超低溫下高韌性奧氏體不銹鋼焊縫裂紋分析與控制

0 前 言

奧氏體不銹鋼具有良好的耐蝕性、 低溫韌性和力學性能， 已被廣泛應用于食品、 醫療器械、石油、 化工和原子能等領域

。 從理論上講， 奧氏體不銹鋼與鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼相比，具有良好的焊接性， 但這并不意味著在所有情況下奧氏體不銹鋼都能輕松地獲得良好的焊接質量。通常奧氏體不銹鋼的焊縫金屬中含有一定量的鐵素體相， 可避免焊接熱裂紋的產生

， 但隨著奧氏體不銹鋼焊縫中鐵素體含量的增加， 會導致焊縫的低溫沖擊韌性逐漸惡化

。 因此， 對于超低溫工況下使用的厚壁奧氏體不銹鋼設備， 為了使焊縫具有較高的沖擊韌性， 如何避免焊接熱裂紋的出現尤為關鍵。 因此， 本研究基于實際項目中出現的問題進行了分析和總結， 供技術人員借鑒。

本研究中,觀察組患者在治療中結合針對性護理干預能夠有效改善患者的治療效果,差異顯著(P<0.05),同時護理干預針對性改善神經功能缺損狀況,差異顯著(P<0.05)。因此,在急性腦血栓患者的臨床治療中實施針對性護理干預能夠有效改善患者的早期治療效果,同時改善神經功能狀況,值得在臨床治療中推廣應用。

1 工程案例

某近海天然氣項目的設備需按ASME 規范、DNV 近海標準及項目技術要求進行制造。 該批設備的材料為SA-240 316/316L， 工作介質為碳氫化合物。 其中， 重型分離器設備的直徑為2 500 mm， 筒體的壁厚為80 mm， 設計壓力為7.7 MPa， 最低設計金屬壁溫為-188 ℃。 項目總體要求為： ①需結合ASME 規范及DNV 近海標準重新進行焊接工藝評定； ②焊接工藝評定需在-196 ℃下進行低溫沖擊試驗， 焊縫沖擊功平均值不得低于60 J； ③焊縫鐵素體數量為3～8 FN；④焊接材料牌號需與焊接工藝評定相同。

項目涉及的焊接方法主要包括鎢極氬弧焊（GTAW）、 焊條電弧焊 （SMAW） 及埋弧焊（SAW）。 經多方調研， 焊接材料總體無法滿足-196 ℃下焊縫沖擊功平均值≥60 J 的要求， 只有個別焊材廠家能夠保證在GTAW 下的焊縫沖擊功勉強達到此項目的技術要求， 因此無法滿足后期產品的焊接需求。 多次與客戶及焊接材料廠家溝通后， 決定將焊縫的沖擊功指標降低至平均值≥45 J， 最終選擇的焊接材料滿足了該技術要求。 產品焊接前， 按ASME IX 標準、 DNV 近海標準及項目技術要求進行了焊接工藝評定， 焊接工藝評定結果合格， 焊縫金屬鐵素體數量為4.3～5.4 FN， -196 ℃下焊縫沖擊功為43～95 J， 且GTAW 方法下的焊縫沖擊功稍高于其它兩種焊接方法。 該項目最先焊接壁厚≤20 mm 的產品， 縱、環縫采用的焊接方法是SAW， 未發現任何問題，但在焊接80 mm 的厚壁設備時， 雙面坡口對接焊縫正面打底焊及背面清根后的前幾層焊道出現了斷續的、 沿焊縫中心的縱向裂紋， 如圖1 所示。

通過裂紋產生的時機、 位置及形態可以判斷該裂紋是一種焊接熱裂紋。 奧氏體不銹鋼的焊接熱裂紋主要有三種， 分別為結晶裂紋、 液化裂紋及多邊化裂紋。 根據三種裂紋的形成機理及特征， 不難判斷出圖1 的焊接熱裂紋為結晶裂紋。針對該裂紋， 對問題焊道進行排查， 排查結果見表1。 由于采用的手提式PMI 設備只能對材料主要化學成分進行定性分析， 對S、 P 等微量元素不能準確定量。 因此， 分別對母材 （按ASME II-Part A） 及焊材 （按ASME II-Part C， 采用堆焊方式） 中S、 P 等微量元素的成分進行了復驗， 復驗結果合格， 但堆焊焊道熔覆金屬中的P元素已接近標準要求的上限。

