Cr17型超低碳鐵素體不銹鋼薄板焊接工藝及接頭性能

賀孝偉

摘要 主要研究Cr17型超低碳鐵素體不銹鋼薄板焊接工藝及接頭性能，對(duì)鐵素體不銹鋼的韌性、耐腐蝕性能和焊接性進(jìn)行了討論，并對(duì)其薄板焊接工藝與接頭性能進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞 超低碳鐵素體；不銹鋼；焊接工藝

鐵素體是一種不含鎳或者含少量鎳的經(jīng)濟(jì)型不銹鋼，有著優(yōu)秀的抗腐蝕性能和十分廣闊的應(yīng)用前景，本文就對(duì)Cr17型超低碳鐵素體不銹鋼薄板焊接工藝與接頭性能進(jìn)行研究，對(duì)鐵素體不銹鋼焊接性能的提高和獲得良好焊接性有著重要意義，對(duì)鐵素體不銹鋼的應(yīng)用于推廣都有著重要意義。

1.鐵素體不銹鋼

鐵素體含鎘量通常都在11%-30%之間，為體心立方晶體結(jié)構(gòu)，使用狀態(tài)下主要為鐵素體組織，其導(dǎo)熱系數(shù)是奧氏體不銹鋼的130%-150%，該類(lèi)鋼通常Ni的含量很低，有少量含有Ti、Nb等元素，價(jià)格比Cr-Ni奧氏體不銹鋼便宜，而材料力學(xué)性能卻比較優(yōu)異。

1.1韌性

鐵素體不銹鋼有著理想的強(qiáng)度和冷成型性能，但是室溫和低溫下，韌性會(huì)迅速下降，韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高，有著很高的缺口敏感性，并且隨著鐵素體不銹鋼界面尺寸的不斷增加，冷卻速度變慢和焊接熱循環(huán)的影響會(huì)進(jìn)一步加劇這種效果，限制了鐵素體不銹鋼的應(yīng)用，所以關(guān)于鐵素體不銹鋼的研究更多集中在低溫脆性和高溫脆化問(wèn)題上。變形溫度是鐵素體不銹鋼低溫時(shí)承受塑性變形能力的主要影響因素，在低于室溫時(shí)這些問(wèn)題更加明顯。溫度的降低會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度的迅速上升和韌性下降，這是鐵素體不銹鋼內(nèi)部體心立方結(jié)構(gòu)螺旋位錯(cuò)造成的橫向滑移能力下降導(dǎo)致的，鐵素體不銹鋼容易發(fā)生解理斷裂。

1.2耐腐蝕性能

鐵素體不銹鋼中Cr最容易鈍化，而Fe和Cr形成的固溶體會(huì)一定程度上提高鐵鈍態(tài)穩(wěn)定性。鉻能夠在鋼材表面形成致密的，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)修復(fù)的氧化膜，明顯提高了鐵素體不銹鋼耐均勻腐蝕的能力，Mo則能夠加快Fe-Cr合金鈍化，富集鈍化膜中的Cr，并且還能夠以酸根形式吸附在金屬表面，減緩了活性金屬面的溶解，

鐵素體的耐應(yīng)力腐蝕能力也要由于Ni-Cr奧氏體不銹鋼，鐵素體不銹鋼中的體心立方晶體結(jié)構(gòu)晶面之間容易發(fā)生交叉滑移，產(chǎn)生網(wǎng)狀位錯(cuò)，難以產(chǎn)生粗大的滑移臺(tái)階，難以形成現(xiàn)狀蝕溝，穿晶破壞難以發(fā)生，同時(shí)還會(huì)提高對(duì)應(yīng)力腐蝕的抗性。

2.焊接工藝

鐵素體不銹鋼應(yīng)用范圍不斷增加，關(guān)于其焊接工藝的研究也更加深入。通常普通鐵素體不銹鋼可以采用焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊和埋弧焊等方法焊接，超低碳氮等現(xiàn)代鐵素體材料可通過(guò)氬弧焊、等離子弧焊、電子束焊等保護(hù)性強(qiáng)的焊接方法，使用同質(zhì)焊接材料能夠獲得和原材料類(lèi)似的焊接性能，但是抗裂性能較差，而使用鉻鎳奧氏體焊材進(jìn)行焊接能夠獲得更好的塑性韌性，但是耐腐蝕性能卻不理想。

