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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、316 L、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劣，拟合了 2 种材料在沸腾氯化镁环境
2、中应力 寿命的数学关 系 结果表明，对应力腐蚀寿命而言，316 L 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:O 346.2+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 10 a 以上 1 2，而国产灭菌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
3、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 1 Inner surface of the sterilizer 图 2 典型的应力腐蚀特征 Fig 2 Typical feature of stress corros ion 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
4、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，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
5、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 3 T
6、est p late for residual stress 图 4 试样封闭处理 Fig 4 Speciment after sealed 1.2 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 实验材料及力学性能 表 1 母材试样拉伸试验结果 Table 1 Extension results for the base metal 取 3 种材料:国产 304 (0Gr18Ni9)钢板，厚度 6 mm;:德国 304(1.430 1
7、)钢板，厚度 6 mm;:国产 316 L 钢板，厚度 5 mm 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 304 698 670 353 300 54.3 57.5 国产 316 L 615 270 60.0 1.4 应力腐蚀试样类型 试样类型如表 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 Table 2 Category of speciments for stress corr osion 角焊
8、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 4 5 6 7 8 编号 第 11 期 赵尔冰，等:焊接工艺对奥氏体不锈钢应力腐蚀行为的影响 1603 1.5 应力腐蚀实验载荷 前期研究 结 果 为，焊 接 残 余 应 力 150 230 MPa，通 过 电 测 法，灭 菌 器 正 常 载 荷 最 大 工 作 应 力 为 66 MPa 13，由于残余应力和载荷应力不是单纯的算术叠加，采用 MS NASTRAN 的残余应力加载功能，将以 上数据输入软件，计算最大应力为 240
9、 MPa 14 15 针对灭菌器的实际工况，考虑到极端情况下材料的应力腐蚀工作环境，为建立应力与寿命的定量关 系，对母材选择 189、212、222、241、243 MPa 共 5 种载荷进行应力腐蚀实验，并筛选出焊缝试样的 222 MPa 和 241 MPa 两种载荷 1.6 实验结果 母材试样应力腐蚀断裂寿命算术平均值见表 3，焊缝试样断裂寿命算术平均值见表 4 表 3 母材试样应力腐蚀断裂寿命平均值 Table 3 Average life of the base material min 表 4 焊接试样应力腐蚀断裂寿命 Table 4 Average life of the weld
10、 zone min 2 实验结果分析 2.1 母材加载应力与断裂寿命的数学分析(国产 304)、(德国 304)母材应力腐蚀实验 结果见图 5 对实验结果进行数据拟合，采用幂指数形式建立 2 种材料的数学关系:=1 946.8 n 0.511 8:=529.87 n 0.205 2 式中，为加载应力(MPa);n 为断裂寿命(min)(1)(2)按照该数学关系，当加载应力一 定 时，可 估 算 出 断裂寿命 图 5 母材试样应力腐蚀断裂寿命平均值比较 Fig 5 Comp ariso n of average life for base materials 试样 编号 载荷/MPa 试样 编号
11、 载荷/MPa 试样 载荷/MPa 编号 241 222 241 222 241 222 2 100 121 3 69 101 4 76 89 5 81 145 6 79 103 7 89 123 8 85 102 2 168 153 3 149 131 4 141 117 5 165 145 6 143 157 7 110 173 8 112 137 载荷/MPa 载荷/MPa 243 44 241 62 48 956 222 65 66 996 212 79 91 189 94 150 2.2 三类不同材料应力腐蚀性能对比 2.2.1 机械性能 由表 1 可以看出国产材料机械强度高于德国材
