分享：焊接试样机加工对不锈钢堆焊层铁素体 含量测定的影响

纵 海

(上海电气核电设备有限公司,上海 ２０１３０６)

摘 要:以SA５０８Gr．３Cl．２低合金钢板不锈钢堆焊层为例,研究了焊接试样机加工对不锈钢堆焊层中铁素体数测定结果的影响,并通过对磁性法和化学法测得的铁素体数进行对比,找到了合适的焊接试样加工制备方法及铁素体数测定方法.结果表明:采用磁性法进行铁素体数测定时,应尽量不要对焊接试样使用锯床等进行切削加工,焊接试块被测表面仅用锉刀锉磨平整即可,且锉磨应沿焊道长度方向延伸,不得交错加工;采用化学法测定铁素体数时,焊接试样机加工对铁素体数测定结果无明显影响.

关键词:不锈钢;堆焊层;铁素体数;磁性法;化学法;机加工

中图分类号:TG４０６;TG１１５ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０８Ｇ０５７５Ｇ０３

不锈钢堆焊层中的铁素体含量对其力学性能、耐腐蚀性能和加工性能等都有很大影响,准确测定其铁素体含量至关重要[１].磁性法和化学法是测定不锈钢堆焊层中铁素体数(FerriteNumber,FN,一

种根据镍当量使用 Schaeffler图、Delong图、WRC图等推算出来的铁素体含量表示方法)的两个基本方法.目前的研究方向主要集中于磁性法和化学法测定铁素体数的原理,以及如何根据检测对象选择合适的铁素体含量测定方法,还有研究焊接工艺参数和焊后热处理对铁素体含量的影响规律,但是很少有试样机加工对最终铁素体含量测定结果影响方面的研究.为此,笔者通过研究焊接试样的机加工对不锈钢堆焊层中铁素体数测定结果的影响,同时通过对磁性法和化学法两种方法测定的铁素体数进行对比,找出了合适的焊接试样加工制备方法及铁素体数测定方法.

１ 试验方法与结果

１．１ 焊接件制备

焊接试验采用核电用SA５０８Gr．３Cl．２低合金钢板,试板尺寸为５０mm×１２０mm×３５０mm.装焊好低合金试板,第一层采用 EQ３０９L 不锈钢焊带堆焊,后续层采用 EQ３０８L 不锈钢焊带堆焊,堆焊层最大长度、宽度、厚度分别为３００,６０,１６mm.焊接参数详见表１.

１．２ 磁性法测定铁素体数

磁性测量法在 GB/T１９５４－２００８«铬镍奥氏体不锈钢焊缝铁素体含量测量方法»中的解释为采用以磁吸引力或导磁率为原理的铁素体测试仪进行测定,以测定的铁素体数 FN 表示不锈钢焊缝中的铁素体含量,测试的仪器一般可以称之为铁素体含量测试仪[２].工程现场的焊接过程通常借助铁素体含量测试仪来控制δ铁素体的含量[３].铁素体含量、

形态、分布不均等均会造成测定结果的重现性及精确度较差,为此实际磁性法检测中需要多位置、多次测定后取统计值[４].本文采用的仪器是 Fischer铁素体含量测试仪(规格型号为 MP３０EＧS).试样每间隔一定距离共取６个测试位置,每个测试位置测定６次,最终结果取平均值.

图１ 磁性法待测试样宏观形貌

Fig.１ Macromorphologyofthespecimensformagneticmothodtest

分别在 如 下 ４ 种 情 况 进 行 铁 素 体 含 量 测 定:

①整块焊接试样 A,表面用锉刀粗锉;②将整块焊接试样 A 用锯床切割成两块大焊接试样 B１和 B２,表面用锉刀粗锉;③把大焊接试样 B１和 B２用锯床切割成小试样 C１和 C２,表面用锉刀粗锉;④同③,在大焊接试样 B１和 B２的基础上用锯床切割成小试样 D１和 D２,表面用磨床机械切削加工.其中:试样 A,B１,B２,C１,C２被测表面用锉刀粗锉,锉磨沿焊道长度方向延伸,不得交错锉磨;试样 D１和 D２被测表面用磨床机械切削加工.试样形貌如图１所示,最终铁素体含量测定结果如表２所示.

由表２中数据可以看出:整块焊接试样 A 铁素体数测定值最低为１４．０FN;切割后的两块大焊接试样 B１和 B２的铁素体数测定值相比试样 A 的增大,分别为１４．７FN 和１４．６FN;而进一步切割后的小试样 C１ 和 C２ 的铁素体数测定值更大,分别为１５．３FN 和１５．１FN.而这５个焊接试样被测表面仅用锉刀粗锉平整,未使用磨床等进行切削加工.

通过比较可以看出,仅对被测表面进行锉磨,锯床切割加工试样的其他表面,对最后的磁性法铁素体数测定结果仍然有明显的影响,切削加工面越多、程度越大,最终的铁素体数测定值也越大.由表２还可以看出:小试样 C１和 C２的铁素体数测定值分别为１５．３FN 和１５．１FN,小试样 D１和D２的铁素体数测定值分别为１６．８FN 和１６．６FN.小试样 C１和 C２的被测表面仅用锉刀锉磨平整,未使用磨床等进行切削加工;而小试样 D１和 D２的被测表面使用磨床进行了切削加工.通过比较可以看出,被测表面经过机械冷加工的焊接试样磁性法铁素体数测定值明显变大,这是因为机械冷加工会产

生形变马氏体,而马氏体的导磁性会对磁性法铁素体数测定结果产生影响[５].

