超級馬氏體不銹鋼04Cr13Ni5Mo焊接性能研究

曹陽

(中國水利水電第十工程局有限公司機電安裝分局，四川都江堰，611830)

引言

馬氏體不銹鋼是一種通過熱處理可以調整其力學性能的不銹鋼，是一類可硬化的超級不銹鋼，其硬度、耐磨性都優(yōu)于奧氏體不銹鋼，但是由于其焊接性能大大低于奧氏體不銹鋼，極易出現(xiàn)焊接裂紋，所以在工程實際應用中受到諸多限制。超級馬氏體不銹鋼是指通過各項控制技術，降低C、N含量，將碳含量控制在0.02%以下的馬氏體不銹鋼，具有良好的強度、韌性、可焊性及耐磨耐腐蝕性能。而04Cr13Ni5Mo材料是特別針對水電站施工而研制的一種水電用鋼，一般用作水輪機的原材料。

目前，在國內水電站閘門中金屬結構的門槽軌道材料大多采用的是奧氏體不銹鋼。奧氏體不銹鋼無磁性而且具有高韌性和塑性，但強度較低，不可能通過相變使之強化，僅能通過冷加工進行強化。但是隨著工程質量標準的提升，對材料的強度要求也越來越高，奧氏體不銹鋼在一些工程項目中已經不能滿足使用要求。越來越多的水電站項目都采用超級馬氏體不銹鋼04Cr13Ni5Mo材料來代替奧氏體不銹鋼作為閘門的門槽導軌材料使用，所以對超級馬氏體不銹鋼板04Cr13Ni5Mo的焊接性能研究有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 04Cr13Ni5Mo板材組織性能

04Cr13Ni5Mo鋼板生產制造工藝為EAF+AOD兩步法冶煉及后續(xù)連鑄+熱軋工藝，最終熱處理狀態(tài)為正火加回火，正火溫度(1000±20)℃，回火溫度(600±20)℃。材料顯微組織為回火馬氏體加少量逆變奧氏體。

04Cr13Ni5Mo是一種在常規(guī)馬氏體不銹鋼基礎上降低了C、N、S含量而同時加入一定量的Ni、Mo合金元素的超級馬氏體不銹鋼。常規(guī)馬氏體不銹鋼可焊性很差，而由于在04Cr13Ni5Mo中C、N、S含量的降低，顯著改善了母材的塑形、韌性，限制了焊接熱影響區(qū)的淬硬傾向，提高了材料的焊接性；而加入的Ni主要補償了材料因C含量降低所導致的力學性能缺陷，以保證熱影響區(qū)有足夠韌性，降低因擴散氫引起的焊接冷裂傾向，對于阻礙碳化物的形成起了一定的作用，縮小擴散層；組織內析出的逆變奧氏體在很大程度上加強了該材料的耐蝕性和耐磨性。04Cr13Ni5Mo材料化學成分及力學性能見表1、表2。

表1 04Cr13Ni5Mo化學成分

表2 04Cr13Ni5Mo鋼板力學性能

2 焊接材料

2.1 焊材

04Cr13Ni5Mo材料擁有優(yōu)良的焊接性能，按照其材質要求，焊條選用自貢大西洋公司的E410NiMo-16焊條，焊條規(guī)格為φ4mm。其熔敷金屬典型化學成分和力學性能見表3、表4。焊條在使用前應進行外觀檢查，并嚴格按照使用說明書規(guī)定進行烘干。烘干后的焊條應保存在100℃～150℃的恒溫箱內，隨取隨用，焊工焊接時應將焊條保存在保溫桶內。

表3 熔敷金屬化學成分 單位：%

表4 熔敷金屬力學性能(試樣在595℃～620℃保溫1h，然后空冷)

2.2 母材

母材選用板厚為24mm的04Cr13Ni5Mo鋼板，尺寸規(guī)格為24mm×300mm×300mm。接頭形式、焊層數(shù)和焊道的順序見圖1。試板坡口位置為平焊，第1道、第2道焊后翻身，用碳弧氣刨清根焊接背面。