12、料，但延伸率较低 2.2.2 母材应力腐蚀性能 从国产及德国 304 两种材料看，应力腐蚀性能均较差，最长 150 min(189 MPa)即断裂 由表 3 和图 5 可以看 出，低 应 力(220 MPa)条 件 下，德 国 材 料 的 抗应力腐蚀 能 力(寿 命)明 显 高 于 国 产 材 料，但 高 应 力区则相反 由表 3 看出(316 L)的应力腐蚀断裂 时间可以达到 304 材料的 15 倍 左 右，从 总 体 抗 应 力 腐蚀能力看，(316 L)最优，(德国 304)居中:(国 产 304)最差 2.2.3 焊缝应力腐蚀性能 类、类焊缝应力腐蚀实验结果见图 6 由表 4 及图
13、6 可见 焊 接 后 德 国 材 料 的 抗 应 力 腐 蚀 能 力 明 显高于国产材料 图 6 焊缝试样应力腐蚀断裂寿命平均值比较 Fig 6 Comp ariso n of average life for w eld zones 2.3 母材与焊缝对比 母材与焊缝试样断裂寿命平均值见图 7 图 7 显 示材料焊接后的抗应力腐蚀能力高于母材，这是由于 焊条或焊丝合金含量高于母材，考虑扩散影响，焊缝 和热影响区铬镍含量提高，铁素体含量增加，可见奥 氏体焊缝柱状晶和粗晶劣化造成的影响可通过合金 成分的优化得 以 改 善 但 由 于 试 样 的 残 余 应 力 已 大 部分释放，而实际工件焊缝及
14、热影响区的残余应力可 高达 200 MPa 以上，最高达到屈 服 应 力，这 是 应 力 腐 蚀经常发生在焊缝热影响区的主要原因 图 7 母材与焊缝寿命平均值比较 Fig 7 Comp ariso n of average life for the base and weld joint 2.4 角焊缝与对接焊缝对比 由表 4 可以看出角焊缝的抗应力腐蚀能力低于对接焊缝，即角焊缝的热影响区更易发生应力腐蚀 另外 通过残余应力测定和理论分析 3，角焊缝的残余应力高于对接焊缝，尤其对于断续焊缝和异种钢焊缝 2.5 手工焊条焊与 CO2 药芯焊对比 由表 4 得知，手工焊条焊和 CO2 药芯焊对不同
15、材料有不同的影响 对国产材料，CO2 药芯焊能提高抗 应力腐蚀能力，但对德国材料，CO2 药芯焊抗应力腐蚀能力总体上低于手工焊条焊 这是个值得进一步研 究的问题 2.6 焊后浇水与空冷对比 由表 4 得知，焊后浇水速冷可提高焊接接头的抗应力腐蚀能力，因此与碳钢不同，由于速冷可稳定奥 氏体组织，奥氏体不锈钢焊后速冷是一种很好的改善性能的处理方式 2.7 收弧点与起弧点的对比 从表 4 看出，收弧点的抗应力腐蚀能力低于起弧点，同时从外观上可以看出，收弧点的受热影响程度 比起弧点严重，弧坑的金相组织一般较差，因此收弧点应该引起足够的重视 第 11 期 赵尔冰，等:焊接工艺对奥氏体不锈钢应力腐蚀行为的
16、影响 1605 3 分析讨论 3.1 材料影响 表 3、4 实验结果表明，即使相同牌号的 304 不锈钢，不同产地也有差异 欧美等发达国家材料的高端 性能优于我国材料，主要体现在冶炼水平、微量元素控制、轧制和热处理水平等方面 对复杂结构，可采用 不同材料的组合，对残余应力高、腐蚀介质浓缩的部位，选用性能优良的材料，其他部位可以选用性能差一 些的材料，达到设备整体寿命的统一 3.2 焊接残余应力的降低 焊缝的抗应力腐蚀能力高于母材，而实际工程中应力腐蚀又大多发生在焊缝或焊接热影响区，主要是 焊接残余应力造成的 降低焊接残余应力是防止应力腐蚀的最主要手段 对薄壁奥氏体不锈钢设备采用 热处理存在变形
17、大、材料敏化等不利影响 7，可以采用过载拉伸法 7、逆焊接温差处理法 9、超声波冲击 法 10 11，其中对压力容器等需要做压力试验的设备，采用过载拉伸法是降低残余应力的最好方法，但试验 过程中需要严格控制塑性应变率，以防止发生损伤 3.3 焊接方式的影响 3.3.1 焊后急冷处理 奥氏体不锈钢焊后急冷或焊后重新加热速冷，既可以提高焊缝和热影响区的抗应力腐蚀能力，又可以 降低焊接残余应力、提高材料的疲劳性能 3.3.2 焊接氧化组织的处理 如果不采取有效保护措施，不锈 钢 焊 接 后，其 表 面会产生不同程度的变色，如图 8 所示 尤其是薄板 角焊缝的背面 变色区域会存在合金成分的氧化，虽 然
18、通过酸洗可以去除这些颜色，但氧化后的劣化组织 并没有去除，成为应力腐蚀的源点 3.3.3 收弧点的处理 焊接收弧点是焊缝及热影响区各种性能 最 差 部 位，采用多焊打磨方法可得到部分改善 3.3.4 角焊缝应该引起足够重视 图 8 焊后材料表面氧化 Fig 8 Oxygenated surface after welding 目前我国的设计和施工单位普遍不重视对角焊缝的要求，通过大量在役检验发现，这些部位内部极易 产生裂纹和腐蚀 3.4 腐蚀元素浓度 设备器壁上与介质中腐蚀元素的浓度有很大差别 作者曾对灭菌器腐蚀介质浓度进行研究，发现器 壁上的氯离子含量远远高于凝结水中的氯离子含量，而目前工程
19、上的检测多限于凝结水，对真正起决定因 素的容器壁上腐蚀元素浓度的监控则存在很大难度 4 结论 1)通过试验建立了中外 2 种奥氏体不锈钢(304)在沸腾氯化镁环境中应力 寿命的数学表达式:国 产 304:=1 946.8 n 0.511 8，德国 304:=529.87 n 0.205 2，据此可推断不同应力下的应力腐蚀断裂寿命 2)不同牌号的不锈钢腐蚀性能差异极大:316 L 是 304 材料的 15 倍以上，德国 304 优于国产 304 材 料，设备关键部位应该采用高等级的材料 3)同等应力水平下，焊缝及热影响区的抗应力腐蚀能力高于母材 但灭菌器整体结构的焊接残余应 力往往是工作应力 2
