30Cr13馬氏體不銹鋼焊接工藝評定

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(森松(江蘇)重工有限公司，江蘇 南通 226000)

0 前言

3Cr13鋼屬于馬氏體類型不銹鋼，機(jī)械加工性能好，經(jīng)熱處理(淬火回火)后，具有優(yōu)良的耐腐蝕性能、較高的強(qiáng)度以及較好的耐磨性，用于力學(xué)性能要求較高、耐蝕性能要求一般的零件上，如彈簧、汽輪機(jī)葉片、刃具、噴嘴、閥座、閥門/水壓機(jī)閥等，也常用來制造測量器械、醫(yī)用工具。2017年，森松(江蘇)重工有限公司承接了煤礦設(shè)備制造項目，焊接結(jié)構(gòu)的母材涉及有30Cr13馬氏體不銹鋼，由于含碳量高，在具有較高的強(qiáng)度、硬度和淬透性的同時，其焊接性能較差。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)行了多次焊接工藝試驗，最終確定了焊接材料和焊接工藝參數(shù)，通過了焊接工藝評定的要求。

1 焊接性分析

30Cr13馬氏體不銹鋼的含碳量較高，同質(zhì)焊縫及熱影響區(qū)焊接后均為硬而脆的馬氏體組織，溫度超過1 150 ℃的熱影響區(qū)內(nèi)，晶粒會顯著長大。因此，焊縫和熱影響區(qū)易產(chǎn)生粗大的馬氏體組織，在較大焊接殘余應(yīng)力作用下，易產(chǎn)生冷裂紋[1]。為了防止焊接接頭的淬硬組織，控制冷裂傾向，除了選用合適的焊接材料外，還應(yīng)采取焊前預(yù)熱和焊后緩冷措施，改善焊接接頭的組織和力學(xué)性能。

圖1是用30Cr13馬氏體不銹鋼制造的典型部件結(jié)構(gòu)，由上、下法蘭和筒體構(gòu)成，筒體由兩塊30Cr13板材經(jīng)過溫壓成形和組對拼焊而成。不難看出，成形和焊接后筒體上方4個頂角處是主要應(yīng)力集中點。

圖1 典型部件的焊接結(jié)構(gòu)

2 評定試驗及焊接工藝

2.1 試驗材料

通常采用等強(qiáng)度原則選擇焊接材料。試驗用30Cr13板材厚度為12 mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能的技術(shù)要求值及實測值見表1和表2。根據(jù)GB/T 4237—2007《不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶》的要求，30Cr13母材的化學(xué)成分和力學(xué)性能均滿足技術(shù)要求，但碳當(dāng)量(CEV=3.03%)較高，焊接性較差。

焊接材料的選擇是焊縫質(zhì)量優(yōu)劣的重要條件，綜合考慮該產(chǎn)品實際結(jié)構(gòu)特點、設(shè)計要求，主體材料類別及板材厚度等因素確定焊接材料類型。為了保證焊縫金屬的塑性、韌性和焊接接頭的抗裂性，選用適用于異種鋼焊接的309奧氏體不銹鋼焊接材料，以得到綜合性能良好的焊接接頭。試驗采用的兩種焊接材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表3和表4。由表4可以看出，焊接材料的全焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率滿足30Cr13母材的性能要求。

2.2 焊接工藝試驗

試驗采用30Cr13板材的尺寸為500 mm×150 mm×12 mm。因30Cr13為馬氏體不銹鋼，有較大淬硬傾向，且產(chǎn)品實際拘束預(yù)應(yīng)力較大，盡管采用塑性較好的奧氏體不銹鋼焊接材料，考慮到母材與焊接材料為異種材質(zhì)，采取焊前預(yù)熱和焊后熱處理的措施，以防止由于冷卻速度過快導(dǎo)致冷裂紋的形成。

表1 30Cr13鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 30Cr13鋼的力學(xué)性能

表3 ER309焊絲和 E309-16焊條化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表4 ER309焊絲和 E309-16焊條力學(xué)性能

