淺析TSZ410鐵素體不銹鋼焊接性能及工藝

唐家佳

(神華神東煤炭集團(tuán)公司皮帶機(jī)公司，內(nèi)蒙古 伊金霍洛旗 017200)

0 引言

帶式輸送機(jī)具有輸送能力大、運(yùn)輸距離遠(yuǎn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、能方便地實(shí)現(xiàn)程序化控制和自動(dòng)化操作、適合在惡劣環(huán)境下作業(yè)等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于煤炭行業(yè)。為增強(qiáng)礦用帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)件的耐腐蝕能力，提高結(jié)構(gòu)件的使用壽命，減輕工人安裝及搬運(yùn)的勞動(dòng)強(qiáng)度，選用一種新型的TSZ410鐵素體不銹鋼材料代替原先的碳鋼加工帶式輸送機(jī)機(jī)身。主要圍繞帶式輸送機(jī)標(biāo)準(zhǔn)段的槽輥支架、H架所用TSZ410鐵素體不銹鋼材料的焊接展開分析，通過對(duì)母材的分析，選擇合適的焊接方法、焊接設(shè)備，制定新的加工工藝，從而確保該不銹鋼的焊接質(zhì)量，提高焊接效率。為TSZ410鐵素體不銹鋼材料在結(jié)構(gòu)件實(shí)際生產(chǎn)過程中提供一定的參考依據(jù)。

1 各類不銹鋼的特性

不銹鋼是指在大氣、水、酸、堿和鹽溶液或其他腐蝕介質(zhì)中具有高度化學(xué)穩(wěn)定性的合金鋼的總稱。這種鋼材中Cr含量>10.5%；由于Cr的作用，鋼材表面生成一層致密的不溶解于某些介質(zhì)的堅(jiān)固的富Cr氧化薄膜(鈍化膜)，使金屬與外界介質(zhì)隔離而不發(fā)生化學(xué)作用。但是不銹只是“相對(duì)的”。

1.1 馬氏體型

馬氏體不銹鋼一般含有13%～18%的Cr及較高含量的碳(0.1%～1.0%)。這類不銹鋼的特點(diǎn)是具有較高的硬度、強(qiáng)度、耐磨性、抗疲勞性及一定的耐腐蝕性。為改善馬氏體不銹鋼的焊接性能，將碳含量降至0.07%以下，為獲得馬氏體相變的可能性再加入一定量的鎳，從而形成了一個(gè)新的鋼種系列，其焊接性能得到了極大的改善。但是，經(jīng)過試驗(yàn)普通馬氏體不銹鋼的焊接性能不佳，主要表現(xiàn)是淬火裂紋和延遲裂紋，因此焊后應(yīng)該進(jìn)行緩冷處理。

1.2 鐵素體型

一般含Cr量12%～30%，含C量較低<0.15%，有時(shí)還加入Ti、Mo、Si、Nb等，這類鋼一般不含Ni，其組織為單相鐵素體。具有良好的抗氧化性、耐蝕性和耐氯化物腐蝕斷裂性能。根據(jù)含鉻的數(shù)量可分為低鉻、中鉻、高鉻3類鋼，根據(jù)鋼的純凈度，特別是碳、氮雜質(zhì)含量，又可分為普通型和高純型。普通鐵素體不銹鋼具有低溫和室溫脆性、缺口敏感性和較高的晶間腐蝕傾向、焊接性較差。但是，高純鐵素體不銹鋼含有極低的碳和氮，含鉻量高，又含有Ti、Mo、Si、Nb等元素，這類不銹鋼具有良好的力學(xué)性能、焊接性能、耐晶間腐蝕性能、耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕、優(yōu)異的耐應(yīng)力腐蝕斷裂性能等。