增加坡口寬度及角度， 特別是坡口根部區域， 盡量逐層多道焊接， 只熔合坡口一側母材或如同表面堆焊形式的焊接， 從而改善焊道的熔合比及受力狀態。 因為正常的坡口根部角度很小，單道焊接時焊縫金屬會與坡口兩側母材互相熔合， 增加焊縫熔合比， 從而導致焊縫中雜質元素增多； 同時從焊縫的受力狀態考慮， 由于熔深較大的對接焊縫的收縮應力基本垂直于雜質聚集的結晶面， 從降低焊縫中心結晶裂紋傾向的因素考慮， 表面堆焊和熔深較淺的對接焊縫抗裂性較好

。

2 焊縫結晶裂紋的形成機理

采用小電流短弧焊接方法， 降低焊接熱輸入。 焊接熱輸入的降低， 會降低熔池的溫度， 便于減少雜質元素的偏析； 也會提高焊道冷卻速度， 從而改善奧氏體不銹鋼焊道中的鐵素體含量； 同時會減少焊道的填充量， 進而降低結晶凝固時的應變量。 所以熱輸入的降低， 有利于降低結晶裂紋的敏感性

。

采用小電流焊接， 減小熔深， 適當提高焊縫成型系數。 這是因為焊縫成型系數會影響枝晶成長方向和晶界的偏析情況， 當焊縫成型系數較小時， 最后凝固的枝晶會和面因晶粒對向生長而成為雜質嚴重析出的部位， 最易形成結晶裂紋

。

卡爾曼濾波是一種最優估算算法，通過利用線性系統狀態方程以及系統的輸入和輸出觀測數據，來達到最優估算的目的。卡爾曼濾波可有效的過濾觀測信號中的噪聲，且應用條件寬泛，能夠在平均的意義上，對真實信號進行估計，并且能夠將誤差降至最小。因此，在卡爾曼濾波算法問世以來，無論是在通信領域還是電路系統中都得到了廣泛的應用。在圖像處理的應用中，卡爾曼濾波可對受噪聲影響而導致產生模糊的圖像進行復原操作。在假定了噪聲的某些統計性質后，卡爾曼的算法就可以以遞推的方式對模糊圖像進行處理，從而得到真實的圖像，可以復原原本模糊的圖像。

總的來說， 結晶裂紋是在凝固結晶的后期，低熔點相在初次結晶晶界偏聚從而形成低熔點的液態薄膜， 液態薄膜強度低且應變集中， 同時變形能力很差， 在厚板焊縫金屬冷卻收縮所引起的較大拉應力下形成裂紋。 即結晶裂紋的形成需要兩個條件： 一是焊接熔池中存在一定數量的低熔點共晶體； 二是焊接金屬在結晶過程中必須產生足夠的應變。

3 焊縫結晶裂紋的預防措施

目前，外泌體的提取方法主要有差速離心法、超速離心法、過濾離心法、密度梯度離心法、免疫磁珠法和色譜法，而鑒定方法則主要包括透射電子顯微鏡、納米顆粒跟蹤分析技術、蛋白質印跡法和流式細胞術。外泌體的常規儲存條件為-80℃，重復的冷凍和融化會影響囊泡的完整性[14]。外泌體分離鑒定后，可結合芯片和二代測序結果篩選與疾病相關的差異表達因子，并最終分析其可能參與的生物學功能及信號通路。近年來，調控外泌體釋放和發揮生物學效應的信號通路仍不明確，考慮其與病毒在大小、密度、組成及功能等方面的相似性，故可借鑒病毒的相關成果來開展外泌體的系列性創新研究[15]。

