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1、奥氏体不锈钢压力容器封头焊缝裂纹分析陈冰川、陈伟民 摘要：对某奥氏体不锈钢压力容器封头焊缝进行了金相检验，发现焊缝熔合线附近存在微 裂纹，分析了此裂纹的性质、形成机理以及产生的主要原因，并提出了针对此类裂纹的防范 措施。关键词：奥氏体不锈钢；压力容器；焊缝；裂纹0前言奥氏体不锈钢压力容器是工业生产中的常用设备，广泛应用于食品、化工、医药等行业， 运行在高温高压腐蚀性介质环境下。在压力容器、锅炉和管道等设备制造中，常常需要依靠 焊接工艺达到两部分母材间结合的目的，焊接质量对此类设备产品质量和使用安全可靠性有 直接影响，许多承压设备事故都与焊接引起的缺陷有关。2009年12月，对某化工厂在役的 反
2、应容器进行金相检测时发现在焊缝熔合线附近有微裂纹，检测部位为容器下封头拼接焊 缝，如图1，基体材质为奥氏体不锈钢316L。为此，我们对裂纹的萌生和扩展进行了进一 步的分析，现将研究结果介绍如下。图1发现微裂纹的部位1. 裂纹的性质微裂纹主要出现在封头拼接焊缝的熔合线附近上，宏观上基本平行于焊缝，从微观上看 为许多网状的微裂纹，微裂纹沿着晶界，从焊缝熔合线附近向母材扩展，如图2所示。根据 裂纹产生的位置、形态和特征，可以判断这种微裂纹是一种焊接热裂纹。图2微裂纹的形貌100X2. 裂纹形成的机理一般认为1，焊接热裂纹的形成是由于奥氏体不锈钢中存在低熔点的共晶元素，在焊接 过程中，这些元素被重新熔
3、化，在焊缝金属凝固过程中，这些杂质元素生成的低熔点共晶物 结晶偏析富集于晶界，形成所谓的“液态薄膜”在特定的敏感温度（又称脆性温度）区间， 其强度极小，由于焊缝凝固收缩以及其它外拉应力（如封头压制成型时的装配应力）的共 同作用，最终在晶间形成液化裂纹，示意图如图3所示。图3在未混合熔化区与部分熔化区中产生晶间裂缝的示意图（12未混合熔化区、23部分熔化区）热裂纹为沿晶开裂，最为常见的情况是沿焊缝中心长度方向开裂，称为纵向裂纹，有时 亦发生在焊缝内部两个柱状晶之间，称为横向裂纹。所以在微观上看，微裂纹的形貌通常为 网状。3. 材料化学成分的影响材料化学成分的影响对焊接热裂纹的主要是材料中杂质元素
4、S、P的含量。当S、P含 量高时，焊接热裂纹的倾向大。S在钢中主要以FeS形式存在，并与氧化铁形成低熔点共晶 体（熔点985C）。P溶于奥氏体中，由于其原子直径比铁大很多，造成奥氏体晶格畸变严 重，使塑性和韧性大大降低，脆性增大。另外，S、P在钢中还易形成其它多种低熔点共晶 体，这些共晶体在敏感温度区内极易偏析，是奥氏体不锈钢产生热裂纹的主要原因2。在Crl8Ni8系不锈钢中，虽然S、P的含量较低，但是由于奥氏体不锈钢中合金成分较 复杂，不仅S、P、B、Sn、Sb等杂质元素在焊接熔池中可以生成低熔点共晶体产生偏析， 而且其它一些合金元素也因溶解度有限而形成低熔共晶体产生偏析。因此，在同样杂质含
5、量 条件下，奥氏体不锈钢的热裂倾向比其它类碳钢大得多。奥氏体不锈钢中的C、Mn、Cu、 Si等元素亦对热裂纹的产生有较大影响，尤其C是引起热裂纹的主要元素。合金元素Si在 奥氏体不锈钢中的含量增加时，一方面Si易形成偏析，形成硅化物共晶；另一方面，Si容 易形成硅酸盐夹杂，从而增大热裂倾向。焊材中的化学成分对热裂纹的影响基本上与母材相同，一般选用的原则是参照母材材质，采用低碳或超低碳以及含钛、铌等稳定化元素的焊材。4. 防止裂纹的措施工艺措施对奥氏体不锈钢焊接热裂纹的影响不容忽视。奥氏体不锈钢的某些物理性质决 定了它比一般的碳钢和低合金钢更容易产生热裂纹。一是奥氏体不锈钢液固相距区特别宽， 结
6、晶时间长，易导致杂质偏析，形成晶问液态夹层；二是奥氏体不锈钢本身导热系数小，约 为低碳钢的1/2,而线膨胀系数大，比低碳钢大50%左右，使焊缝区产生较大的温差，产 生收缩内应力，所以在焊接时焊接线能量对热裂纹影响很大11焊接时线能量越高，则输入 的热量越多，晶间低熔点共晶物的熔化越严重，晶界处于液态的时间越长，越容易促进热裂 纹的产生。对此，应当采用相应正确的焊接工艺，如采用小电流、大焊速、多层焊、窄焊道、 强制冷却等工艺措施，以防热裂纹的产生。5. 结论焊接热裂纹的产生主要是由于焊接熔池中的冶金效应和内外部拉应力共同作用的结果。 母材和焊材的化学成分将影响焊接熔池中的冶金效果，焊接工艺措施是确保减小拉应力产生 的有效手段。为了有效地防止奥氏体不锈钢压力容器焊接热裂纹的产生，首先是控制化学成分，采用 低碳、低S、低P、加有稳定化元素的母材和焊材；其次采用合理的焊接工艺，尤其将焊接 线能量控制在较低水平，防止产生大的内应力。参考文献1热加工工艺基础（第2版）严绍华 高等教育出版社；2金属材料学吴承建、陈国良、强文江编著冶金工业出版社。