1.3 奧氏體型

加入>25%的Ni就可以得到單相奧氏體組織，實(shí)際上采用Cr-Ni配置得到奧氏體鋼。最常見的是含Cr 18%、含Ni 8%的18-8型不銹鋼。這種鋼不但具有良好的耐蝕性，而且具有良好的韌性與塑性，并且具有一定的機(jī)械加工性能，是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的不銹鋼。奧氏體不銹鋼具有良好的焊接性能，要特別留意選用相應(yīng)的焊接材料和適宜的焊接工藝，如果選用不當(dāng)，有可能引起晶粒間界面腐蝕、應(yīng)力腐蝕或焊接熱裂紋等問題。

1.4 雙相不銹鋼(奧氏體+鐵素體)

雙相不銹鋼是金相組織由奧氏體和鐵素體2相組成的不銹鋼，而且各相都占有較大的比例。其韌性好，強(qiáng)度較高，耐氯化物應(yīng)力腐蝕。雙向不銹鋼的焊接性良好，熱裂紋傾向小，焊前不需要預(yù)熱，焊后不需要熱處理。但是仍然存在著高鉻鐵素體不銹鋼的各種脆性傾向問題。為了保證焊縫中奧氏體的含量，把焊縫的鎳當(dāng)量一般提高到高于母材的2%～4%，這是兩者成分上的主要區(qū)別。

1.5 沉淀硬化型不銹鋼

沉淀硬化不銹鋼是在不銹鋼中單獨(dú)或復(fù)合添加硬化元素，通過適當(dāng)熱處理獲得高強(qiáng)度、高韌性并具有良好耐蝕性的一類不銹鋼。它們是在18-8鋼或Cr13鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來的馬氏體沉淀硬化不銹鋼，都是在最終形成馬氏體后，經(jīng)過時(shí)效處理析出碳化物及金屬間化合物而產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化作用的。通常作為耐磨、耐蝕、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件。

2 TSZ410鐵素體不銹鋼

2.1 化學(xué)、力學(xué)性能

由于礦用帶式輸送機(jī)使用環(huán)境比較惡劣，礦井內(nèi)部潮濕且含有較高的氯化物，對(duì)金屬結(jié)構(gòu)件的腐蝕性較強(qiáng)。同時(shí)考慮載荷條件、工藝性能等方面的因素，結(jié)合以上各種類型不銹鋼的適用特性及經(jīng)濟(jì)性等因素的綜合考量，最終選用鐵素體型不銹鋼加工膠帶機(jī)的結(jié)構(gòu)架。在鐵素體不銹鋼的基礎(chǔ)上通過調(diào)整各元素的成分配置出TSZ410鐵素體不銹鋼，見表1。

TSZ410鐵素體不銹鋼具有鐵素體不銹鋼的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在元素成分上降低了碳、氮的含量，大大改善了該不銹鋼的力學(xué)性能和焊接性能，提高鉻的含量增強(qiáng)其耐蝕性，見表2。

表1 TSZ410鐵素體不銹鋼的化學(xué)成分表

表2 TSZ410鐵素體不銹鋼的力學(xué)性能表

2.2 焊接性能

帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)件損壞往往是由于應(yīng)變時(shí)效引起的局部脆性斷裂。在結(jié)構(gòu)件支架生產(chǎn)過程中，原材料在經(jīng)過剪切、沖壓等冷加工后會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形，焊接時(shí)又經(jīng)過200～400 ℃溫度范圍內(nèi)的加熱引起應(yīng)變時(shí)效。金屬受到熱循環(huán)的作用，特別是在熱影響區(qū)的某些尖端附近或多層焊道中的缺陷附近，將產(chǎn)生較大的應(yīng)力-應(yīng)變集中，從而引起較大的塑性變形。這種塑性變形在焊接熱循環(huán)的作用下，會(huì)引起應(yīng)變時(shí)效，稱為熱應(yīng)變脆化。熱應(yīng)變脆化大大降低了材料塑性，提高了材料的脆性，使材料的缺口韌性下降。