１．３ 化学法测定铁素体数

化学法测定铁素体数,也称为化学分析Ｇ图谱法测定铁素体含量,是由已知的铬、镍、钼、铌、碳、氮、铜等元素含量,通过特定公式计算出铬当量和镍当量,并以铬当量作为横坐标,镍当量作为纵坐标,然后在不锈钢组织图上找到坐标值,两坐标相交点,便是 铁 素 体 含 量 值[６].Schaeffler 图、Delong 图 和WRC图(１９９２版)是最常用的３种铁素体含量图,其中Schaeffler图未考虑氮元素的影响,Delong图未考虑铜元素的影响,而 WRC 图的计算公式既考虑了氮元素和铜元素的影响,同时可以与前述磁性法测定铁素体数单位(FN)保持一致,因此本次试验使用 WRC图进行铁素体含量测定,如图２所示.

因为对焊接试样的被测表面进行抛磨等机械加工处理,或者通过锯床等对试样其他面进行机械加工,均不会改变堆焊层被测面的化学成分,因而选取前述整块焊接试样 A、小试样 C１和 C２分别进行化学分析Ｇ图谱法测定铁素体数.化学成分测试结果的准确度会直接影响 WRC 图谱法的分析结果[７],因而为了测得准确的堆焊层化学成分,分别采用两种方法来测定化学成分,进而计算铬当量和镍当量,然后通过 WRC图得到铁素体数.铬当量和镍当量计算公式分别如下:

式中:wi 表示对应元素的质量分数.

(１)方法一

用砂轮机及６０目砂纸先后将试样 A,C１,C２磨光,将制备好的试样置于直读光谱仪激发台上进行化学成分分析.

(２)方法二

先后从试样 A,C１,C２堆焊层表面取屑,用丙酮清洗烘干,利用碳硫分析仪检测碳含量,氧氮氢分析仪检测氮含量,电感耦合等离子发射光谱仪检测铬、镍、钼、铌、铜含量.

表３和表４分别为通过方法一和方法二得到的堆焊层化学元素含量及最终计算得到的铁素体数.由表３和表４可以看出:通过方法一和方法二得到的试样 A 的铁素体数分别为１４．０FN 和１４．１FN,

试样 C１的铁素体数都是１３．３FN,试样 C２的铁素体数也相近,分别为１４．４FN 和１４．０FN.可见两种方法测得的不锈钢堆焊层中的铁素体数基本吻合,说明采 用 这 两 种 方 法 测 定 化 学 成 分 然 后 根 据WRC图计算铁素体数是可取的.

表３ 和 表 ４ 中 试 样 A 的 铁 素 体 数 分 别 为１４．０FN和１４．１FN,与表２中磁性法测定整块试样A 的铁素体数１４．０FN 基本吻合,说明对于未经机加工处理的整块试样,根据化学成分使用 WRC 图间接测定得到的铁素体数与使用磁性法直接测定得到的铁素体数基本吻合.表３和表４中试样 C１和 C２的铁素体数分别为１３．３,１４．４FN 及１３．３,１４．０FN,与表２中磁性法测定整块焊接试样 A 的铁素体数１４．０FN 接近,可以看出对焊接试块进行机加工处理后,用 WRC 图法间接测定得到的铁素体数与磁性法直接测定未经机加工处理的整块试样得到的铁素体数也基本吻合,这说明对焊接试样进行机加工处理对化学法测定堆焊层中铁素体数无明显影响.

要受静态 应 力 和 氢 元 素 作 用,产 品 装 配 结 束 进 行２００次操作试验后,推测止动螺栓上出现了裂纹,最后在进行调整时受到扭转力作用而发生最终断裂.因此,氢和应力的共同作用是造成该批次止动螺栓

３ 结论及改进措施

(１)该批次２５２kV GIS机构止动螺栓断裂属于典型的沿晶氢脆断裂.

(２)螺栓在电镀锌表面处理过程中引入了氢元素,去氢工艺不当造成氢元素残留,从而导致螺栓在使用过程中于氢和应力的共同作用下发生延迟断裂,其中过量氢是造成该批次止动螺栓氢脆断裂的根本原因.

(３)建议对于抗拉强度大于１１２８MPa或者硬度高于３７HRC的高强度等级的螺栓在电镀锌后要及时进行去氢处理,且应严格执行去氢工艺规范,避免因去氢工艺不当诱发氢脆断裂;另外可以采取适当降低合金钢的碳含量、适量提高回火温度等措施;对于要经过海上运输的对氢脆敏感的零部件,在运输时要进行包装防护,避免长期接触海雾而导致零部件局部渗氢.发生氢脆断裂的主要原因[７Ｇ８].

３ 结论

(１)在采用磁性法进行铁素体数测定时,应尽量不要对焊接试样进行切削加工,包括对被测面和其他面的机加工,尽量保持焊接试块完整,焊接试样被测表面仅需沿焊道长度方向锉磨平整即可,且不得交错锉磨.

(２)采用化学法测定铁素体数时,焊接试样机加工对铁素体数测定值无明显影响;对经过机加工的焊接试样推荐使用化学法测定其铁素体数.

（文章来源：材料与测试网-理化检验－物理分册 > 2018年 > 8期 > pp.575）