圖1 母材坡口

2.3 電焊機

電焊機為成都熊谷加世電器有限公司出產的NB-500星逆變半自動焊機，采取直流反接。

3 焊接方法

3.1 焊接前準備工作

焊接期間，應做好施工現(xiàn)場焊接環(huán)境的監(jiān)測工作，控制焊接現(xiàn)場的風速小于8m/s、相對濕度大于90%。不得在環(huán)境溫度低于-10℃時進行焊接。

焊接電源必須具有參數(shù)穩(wěn)定，調節(jié)靈活和安全可靠的性能，并能滿足焊接規(guī)范要求。焊接設備上的電流表、電壓表及規(guī)范參數(shù)調節(jié)裝置應計量準確。焊接設備應放置于干燥通風的地方，絕緣良好。

3.2 焊接技術規(guī)程

焊前坡口面及坡口兩側各10mm～20mm范圍內的毛刺銹蝕物，油污、水漬等必須清理干凈。正式焊前必須徹底清除定位焊點，施焊時嚴禁在坡口區(qū)外試焊、引弧等。

多層(多道)焊時應將每道的熔渣、飛濺物清理干凈。自檢合格后再進行下道焊接。層間接頭應錯開300mm以上，層間溫度不能超過150℃。采用碳弧氣刨清根。清根前，非清根側焊縫的焊接量不宜少于3層，碳弧氣刨清根后應修磨刨槽，除去滲碳層。焊縫一經正式施焊，應連續(xù)焊接完成，不允許中途長時停頓。在焊接過程中，焊工應對焊接電流與速度進行嚴格控制。根據(jù)焊條的推薦焊接參數(shù)以及對焊接過程中的能量控制，制定了焊接工藝參數(shù)，見表5。焊接過程中，須控制焊道的寬度，盡量以窄焊道來操作。焊接完成后，將焊縫藥皮及附近飛濺物等清理干凈。

表5 焊接采用的工藝參數(shù)

3.3 焊接線能量控制

式中：Q——焊接線能量，kJ/cm；

U——電弧電壓，V；

I——焊接電流，A；

V——焊接速度，cm/min。

根據(jù)上述公式，焊接線能量為7.6kJ/cm～13.8kJ/cm，在控制范圍內。

4 焊接接頭性能檢測結果

焊接完成后，對焊縫進行外觀檢查。為防止延遲裂紋出現(xiàn)，焊接完成24h后再對焊縫進行UT探傷。探傷合格后將試板送到西南交大力學實驗室對接頭進行各項力學性能檢測。

檢測環(huán)境：溫度28℃，相對濕度65%。

檢測設備：液壓式萬能試驗機(型號WE-2000A)、游標卡尺(125型)、顯微硬度計(MH-5L)。

4.1 彎曲試驗

利用液壓式萬能試驗機對試樣進行彎曲試驗。試驗數(shù)據(jù)見表6。

表6 彎曲試驗

彎曲試驗結果合格，無裂紋。

4.2 拉伸試驗

利用液壓式萬能試驗機對試樣進行拉伸試驗。試驗數(shù)據(jù)見表7。

表7 拉伸試驗

拉伸試驗結果合格。

4.3 硬度試驗

利用顯微硬度計對試樣進行硬度試驗。試驗結果見表8。

表8 硬度試驗

硬度試驗結果合格。

以上各項檢測結果表明，采用此種焊接工藝規(guī)程焊接的04Cr13Ni5Mo焊接接頭性能優(yōu)良，滿足使用要求。

5 結論

(1)E410NiMo-16焊條用于04Cr13Ni5Mo鋼板焊接，焊縫金屬的強度和韌性良好，滿足材料使用要求。

(2)本文中針對04Cr13Ni5Mo材料制定的焊條電弧焊焊接工藝規(guī)程能夠獲得優(yōu)良的焊接接頭。