在這類鋼的焊接中，焊接熱循環(huán)會(huì)使靠近縫區(qū)的晶粒急劇變大，造成熱影響區(qū)的塑韌性降低，致使熱影響區(qū)脆化，這種脆化傾向與鐵素體不銹鋼中的C+N含量密切相關(guān)，隨著冶煉水平的提高和微合金化元素鈮鈦的加入，鐵素體不銹鋼的純凈度有較大提高，焊接熱影響區(qū)的塑韌性得到改善。

高鉻鋼在475 ℃時(shí)脆化速度最快，故稱為475 ℃脆化，為防止產(chǎn)生脆化，應(yīng)嚴(yán)格控制這類鋼的熱加工工藝過程，焊接時(shí)應(yīng)采用較小的熱輸入，也就是采取較小的焊接電流及電壓，采用較快的焊接速度，焊接時(shí)一般不做橫向擺動(dòng)，厚焊縫一般采用多層多道焊的施工工藝。等待前一道的焊縫冷卻至預(yù)熱溫度后再焊接下一道焊縫；焊后退火處理時(shí)應(yīng)該采用快冷措施。高純鐵素體不銹鋼焊接時(shí)，還應(yīng)注意焊縫中增碳、增氮帶來的不利影響。

3 焊材、設(shè)備及注意事項(xiàng)

3.1 焊材的選擇

焊接材料的選擇原則一般根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)材料的化學(xué)成分、生產(chǎn)工藝力學(xué)性能、焊接位置、服役環(huán)境(有無腐蝕介質(zhì)、高溫或低溫等)、焊接結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜程度及剛性大小、受力情況及現(xiàn)場(chǎng)焊接設(shè)備條件等情況綜合考慮。

由于焊接工藝本身的特點(diǎn)，即使采用耐蝕性較好的母材，有時(shí)也不能制造出同樣耐腐蝕能力的焊接結(jié)構(gòu)。接頭在腐蝕機(jī)制上與母材并無不同，但由于焊接引起的成分和組織不均勻性，局部的應(yīng)力應(yīng)變集中，焊接缺陷，以及焊接殘余應(yīng)力等附加因素，接頭的耐腐蝕力明顯低于母材，因此，焊接接頭的抗腐蝕問題比較復(fù)雜，也比較重要。

圖1 舍弗勒不銹鋼焊接金屬結(jié)構(gòu)圖

通過圖1依據(jù)多數(shù)金屬的化學(xué)組成推算出焊縫金屬的相組織及鐵素體量。通過調(diào)整焊縫金屬的化學(xué)組成，控制鐵素體的適當(dāng)含量，以防止焊接熱裂紋產(chǎn)生，這是改善不銹鋼焊接性能的有效方法。用熔焊稀釋率換算出焊縫金屬的化學(xué)組成，并分別折算成鎳當(dāng)量和鉻當(dāng)量，即可在組織圖中查出焊縫金屬組織的相組織和鐵素體的含量。反之，也可以按照對(duì)焊縫金屬組織的相組成要求，確定對(duì)應(yīng)的鎳當(dāng)量和鉻當(dāng)量值。然后，據(jù)此組織圖進(jìn)行焊縫金屬化學(xué)組成的調(diào)整。

通過舍弗勒不銹鋼焊接金屬結(jié)構(gòu)圖以及對(duì)TSZ410鐵素體不銹鋼化學(xué)成分的分析，選用奧氏體型焊材，其焊縫金屬結(jié)構(gòu)組織、綜合力學(xué)性能等可與母材相當(dāng)。同時(shí)對(duì)于各種耐蝕鋼，為保證焊接接頭的高溫性能或耐腐蝕性能，要求焊縫金屬的主要合金成分與母材相似或相同。但是鐵素體不銹鋼的焊材若不要求顏色、強(qiáng)度等和母材一致時(shí)，一般情況下可以不選同材質(zhì)焊材。這是由于為改善焊縫韌性，較為理想的方法是選擇更好的奧氏體焊材。采用奧氏體焊接材料，能保證焊縫具有較高的綜合力學(xué)性能及耐蝕性能。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，焊接材料對(duì)鐵素體不銹鋼接頭性能具有很大的影響，正確選擇焊接材料是提高焊接接頭可靠性的基礎(chǔ)。