鐵素體不銹鋼受到焊接熱循環(huán)作用影響，熱影響區(qū)晶粒尺寸很大，碳、氮化物容易聚集在晶界，接頭耐蝕性會(huì)明顯下降，焊接接頭韌性下降，拘束度很大時(shí)更容易產(chǎn)生焊接裂紋。除此之外，焊接線(xiàn)能量也會(huì)明顯影響焊接質(zhì)量，而焊接線(xiàn)能量則和焊接電流、電弧電壓以及焊接速度有關(guān)，所以選擇工藝參數(shù)應(yīng)該盡量選擇小規(guī)格，從而獲得比較穩(wěn)定的焊縫金屬化學(xué)成分為性能，減少波動(dòng)，同時(shí)為了提高接頭韌性、塑性和耐蝕性，可以采取一些必要的工藝措施：

2.1降低焊接線(xiàn)能量

選擇焊接規(guī)范參數(shù)時(shí)需要盡量降低線(xiàn)能量，能夠控制母材融化量，減小熱影響區(qū)面積，同時(shí)縮小了晶粒體積，提高接頭韌性。

2.2減少焊接過(guò)程產(chǎn)生的橫向擺動(dòng)和在坡口的停留時(shí)間

減少坡口停留時(shí)間能夠降低熔合比，同時(shí)還能夠避免過(guò)熱，同時(shí)還不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的粗晶脆化以及過(guò)熱組織。

2.3采取必要的熱處理措施

通常鐵素體不銹鋼板都應(yīng)該進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處理，消除焊接應(yīng)力，細(xì)化晶粒。

3.Cr17鐵素體不銹鋼接頭性能分析

3.1金相分析

鐵素體不銹鋼母材晶粒細(xì)小，為等軸晶，焊縫金屬是柱狀晶，內(nèi)部為胞狀樹(shù)晶。焊接過(guò)程中，線(xiàn)能量很小時(shí)熔合區(qū)柱狀晶發(fā)展不充分，為等軸晶粒。熱影響區(qū)在焊接熱循環(huán)作用下，晶粒尺寸較大。隨著焊接熱輸入增加，熔合區(qū)晶粒尺寸不斷增加。小焊接速度、大焊接線(xiàn)能量情況下的柱狀晶生產(chǎn)方向垂直于焊縫中心。隨著焊接線(xiàn)能量增加，熔寬方向受到的影響更大，因此熔合線(xiàn)就逐漸趨于和熔合線(xiàn)垂直，柱狀晶生長(zhǎng)方向垂直于焊縫中心，影響到焊縫使用性能。焊接接頭不同特征區(qū)之間的金相組織比較統(tǒng)一，均為單一鐵素體，晶界以及晶內(nèi)無(wú)明顯析出相。表明焊接熱循環(huán)過(guò)程中，焊縫和熱影響區(qū)無(wú)明顯相變。

3.2焊接性

鐵素體不銹鋼焊接接頭主要有熱影響區(qū)、熔合區(qū)、焊縫區(qū)三個(gè)區(qū)域，焊縫顯微組織主要為鐵素體，熱影響區(qū)有小的等軸晶區(qū)和粗晶區(qū)，焊縫區(qū)主要有柱狀晶和焊縫中心多邊形鐵素體晶粒，焊縫區(qū)金屬結(jié)晶組織主要是柱狀晶。經(jīng)過(guò)拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)焊接接頭位置抗拉強(qiáng)度不及母材。

鐵素體不銹鋼薄板焊接加工過(guò)程中，焊接電流以及填充焊絲對(duì)焊縫成型影響很大，焊接電流過(guò)小會(huì)造成引弧困難，無(wú)法實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程，焊接可能會(huì)發(fā)生焊不透的情況，但是如果焊接電流過(guò)大，薄板有可能會(huì)被燒穿，適用焊接工藝參數(shù)下，TIG焊接焊縫存在著一定的不連續(xù)，熔深、熔寬較大，而自動(dòng)MAG焊接能夠獲得良好的連續(xù)性，焊縫成型較好。

4.結(jié)束語(yǔ)

Cr17型超低碳鐵素體不銹鋼薄板焊接在焊接工藝參數(shù)合理，選用合適填充材料的情況下能夠獲得良好的母材強(qiáng)度，并且焊縫強(qiáng)度不會(huì)明顯低于母材。為了提高焊接效率同時(shí)保證質(zhì)量，采用大焊接電流時(shí)要增加焊接速度，要避免焊接過(guò)程造成熔池以及焊接材料污染。

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