第三，創新知識體系。要建立獨立學院法學專業新的教材體系，它既不是普通本科教材的濃縮，更不是刪減，而是知識體系的創新。新教材體系要以專業人才培養目標為依據，全面提高人才培養素質和教育教學質量，系統地研究、借鑒傳統法學教材的優點，創立新的體例和新的語言風格，既要照顧到法律基礎理論，又要突出實用性。

結合現場實際情況， 由焊材廠家通過進一步控制焊材的S、 P 等元素含量來提高焊縫的抗裂性能， 短期內無法實現。 因此， 主要先從以下幾個方面進行了改進， 降低奧氏體不銹鋼焊縫出現結晶裂紋的幾率， 并增加檢測手段來保證產品焊接質量。

3.1 改善焊接接頭設計

目前，地理國情監測成果已在各個領域發揮著不可或缺的作用，隨著常態化地理國情監測工作的深入推進，各項規定內容的逐漸完善，監測成果質量必將穩步上升。作為一項對國民經濟、國家決策具有指導性作用的項目，每一位測繪質檢工作人員都應秉承科學實踐、積極創新的工作態度，揚長避短，探索出一套更先進、可行的質量控制方法，使成果質量更加科學可靠，滿足更多、更廣泛的應用需求。

3.2 降低焊接熱輸入

從焊接冶金學角度來說， 焊縫金屬凝固結晶過程中先結晶的晶體金屬最純， 而后結晶的部分， 即晶體前緣的合金元素及雜質元素偏高， 從而造成晶粒內部和晶粒之間的化學成分不均勻。對于焊縫中心， 隨著柱狀晶的不斷長大和堆移，會把雜質元素推向熔池中心， 使得熔池中心的雜質元素比其它部位多， 從而加劇焊縫中心的化學成分偏析

。 同時， 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， 這就造成奧氏體不銹鋼焊縫在冶金過程中， 柱狀晶粒內多余的S、 P 元素分別與Fe 元素、 Ni 元素在晶界上形成Fe-FeS、 Ni-Ni

S

、 Fe-Fe

P 及Ni-Ni

P 等共晶體， 這些共晶體的熔點遠低于鐵及奧氏體相的熔點

， 當結晶后期已凝固的晶粒相對較多時， 這些殘存在晶界處的低熔相尚未凝固，并呈液態薄膜狀散布在晶粒表面， 進而割斷了一些晶粒之間的聯系。

3.3 控制焊道成型系數

其次， 在焊縫金屬凝固過程中， 會經歷液-固態 （液相占主要部分） 和固-液態 （固相占主要部分） 兩個階段。 在液-固態時， 熔池內晶核少， 相鄰的晶粒之間不接觸， 液態金屬可在晶粒之間自由流動， 雖有拉伸應力存在， 但被拉開的焊縫可以被液態金屬及時填滿。 但在固-液態時， 固相不斷增加且不斷長大， 已凝固的固相彼此接觸并不斷交織到一起長合成枝狀晶， 晶體間殘存的低熔點液相不能自由移動， 從而會在焊縫金屬冷卻收縮所引起的拉伸應力的作用下產生微小縫隙

； 同時厚板不銹鋼相對薄板不銹鋼焊接接頭的溫度分布不均勻， 會造成溫度梯度大、 冷卻速度快及拘束力大等問題， 均會加大高溫階段晶間發生塑性變形的應變量， 使得金屬在高溫階段晶間塑性變形能力不足以承受當時所發生的塑性應變量時， 進而發生高溫沿晶斷裂， 即奧氏體不銹鋼焊縫的結晶裂紋