在奧氏體焊材中較為理想的是ER309不銹鋼焊焊絲，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表3、表4。

表3 ER309不銹鋼焊絲的化學(xué)成分

表4 ER309不銹鋼焊絲熔敷金屬最小值

3.2 焊接設(shè)備的選擇

不銹鋼有良好的加工性能，除不適用火焰切割外，剪切、折彎、沖壓及切削等加工都與碳鋼類似。不銹鋼由于其表面有一層非常致密的氧化膜，它會(huì)阻止火焰切割時(shí)切割氧氣流對(duì)不銹鋼的氧化，目前不銹鋼切割使用最為普及的方法為空氣等離子切割。焊接設(shè)備可采用熔化極電弧焊(MIG)。

不銹鋼MIG焊接保護(hù)氣體應(yīng)使用Ar+CO2(3～5%)或Ar+O2(2%)，不能使用純Ar或CO2氣體。純Ar保護(hù)氣體焊接時(shí)有如下缺點(diǎn)：①焊縫金屬液體粘度及表面張力大，易產(chǎn)生氣孔；②焊縫金屬潤(rùn)濕性差，易形成咬邊；③電弧陰極斑點(diǎn)不穩(wěn)定，產(chǎn)生陰極漂移；④電弧根部不穩(wěn)定，會(huì)引起熔深及成形不規(guī)則。使用Ar+1～2%O2后可克服這些缺點(diǎn)，同時(shí)也利于熔滴細(xì)化和射流過度臨界電流值的下降。但O2>2%時(shí)，氧化嚴(yán)重，接頭質(zhì)量下降。用Ar+CO2時(shí)，一般要CO2≤5%，否則焊縫增碳，影響耐蝕性能。

純CO2氣體焊接也不應(yīng)使用，因CO2氣體在焊接電弧氛圍中會(huì)分解為CO+O，O對(duì)高溫焊縫及熔池具有強(qiáng)烈的氧化性，不銹鋼中的合金元素會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重氧化燒損，所以不銹鋼MIG焊接一般采用Ar氣加少量活性氣體的混合氣體。

3.3 焊接注意事項(xiàng)

不銹鋼表面應(yīng)始終保持清潔，避免在加工過程中表面劃傷或碳鋼銹皮粘附等的污染，如使用砂輪時(shí)嵌入鐵是破壞不銹鋼保護(hù)膜的一種重要方式。嚴(yán)禁電弧擦傷不銹鋼表面，嚴(yán)禁在焊接區(qū)域外引弧及調(diào)試焊接規(guī)范。因?yàn)椋?dāng)金屬表面的氧化膜或鈍化膜由于機(jī)械損傷或組織缺陷等原因引起局部破損時(shí)，裸露的金屬在介質(zhì)中與周圍的鈍態(tài)金屬形成蝕點(diǎn)，蝕點(diǎn)一旦形成，腐蝕便不斷向縱深發(fā)展，形成內(nèi)腔形狀不一的蝕孔。蝕孔的危害性很大，通常是引起其他局部腐蝕形態(tài)的根源。

焊件組對(duì)點(diǎn)焊固定后應(yīng)盡快焊接，以防長(zhǎng)時(shí)間放置變形或定位焊縫被氧化或破壞，并且正式施焊前對(duì)定位焊縫進(jìn)行檢查，如有缺陷應(yīng)處理后方可進(jìn)行。

焊接時(shí)應(yīng)控制適合的干伸長(zhǎng)(10～15 mm)，應(yīng)及時(shí)清理焊槍保護(hù)套內(nèi)的飛濺，保證送絲順暢，避免焊接區(qū)域保護(hù)不良。

