焊接工藝對奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕行為的影響

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1、焊接工藝對奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕行為的影響趙爾冰1，張亦良2，陳鴒志1(1．北京市朝陽區(qū)特種設(shè)備檢測所，北京100122;2．北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124)摘要:針對氯離子環(huán)境中奧氏體不銹鋼焊縫較高的焊接殘余應(yīng)力極易引發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂的普遍性工程難題，對國產(chǎn)304、316L、德國304鋼3種材料的不同焊接工藝進(jìn)行了系列應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)研究．焊接工藝包括手工焊條電弧焊及CO2保護(hù)藥芯電弧焊、焊后空冷及澆水速冷，取樣位置包括母材、焊縫起弧及收?。ㄟ^100多個試樣的應(yīng)力腐蝕對比實(shí)驗(yàn)，研究了各種工藝之間的優(yōu)

2、劣，擬合了2種材料在沸騰氯化鎂環(huán)境中應(yīng)力－壽命的數(shù)學(xué)關(guān)系．結(jié)果表明，對應(yīng)力腐蝕壽命而言，316L是304鋼的15倍以上、焊接起弧點(diǎn)高于收弧點(diǎn)、對接焊縫高于角焊縫;焊后速冷工藝可提高焊接接頭抗應(yīng)力腐蝕能力．關(guān)鍵詞:奧氏體不銹鋼;起弧;收弧;水冷處理;氯離子應(yīng)力腐蝕中圖分類號:O346.2+2;TG174.3+6;R187+5文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:0254－0037(2011)11－1601－06為了滿足衛(wèi)生要求，醫(yī)療、衛(wèi)生和食品行業(yè)使用的滅菌器一般采用奧氏體不銹鋼制造．進(jìn)口滅菌器壽命一般為10a以上［1－2］，而國產(chǎn)滅菌

3、器短時間內(nèi)開裂報(bào)廢的現(xiàn)象十分普遍，已經(jīng)成為行業(yè)一大難題，在造成醫(yī)療成本居高不下的同時，對醫(yī)療衛(wèi)生安全產(chǎn)生極大隱患．作者曾對開裂的滅菌器進(jìn)行失效分析，結(jié)果表明開裂原因?yàn)榈湫偷穆入x子應(yīng)力腐蝕［3－4］，開裂滅菌器及金相、斷口形貌見圖1、2．圖1滅菌器內(nèi)腔開裂Fig．1Innersurfaceofthesterilizer圖2典型的應(yīng)力腐蝕特征Fig．2Typicalfeatureofstresscorrosion雖然采用鐵素體、馬氏體或雙相不銹鋼可以解決應(yīng)力腐蝕問題，但考慮到制造工藝和制造成本，國內(nèi)外設(shè)備制造單位仍然選用奧氏

4、體不銹鋼．該材料的最大問題是氯離子應(yīng)力腐蝕，主要影響因素為拉應(yīng)力水平和氯離子濃度［5－6］，其中殘余應(yīng)力是最主要的影響因素，目前對有效降低焊接殘余應(yīng)力雖然已經(jīng)做了一些工作［7－11］，但研究成果的實(shí)用性仍較為欠缺．針對滅菌器裂紋主要出現(xiàn)在焊縫及熱影響區(qū)的特征［3］，鑒于目前氯離子應(yīng)力腐蝕數(shù)據(jù)較少、尤其缺乏不同焊接工藝的影響、不同材料與實(shí)際工況對比實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀，本文立足于通過對3種不同材料、不同焊接工藝、不同焊后處理工藝等系列應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)，得到相應(yīng)的應(yīng)力腐蝕斷裂壽命，比較不同材料及不同工藝的應(yīng)力腐蝕特征，找出焊后的薄弱環(huán)節(jié)，

5、提出防止應(yīng)力腐蝕的有效措施，為工藝改造提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)依據(jù)．收稿日期:2009-07-13．基金項(xiàng)目:北京市朝陽區(qū)社會發(fā)展項(xiàng)目(SF0702)．作者簡介:趙爾冰(1963—)，男，河北平山人，高級工程師．1實(shí)驗(yàn)1.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)通過對大量失效的滅菌器檢驗(yàn)結(jié)果分析，損壞主要部位在內(nèi)腔和夾套拉筋角焊縫部位，主體對接焊縫則很少發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象，角焊縫基本為手工焊條焊或藥芯CO2焊．通過對圖3所示不同焊接工藝焊接試板X光衍射法殘余應(yīng)力測試發(fā)現(xiàn)，焊后澆水速冷比空冷工藝的最大焊接殘余拉應(yīng)力低30%左右．考慮到以上特征，本文選擇3種材料的7種

6、狀態(tài)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，包括:母材、對接接頭、T型接頭角焊縫、焊后澆水速冷、焊后空冷、焊接起弧點(diǎn)、收弧點(diǎn)．采用封閉處理，見圖4．為了保證斷裂發(fā)生在焊縫部位，對焊縫外的其他部位圖3焊接殘余應(yīng)力測試試板Fig．3Testplateforresidualstress圖4試樣封閉處理Fig．4Specimentaftersealed1.2實(shí)驗(yàn)依據(jù)與試驗(yàn)方法參照文獻(xiàn)［12］，采用《不銹鋼在沸騰氯化鎂溶液中應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)方法》(YB/T5362—2006)中的恒力拉伸試樣，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為P－1500型應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)機(jī)，實(shí)驗(yàn)溫度143±1℃．1.3

7、實(shí)驗(yàn)材料及力學(xué)性能表1母材試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table1Extensionresultsforthebasemetal取3種材料:Ⅰ:國產(chǎn)304(0Gr18Ni9)鋼板，厚度6mm;Ⅱ:德國304(1.4301)鋼板，厚度6mm;Ⅲ:國產(chǎn)316L鋼板，厚度5mm．對3種材料的母材進(jìn)行力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，采用2個平行試樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均值如表1．抗拉強(qiáng)度Rm/MPa非比例延伸強(qiáng)度Rp0．2/MPa伸長率A/%材料類別國產(chǎn)304德國30469867035330054.357.5國產(chǎn)316L61527060.01.4應(yīng)力腐蝕試樣類型試樣

8、類型如表2，每組平行試樣3個，對數(shù)據(jù)離散較大的，增加實(shí)驗(yàn)數(shù)量．表2應(yīng)力腐蝕試樣類型選擇Table2Categoryofspecimentsforstresscorrosion角焊縫(不銹鋼與Q235B碳素扁鋼焊接)CO2手工焊對接焊縫手工焊條手工焊條焊材料母材空冷澆水速冷空冷起弧收弧起弧收弧起弧收弧1√√2√√3√√