的油污。

注意,去除油脂的过程可能会产生对焊接有不利影响的污染物,并产生危险的有毒气体。

请勿将不锈钢和碳钢制品混合在一起,以避免发生铁污染。铁颗粒会触发局部腐蚀。

湿度和母材的温度

避免发生冷凝。将存放在室外的焊接工件加热到室温,以免发生冷凝。监控保护气体的湿度。

等离子切割

对于通过等离子切割,或使用氮或等离子气体的切割工艺准备的焊缝,需要精磨将金属清理干净,因为焊缝氮化会导致已完工的焊缝热影响区生锈。

使用不锈钢专用、未受污染的打磨工具。

可能发生的变形

和碳钢相比,不锈钢的热膨胀率高出50%。镍基合金的膨胀率略低。频繁使用点焊或跳焊,以降低应力。尽量减少使用摆焊技术,因为它会降低移动速度,并增加热量输入。在不锈钢或镍基合金上,进行焊接时,最好使用直焊操作方法。

窄间隙

避免使用窄间隙。焊缝根部必须至少等于焊材直径。在焊接双相不锈钢和镍基合金等焊接流动特性较低的材料时,这点尤为重要,以免出现根部未焊透或或咬边的情况。

第4步:焊后清洁工作

这步操作非常重要。焊后清洁工作的目的在于确保在表面形成适当的氧化铬膜,以实现最佳抗腐蚀效果:表面越光滑,抗腐蚀性越佳。焊接产生的热量会烧损表面上的铬,从而导致腐蚀。为了避免生锈,在焊接后需进行化学或机械清洁工作以清除贫铬区域,这点非常重要。

强烈推荐使用不锈钢刷子和其它工具,以免铁颗粒附到表面上,从而导致生锈。

清理方法

电解抛光

这是最好的方法,但缓慢而昂贵。

酸洗

硝酸和氢氟酸。若表面光滑,这种方法能产生最佳的抗腐蚀效果,并将表面的污渍清理干净。必须避免酸洗过度,否则会产生粗糙的表面。注意,必须按照当地环境法规,以适当的方式,中和并处理酸洗副产物。酸洗的焊件同时也会被钝化。在清理污染物方面,钝化溶液的效果不如酸洗溶液。

打磨

抗腐蚀性取决于表面细度。

机械抛光

几乎和电解抛光一样有效,具体取决于采用的打磨方法:表面越光滑,抗腐蚀性越佳。

刷净

若使用未受污染的不锈钢刷子,该方法比较合适。

喷砂

使用未受污染的介质。避免喷砂过度,否则会导致表面变粗糙。

针对镍和超级奥氏体合金的特别说明

标准的300系列熔敷金属包含一定量的铁素体,这会有助于减少产生微裂纹。微裂纹可扩展为连续裂纹,连续裂纹通常出现在焊缝中心。微裂纹通常是由于低熔点化金属间化合物在凝固焊缝晶界处成膜、且热膨胀率较高引起的。铁素体可增大晶界的面积,因此,可溶解并减少低熔点金属间化合物的数量。

由于镍和超级奥氏体合金不包含铁素体,因此,它们更可能产生裂纹。为了降低产生裂纹的风险,必须注意下述各项:

接头设计

由于镍含量更高,熔池流动更加缓慢。为了避免根部未焊透,和一般不锈钢相比,建议使用更宽的坡口和更大的根部间隙。

热量输入

热量输入越少,产生裂纹的可能性就越低。最好使用焊接电流较低的小直径焊材。通常来说,最大热量输入不超过25千焦/英寸(1千焦/毫米)为宜。

焊缝形状

应避免产生凹面焊缝外形。最好产生平整或稍微凸起的焊缝。

道间温度

当焊接不含铁素体的合金时,则最好使用较低的道间温度,以降低热应力。推荐的最大道间温度为300°F(150°C)。

针对双相不锈钢的特别说明

双相钢和标准不锈钢有很大的不同。其铁素体和奥氏体含量分别都在50%左右。若焊接不当,双相钢系列材料会产生脆性相或产生沉淀物,极容易导致点蚀。如果能清楚的意识到这点,并遵循建议的焊接程序,则很容易实现机械性能良好、抗腐蚀性佳的焊缝。

Exaton可以提供焊接指南,助您成功将双相母材焊接在一起。

一般来说,要求遵循下述参数:

接头设计

由于铁素体材料的特性,熔池流动性会变差。为了避免根部未焊透,和一般不锈钢相比,建议使用更宽的坡口和更大的根部间隙。欲了解更多详细信息,请参见Exaton焊接指南。

保护气体和背面保护气体的选择

由于铁素体材料的特性,熔池流动性会变差。可通过选择适当的保护气体来弥补这一点,且有益于实现奥氏体和铁素体的平衡。背面保护气体的选择也可以提高抗腐蚀性能。

欲了解更多详细信息,请参见Exaton焊接指南。

热量输入

为了实现最佳的铁素体和奥氏体比例,必须合理控制热量输入。推荐的热量输入范围取决于加工的双相不锈钢类型。欲了解更多详细信息,请参见Exaton焊接指南。

道间温度

为了防止脆性相的形成,双相钢焊接要求特定的道间温度。适当的道间温度取决于焊接等级以及母材厚度。欲了解更多详细信息,请参见Exaton焊接指南。

铁素体钢的焊接

由于流动性能较差,铁素体不锈钢合金本身的焊接速度较为缓慢。

为了改善这一状况,Exaton通过特殊化学成分的调整开发出了多种铁素体不锈钢焊材。欲了解更多信息,请联系Exaton。

堆焊

在许多工业应用中,容器必须达到符合各种压力容器规范(如ASME)相对较高的压力要求。同时,为了延长容器寿命,需要进行防腐处理。

常用的解决方案为使用低合金高强度钢制造容器,并采取不同的焊接工艺,用各种高合金材料对容器进行熔敷。常用的焊接工艺为使用焊丝或焊丝/焊剂组合进行气保焊、氩弧焊、手工电弧焊和埋弧焊。在过去的几十年里,无论采用埋弧焊还是电渣焊,焊带的使用都变得越来越普及。

一般来说,为实现紧密结合的熔敷层,必须在第一层使用超合金焊材。使用具有最终熔敷层所需的化学成分的焊材来进行后续层堆焊作业。

EXATON研发出的各种单层焊丝、单层焊带和焊剂系列产品,一层堆焊即实现最终合金堆焊层,熔敷率超过90 lb/hr (40 kg/hr)。

欲了解更多焊丝、带材或焊剂等级相关信息,请联系您的Exaton销售代表。

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