20、 倍以上，由此导致焊接热影响区短时间内产生应力腐蚀 4)对应力腐蚀寿命而言，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 参考文献:1 THAETE，ROBERT Steam sterilization J Biomedical Instrumentation Technolog y，1996，30(6):538-540 2 NATAL J R M，FERNANDES A A Design of a steam-heated sterilizer based on finite element method stress analysisJ Intern
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24、(3):152-156 NI Hong-fang，LING Xiang，PENG Wei-wei Prevention of stress corros ion cracking in weld joint of type 304 stainless steel by glass-bead pee ning J Journal of Chinese Society for Corros ion and Protection，2005，25(3):152-156 (in Chinese)9 陈怀宁，陈亮山，林泉洪 逆焊接加热处理引入压缩残余应力的数值分析 J 机械强度，2002，24(1):73
25、-76 CHEN Huai-ning，CHEN Liang-shan，LIN Quan-hong Numerical analysis of comp ress ive residual stress induced by anti-welding-heating treatment J Journal of Mechanical Strength，2002，24(1):73-76 (in Chinese)10 罗凡，饶德林 304 L 超低碳不锈钢板的振动时效 J 热处理，2005，20(3):36-38 LUO Fan，RAO De-lin Vibratory stress selief
26、for 304 L extreme low carbon stainless steel plate J Heat Treatment，2005，20(3):36-38 (in Chinese)11 饶德林，朱政强，葛景国，等 振动时效消除拼焊不锈钢板的残余应力 J 振动与冲击，2005，(24)2:140-142 RAO De-lin，ZHU Zheng-qiang，Ge Jing-guo，et al Vibratory stress relief of welded stainless steel plateJ Journal of Vibration and Shock，2005，(24
27、)2:140-142 (in Chinese)12 王清波，杨友民 不锈钢焊接接头在氯化镁溶液中应力腐蚀开裂的研究 J 焊接技术，1985，12(2):8-12 WANG Qing-bo，YANG You-min The stress corros ion cracking of stainless steel welded joints in MgCl2 so lutionJ Welding Technolog y，1985，12(2):8-12 (in Chinese)13 张亦良，肖尧，徐威，等 灭菌器内腔开裂的宏观应力分析 J 北京工大学学报，2008，34(增刊):89-95 ZHA
28、NG Yi-liang，XIAO Yao，XU Wei，et al Stress-analysis for sterilizer inner surface cracking J Journal of Beijing University of Technolog y，2008，34(suppl):89-95 (in Chinese)14 悦彩锐，宇慧平，隋允康，等 多种脉动真空灭菌器的数值分析 J 压力容器，2008，25(6):18-24 YUE Cai-rui，YU Hui-ping，SUI Yun-kang，et al Numerical analysis of several pul
29、sating vacuum steam sterilizersJ Pressure Vess el Technolog y，2008，25(6):18-24 (in Chinese)15 宇慧平，隋允康，张亦良，等 真空灭菌器力学性能的实验和数值模拟分析 J 科技导报，2008，25(16):50-54 YU Hui-ping，SUI Yun-kang，ZHANG Yi-liang，et al Analyses of mechanical behaviour of the vacuum sterilizer by experiment and numerical simulation J Sc
30、ience Technolog y Review，2008，25(16):50-54 (in Chinese)(下转第 1612 页)1612 2011 年 北 京 工 业 大 学 学 报 A Numerical Analysis on Impacting Behavior of Spherical-cylinderical Shell Structure Connected by Bolts LIU Zhan-fang，ZHANG Kai，YAN Gong-xing(Department of Enginee ring Mechanics，Chongqing University，Chong
31、qing 400030，China)Abstract:To give helpful guidance in designing of number of bolt and magnitude of pre-tension force by numerica l analysis on spherica l-cylindrica l shell structure connected by bolts subjec ted to impac t loadings Thedynamic relaxation method is adopted to ca lculate initial disp