氣體保護(hù)焊當(dāng)風(fēng)力≥2 m/s應(yīng)禁止室外焊接施工。

每條焊縫起、收弧處填滿，不允許有弧坑，以免產(chǎn)生縮孔及裂紋等。

定位焊后要將焊渣清理干凈，確保焊縫成型，避免未熔合現(xiàn)象產(chǎn)生。

合理焊接順序是防止焊接變形的最重要的環(huán)節(jié)，焊接時(shí)按照先四周主筋板，后其他筋板、隔板；先縱焊縫后橫焊縫；先里后外；對(duì)稱交錯(cuò)的焊接原則對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行施焊，可有效地防止結(jié)構(gòu)件的焊接變形。

4 不銹鋼的焊接實(shí)驗(yàn)

4.1 試件焊接

初步制定相應(yīng)的焊接規(guī)范進(jìn)行試件焊接，通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)焊接試件是否合格。

試件：①母材—TSZ410；②工藝—MIG；③焊材型號(hào)—ER309；④材規(guī)格—φ1.2；⑤坡口形式—V形坡口；⑤坡口角度—30°；⑥鈍邊—0.5 mm。

焊接規(guī)范：見表5。

檢驗(yàn)方法：見表6、表7。

表6 TSZ410的焊接試板的彎曲檢驗(yàn)

表7 TSZ410的焊接試板的拉伸檢驗(yàn)

驗(yàn)證結(jié)果：通過以上實(shí)驗(yàn)可驗(yàn)證，焊接后焊縫的物理性能與母材相當(dāng)，所制定加工工藝完全滿足帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)架的使用要求。

4.2 焊接工藝參數(shù)確定

焊接熱輸入：通過對(duì)鐵素體不銹鋼焊接性、焊接工藝及焊接接頭組織性能試驗(yàn)研究表明，焊接時(shí)遵循“小規(guī)范、快速焊、不擺弧”的原則，嚴(yán)格控制焊縫熱輸入，推薦焊接熱輸入為<1 kJ/mm。

焊接方法：MIG焊，保護(hù)氣體97%Ar+3%CO2。

焊接材料：采用ER309焊絲。

對(duì)接坡口型式：60° V型坡口，無鈍邊，根部間隙1～1.5 mm。

角接及T型接頭：4 mm以下的厚度不用開破口，直接焊接，單面一次焊透。4～6 mm厚度對(duì)接焊縫可采用不開破口接頭雙面焊。6 mm以上，一般開V或U，X形坡口。

焊槍角度：焊接使用左向焊，傾角在15°～ 25°時(shí)最佳。

工藝參數(shù)：見表8。

表8 焊接工藝參數(shù)

4.3 焊接接頭表面處理

焊后應(yīng)將焊接產(chǎn)生的飛濺清理干凈，去處焊縫及焊接熱影響區(qū)的氧化色，因?yàn)樗麄兊拇嬖跁?huì)誘發(fā)不銹鋼產(chǎn)生腐蝕，所以不銹鋼的焊接接頭要進(jìn)行酸洗或機(jī)械拋光。保持不銹鋼表面清潔、光滑，可獲得最佳耐蝕性。

目前效率較高效果較好的處理方式為利用不銹鋼酸洗鈍化膏進(jìn)行清洗，清洗時(shí)將適量鈍化膏涂抹在不銹鋼表面，厚度約為1～2 mm，保持20～120 min或更長(zhǎng)時(shí)間，處理過程中最好用不銹鋼絲刷清理，表面氧化皮、銹蝕完全清除干凈后，用清水沖凈，避免返銹。

5 結(jié)語

通過對(duì)TSZ410不銹鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能的分析、焊接性能的探討、焊接設(shè)備及焊材的選用、焊接過程中應(yīng)注意的事項(xiàng)及焊接試板的檢驗(yàn)等方面的探討，制定了較為合理的焊接工藝，可為TSZ410不銹鋼材料的焊接提供一定的參考依據(jù)。