考慮到筒體內(nèi)部作業(yè)空間狹小，且焊前預(yù)熱溫度較高，采用接頭形式為單面60oV形坡口，采用氬弧焊(GTAW)打底和焊條電弧焊(SMAW)進(jìn)行填充的焊接方法，在筒體外側(cè)進(jìn)行施焊。焊接時，應(yīng)避免使用較大的焊接熱輸入，以減小熱影響區(qū)的寬度，注意控制層間溫度，進(jìn)行多層多道焊[2]。經(jīng)過多次焊接工藝試驗，確定預(yù)熱溫度和層間溫度均為300～400 ℃，其它焊接工藝參數(shù)見表5。

焊接過程中，為盡可能地模擬實際焊接結(jié)構(gòu)情況，將試板提前剛性固定以增加焊縫的拘束力，然后再施焊。焊后立即采取保溫緩冷措施，以降低冷卻速度，防止產(chǎn)生冷裂紋。結(jié)合現(xiàn)場實際使用工況，為消除焊接筒體殘余應(yīng)力并降低出現(xiàn)裂紋的可能性，將焊接筒體進(jìn)行了焊后整體消除應(yīng)力熱處理。消除應(yīng)力回火處理的溫度為635～665 ℃，控制升溫速度在56～205 ℃/h，進(jìn)爐溫度≤315 ℃，保溫60～75 min，出爐空冷。焊后消除應(yīng)力的熱處理工藝曲線，如圖2所示。

表5 焊接工藝參數(shù)

圖2 焊后消除應(yīng)力熱處理工藝曲線

3 焊接工藝試驗結(jié)果

為了驗證焊接材料的選擇是否合適和焊接工藝參數(shù)是否合理，對30Cr13馬氏體不銹鋼焊接筒體進(jìn)行了100%的PT+RT檢測。考慮到母材具有一定的延遲裂紋傾向，故在焊接完成48 h后安排進(jìn)行無損檢測，還安排在消除應(yīng)力熱處理后再次進(jìn)行無損檢測。無損檢測結(jié)果顯示，焊后以及熱處理后的焊接筒體均合格，未產(chǎn)生該類母材常見的延遲裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，焊接工藝性良好。

按照AWS D1.6/D1.6M-2007《不銹鋼焊接規(guī)范》要求，拉伸試驗試樣的抗拉強(qiáng)度不低于母材抗拉強(qiáng)度最小值，彎曲試驗試樣沿任何方向不得有單條長度大于3 mm的開口缺陷。為驗證所焊焊接接頭的力學(xué)性能是否能滿足產(chǎn)品需求，對焊接筒體試板的力學(xué)性能進(jìn)行測試。取橫向拉伸試樣2件，側(cè)向彎曲試樣4件，測得焊接接頭的強(qiáng)度、彎曲試驗結(jié)果見表6。

表6 力學(xué)性能測試結(jié)果

從表6的力學(xué)性能測試結(jié)果可以看出，使用奧氏體不銹鋼焊接材料焊接30Cr13馬氏體不銹鋼，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度大于母材最低540 MPa的要求；經(jīng)180°側(cè)彎試驗后，未見肉眼可見開裂，未發(fā)現(xiàn)有延遲裂紋出現(xiàn)。由此也證實了焊接材料、焊接工藝參數(shù)及熱處理工藝參數(shù)的選擇較為合理。

4 結(jié)論

(1)選用309奧氏體不銹鋼焊材，采用氬弧焊+焊條電弧焊方法對30Cr13馬氏體不銹鋼板材進(jìn)行焊接工藝試驗，試驗結(jié)果達(dá)到了實際產(chǎn)品技術(shù)要求，可以制訂焊接工藝規(guī)程，進(jìn)行產(chǎn)品試制。

(2)采用較小的焊接熱輸入進(jìn)行多層多道焊接，配合焊接預(yù)熱，焊后保溫及消除應(yīng)力回火熱處理工藝措施，焊接筒體和接頭的無損檢測和力學(xué)性能測試均滿足要求。