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，對鐵素體不銹鋼的韌性、耐腐蝕性能和焊接性進行了討論，并對其薄板焊接工藝與接頭性能進行了分析。

關鍵詞 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濟型不銹鋼，有著優秀的抗腐蝕性能和十分廣闊的應用前景，本文就對Cr17型超低碳鐵素體不銹鋼薄板焊接工藝與接頭性能進行研究，對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，對鐵素體不銹鋼的應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，為體心立方晶體結構，使用狀態下主要為鐵素體組織，其導熱系數是奧氏體不銹鋼的130%-150%，該類鋼通常Ni的含量很低，有少量含有Ti、Nb等元素，價格比Cr-Ni奧氏體不銹鋼便宜，而材料力學性能卻比較優異。

1.1韌性

鐵素體不銹鋼有著理想的強度和冷成型性能，但是室溫和低溫下，韌性會迅速下降，韌脆轉變溫度升高，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的影響會進一步加劇這種效果，限制了鐵素體不銹鋼的應用，所以關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題上。變形溫度是鐵素體不銹鋼低溫時承受塑性變形能力的主要影響因素，在低于室溫時這些問題更加明顯。溫度的降低會導致材料強度的迅速上升和韌性下降，這是鐵素體不銹鋼內部體心立方結構螺旋位錯造成的橫向滑移能力下降導致的，鐵素體不銹鋼容易發生解理斷裂。

1.2耐腐蝕性能

鐵素體不銹鋼中Cr最容易鈍化，而Fe和Cr形成的固溶體會一定程度上提高鐵鈍態穩定性。鉻能夠在鋼材表面形成致密的，能夠實現自動修復的氧化膜，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構晶面之間容易發生交叉滑移，產生網狀位錯，難以產生粗大的滑移臺階，難以形成現狀蝕溝，穿晶破壞難以發生，同時還會提高對應力腐蝕的抗性。

2.焊接工藝

鐵素體不銹鋼應用范圍不斷增加，關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、氣體保護焊和埋弧焊等方法焊接，超低碳氮等現代鐵素體材料可通過氬弧焊、等離子弧焊、電子束焊等保護性強的焊接方法，使用同質焊接材料能夠獲得和原材料類似的焊接性能，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作用影響，熱影響區晶粒尺寸很大，碳、氮化物容易聚集在晶界，接頭耐蝕性會明顯下降，焊接接頭韌性下降，拘束度很大時更容易產生焊接裂紋。除此之外，焊接線能量也會明顯影響焊接質量，而焊接線能量則和焊接電流、電弧電壓以及焊接速度有關，所以選擇工藝參數應該盡量選擇小規格，從而獲得比較穩定的焊縫金屬化學成分為性能，減少波動，同時為了提高接頭韌性、塑性和耐蝕性，可以采取一些必要的工藝措施：

2.1降低焊接線能量

選擇焊接規范參數時需要盡量降低線能量，能夠控制母材融化量，減小熱影響區面積，同時縮小了晶粒體積，提高接頭韌性。

2.2減少焊接過程產生的橫向擺動和在坡口的停留時間

減少坡口停留時間能夠降低熔合比，同時還能夠避免過熱，同時還不會產生嚴重的粗晶脆化以及過熱組織。

2.3采取必要的熱處理措施

通常鐵素體不銹鋼板都應該進行焊前預熱和焊后熱處理，消除焊接應力，細化晶粒。

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小，為等軸晶，焊縫金屬是柱狀晶，內部為胞狀樹晶。焊接過程中，線能量很小時熔合區柱狀晶發展不充分，為等軸晶粒。熱影響區在焊接熱循環作用下，晶粒尺寸較大。隨著焊接熱輸入增加，熔合區晶粒尺寸不斷增加。小焊接速度、大焊接線能量情況下的柱狀晶生產方向垂直于焊縫中心。隨著焊接線能量增加，熔寬方向受到的影響更大，因此熔合線就逐漸趨于和熔合線垂直，柱狀晶生長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之間的金相組織比較統一，均為單一鐵素體，晶界以及晶內無明顯析出相。表明焊接熱循環過程中，焊縫和熱影響區無明顯相變。

3.2焊接性

鐵素體不銹鋼焊接接頭主要有熱影響區、熔合區、焊縫區三個區域，焊縫顯微組織主要為鐵素體，熱影響區有小的等軸晶區和粗晶區，焊縫區主要有柱狀晶和焊縫中心多邊形鐵素體晶粒，焊縫區金屬結晶組織主要是柱狀晶。經過拉伸試驗發現焊接接頭位置抗拉強度不及母材。

鐵素體不銹鋼薄板焊接加工過程中，焊接電流以及填充焊絲對焊縫成型影響很大，焊接電流過小會造成引弧困難，無法實現焊接過程，焊接可能會發生焊不透的情況，但是如果焊接電流過大，薄板有可能會被燒穿，適用焊接工藝參數下，TIG焊接焊縫存在著一定的不連續，熔深、熔寬較大，而自動MAG焊接能夠獲得良好的連續性，焊縫成型較好。

4.結束語

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

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