32、lace ment and initial stress of spherica l-cylinderica lshell structure The dynamica l response of the structure subjec ted to the impac t loadings is then given Thecontact movement between the spherica l shell and cylinderica l shell，being in pre-trac tion state，is describedthrough historty of cont
33、act force s on f langes The relative movement between them turned out the changes of pre-trac tion in the bolts The h istory of strain at the given test points revea led the stress wave propagation whereas thecontact force s on the projec tile-target surface and flange surface are correlated It is p
34、roved that the numerica lmethod is rea so nable on analyzing impac ting behavior of spherica l-cylindrica l shell structure connected by bolts Key words:spherica l-cylinderica l shell structure connected by bolts;dynamic relaxation method;impac ting response;stress wave propagation(责任编辑 苗艳玲)(上接第 160
35、6 页)Effect of Welding Procedure on Stress Corrosion of Austenitic Stainless Stee l ZHAO Er-bing1，ZHANG Yi-liang2，CHEN Ling-zhi1(1 Chaoyang Special Equipm ent Inspection Institute of Beijing，Beijing 100122，China;2 College of Mechanical Enginee ring and Applied Electronics Technolog y，Beijing Universi
36、ty of Technolog y，Beijing 100124，China)Abstract:It is difficult to relea se residual stress for welding of austenitic stainless stee l，therefore，its chlorine stress corros ion always occurs in enginee ring The stress corros ion testing was done on different welding procedures of three different mate
37、rials(304，316 L of China，and 304 of German)The welding proce dure includes shielded metal arc welding and flux cored CO2 shielded arc welding through air coo ling and water coo ling after welding The base metal，starting point and ending point of welding arc were tested The better procedure is obtain
38、ed through 100 samples，and the stress-life relationship of stress corros ion in boiled MgCl2 of two types of materials are formulated The conclusion is that life of stress corros ion of 316 L is 15 times of 304，life of the starting point is longer than the ending point of welding arc，life of the butt weld is longer than the fillet weld，and faster coo ling after welding is efficient for life of stress corros ion Key words:austenitic stainless stee l;starting point of welding arc;ending point of welding arc;water coo ling trea tment;chlorine stress corros ion(责任编辑 杨开英)