。

3.4 提高焊縫鐵素體含量

由于設備有較高的低溫沖擊韌性要求， 因此焊縫中鐵素體含量不能過高， 過高的鐵素體含量會惡化奧氏體不銹鋼焊縫的低溫韌性。 但鐵素體有利于打亂焊縫中柱狀晶的方向， 細化晶粒， 使得焊縫中雜質分布均勻化， 同時鐵素體對S 和P 元素的溶解度比較大， 能夠防止這些雜質元素的偏析和形成低熔點共晶。 因此，在焊接過程中， 采用小電流短弧焊接， 控制層間溫度≤50 ℃， 有條件的情況下， 可以背面噴水冷卻降溫， 適當提高焊縫中鐵素體含量。 有關研究

表明： 奧氏體不銹鋼焊縫中的鐵素體含量隨焊接電流及焊接電壓的降低而提高，且隨冷卻速度的加快而提高。

3.5 避免出現凹形焊道

焊接過程中， 特別是坡口根部， 要避免因焊接電流過小、 焊接速度過快或焊接填充量過少而形成凹形焊道。 凹形焊道由于中心未被熔融金屬充分填充， 使得焊道中心合金元素嚴重稀釋、 雜質元素偏聚， 從而使焊道中心晶粒之間的結合力降低； 同時， 焊道中心凝固瞬間由于熱脹冷縮存在較大的拉應力， 而被拉開的縫隙沒有足夠的液態金屬來填充， 也會產生結晶裂紋。

3.6 增加檢測措施

每焊完一層， 需對焊縫進行外觀檢查， 當發現有疑似裂紋時， 可以采用液體滲透檢測 （PT）方法進行確認； 對于不進行整個厚度射線檢測（RT） 的角焊縫（如接管與筒體焊縫、 厚壁吊耳等受力焊縫）， 需逐層進行PT 檢測。 確保所有受壓元件及受力焊縫在整個厚度方向上全部進行無損檢測， 從而保證焊接質量。

4 結 論

（1） 在超低溫下具有較高沖擊韌性要求的厚壁奧氏體不銹鋼進行焊接時， 根部焊道很容易出現焊接熱裂紋。

（2） 對結晶裂紋的形成機理進行了分析， 發現結晶裂紋是由焊接冶金效應及在焊縫金屬凝固結晶后期產生較大拉應力共同作用的結果。

（3） 結合現場實際， 從改善焊接接頭設計、降低焊接熱輸入、 控制焊道成型系數、 提高焊縫鐵素體含量及避免出現凹形焊道幾個方面進行改進， 降低了焊縫出現結晶裂紋的傾向性， 并通過增加無損檢測來保證焊接質量。

[1] 中國機械工程學會焊接分會. 焊接手冊（第2 卷）[M].第3 版. 北京：機械工業出版社，2008.

[2] 杜存臣. 奧氏體不銹鋼在工業中的應用[J]. 化工設備與管道，2003，40（2）：54-57.

[3] 劉千帆.核電領域用不銹鋼材料簡介[J].酒鋼科技，2010（3）：30-36.

[4] 吉章紅. 奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量對性能的影響[J].中國特種設備安全，2012（12）：39-41.

[5] 丁會明，吳英哲，鄭津洋，等. S30408 焊接接頭低溫力學性能試驗[J]. 浙江大學學報（工學版），2018，52（2）：217-223.

[6] 周振豐. 焊接冶金學[M]. 北京：機械工業出版社，2003.

[7] 鄒家生. 材料連接原理與工藝[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2005.

[8] 滿達虎，王麗芳. 奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋的成因及防止對策[J]. 熱加工工藝，2012，41（11）：181-184.

[9] 陳祝年，陳茂愛. 焊接工程師手冊[M]. 第3 版.北京：機械工業出版社，2019.

[10] 戴真全. 347H 奧氏體不銹鋼的焊接熱裂紋和再熱裂紋[J]. 化工設備與管道，2010（3）：54-58.

[11] 王士山，邊境，徐維英，等. 焊接參數對不銹鋼手弧焊接鐵素體含量的影響[J]. 金屬加工(熱加工)，2008（6）：54-56.

[12] 李方亮，程尚華，邵珠晶，等. 工藝參數對304L 不銹鋼GTAW 熔覆金屬中鐵素體含量的影響[J]. 焊接，2020（3）：24-28.