焊接工艺对奥氏体不锈钢应力腐蚀行为的影响

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1、焊接工艺对奥氏体不锈钢应力腐蚀行为的影响赵尔冰1，张亦良2，陈鴒志1(1．北京市朝阳区特种设备检测所，北京100122;2．北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京100124)摘要:针对氯离子环境中奥氏体不锈钢焊缝较高的焊接残余应力极易引发应力腐蚀开裂的普遍性工程难题，对国产304、316L、德国304钢3种材料的不同焊接工艺进行了系列应力腐蚀实验研究．焊接工艺包括手工焊条电弧焊及CO2保护药芯电弧焊、焊后空冷及浇水速冷，取样位置包括母材、焊缝起弧及收弧．通过100多个试样的应力腐蚀对比实验，研究了各种工艺之间的优

2、劣，拟合了2种材料在沸腾氯化镁环境中应力－寿命的数学关系．结果表明，对应力腐蚀寿命而言，316L是304钢的15倍以上、焊接起弧点高于收弧点、对接焊缝高于角焊缝;焊后速冷工艺可提高焊接接头抗应力腐蚀能力．关键词:奥氏体不锈钢;起弧;收弧;水冷处理;氯离子应力腐蚀中图分类号:O346.2+2;TG174.3+6;R187+5文献标志码:A文章编号:0254－0037(2011)11－1601－06为了满足卫生要求，医疗、卫生和食品行业使用的灭菌器一般采用奥氏体不锈钢制造．进口灭菌器寿命一般为10a以上［1－2］，而国产灭菌

3、器短时间内开裂报废的现象十分普遍，已经成为行业一大难题，在造成医疗成本居高不下的同时，对医疗卫生安全产生极大隐患．作者曾对开裂的灭菌器进行失效分析，结果表明开裂原因为典型的氯离子应力腐蚀［3－4］，开裂灭菌器及金相、断口形貌见图1、2．图1灭菌器内腔开裂Fig．1Innersurfaceofthesterilizer图2典型的应力腐蚀特征Fig．2Typicalfeatureofstresscorrosion虽然采用铁素体、马氏体或双相不锈钢可以解决应力腐蚀问题，但考虑到制造工艺和制造成本，国内外设备制造单位仍然选用奥氏

4、体不锈钢．该材料的最大问题是氯离子应力腐蚀，主要影响因素为拉应力水平和氯离子浓度［5－6］，其中残余应力是最主要的影响因素，目前对有效降低焊接残余应力虽然已经做了一些工作［7－11］，但研究成果的实用性仍较为欠缺．针对灭菌器裂纹主要出现在焊缝及热影响区的特征［3］，鉴于目前氯离子应力腐蚀数据较少、尤其缺乏不同焊接工艺的影响、不同材料与实际工况对比实验的现状，本文立足于通过对3种不同材料、不同焊接工艺、不同焊后处理工艺等系列应力腐蚀实验，得到相应的应力腐蚀断裂寿命，比较不同材料及不同工艺的应力腐蚀特征，找出焊后的薄弱环节，

5、提出防止应力腐蚀的有效措施，为工艺改造提供基础实验依据．收稿日期:2009-07-13．基金项目:北京市朝阳区社会发展项目(SF0702)．作者简介:赵尔冰(1963—)，男，河北平山人，高级工程师．1实验1.1实验方案设计通过对大量失效的灭菌器检验结果分析，损坏主要部位在内腔和夹套拉筋角焊缝部位，主体对接焊缝则很少发现开裂现象，角焊缝基本为手工焊条焊或药芯CO2焊．通过对图3所示不同焊接工艺焊接试板X光衍射法残余应力测试发现，焊后浇水速冷比空冷工艺的最大焊接残余拉应力低30%左右．考虑到以上特征，本文选择3种材料的7种

6、状态进行对比实验，包括:母材、对接接头、T型接头角焊缝、焊后浇水速冷、焊后空冷、焊接起弧点、收弧点．采用封闭处理，见图4．为了保证断裂发生在焊缝部位，对焊缝外的其他部位图3焊接残余应力测试试板Fig．3Testplateforresidualstress图4试样封闭处理Fig．4Specimentaftersealed1.2实验依据与试验方法参照文献［12］，采用《不锈钢在沸腾氯化镁溶液中应力腐蚀实验方法》(YB/T5362—2006)中的恒力拉伸试样，实验设备为P－1500型应力腐蚀试验机，实验温度143±1℃．1.3

7、实验材料及力学性能表1母材试样拉伸试验结果Table1Extensionresultsforthebasemetal取3种材料:Ⅰ:国产304(0Gr18Ni9)钢板，厚度6mm;Ⅱ:德国304(1.4301)钢板，厚度6mm;Ⅲ:国产316L钢板，厚度5mm．对3种材料的母材进行力学性能实验，采用2个平行试样，实验结果平均值如表1．抗拉强度Rm/MPa非比例延伸强度Rp0．2/MPa伸长率A/%材料类别国产304德国30469867035330054.357.5国产316L61527060.01.4应力腐蚀试样类型试样

8、类型如表2，每组平行试样3个，对数据离散较大的，增加实验数量．表2应力腐蚀试样类型选择Table2Categoryofspecimentsforstresscorrosion角焊缝(不锈钢与Q235B碳素扁钢焊接)CO2手工焊对接焊缝手工焊条手工焊条焊材料母材空冷浇水速冷空冷起弧收弧起弧收弧起弧收弧1√√2√√3√√