超級(jí)馬氏體不銹鋼04Cr13Ni5Mo焊接性能研究

曹陽(yáng)

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司機(jī)電安裝分局，四川都江堰，611830)

引言

馬氏體不銹鋼是一種通過(guò)熱處理可以調(diào)整其力學(xué)性能的不銹鋼，是一類(lèi)可硬化的超級(jí)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(shí)際應(yīng)用中受到諸多限制。超級(jí)馬氏體不銹鋼是指通過(guò)各項(xiàng)控制技術(shù)，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(qiáng)度、韌性、可焊性及耐磨耐腐蝕性能。而04Cr13Ni5Mo材料是特別針對(duì)水電站施工而研制的一種水電用鋼，一般用作水輪機(jī)的原材料。

目前，在國(guó)內(nèi)水電站閘門(mén)中金屬結(jié)構(gòu)的門(mén)槽軌道材料大多采用的是奧氏體不銹鋼。奧氏體不銹鋼無(wú)磁性而且具有高韌性和塑性，但強(qiáng)度較低，不可能通過(guò)相變使之強(qiáng)化，僅能通過(guò)冷加工進(jìn)行強(qiáng)化。但是隨著工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的提升，對(duì)材料的強(qiáng)度要求也越來(lái)越高，奧氏體不銹鋼在一些工程項(xiàng)目中已經(jīng)不能滿(mǎn)足使用要求。越來(lái)越多的水電站項(xiàng)目都采用超級(jí)馬氏體不銹鋼04Cr13Ni5Mo材料來(lái)代替奧氏體不銹鋼作為閘門(mén)的門(mén)槽導(dǎo)軌材料使用，所以對(duì)超級(jí)馬氏體不銹鋼板04Cr13Ni5Mo的焊接性能研究有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 04Cr13Ni5Mo板材組織性能

04Cr13Ni5Mo鋼板生產(chǎn)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(chǔ)上降低了C、N、S含量而同時(shí)加入一定量的Ni、Mo合金元素的超級(jí)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(bǔ)償了材料因C含量降低所導(dǎo)致的力學(xué)性能缺陷，以保證熱影響區(qū)有足夠韌性，降低因擴(kuò)散氫引起的焊接冷裂傾向，對(duì)于阻礙碳化物的形成起了一定的作用，縮小擴(kuò)散層；組織內(nèi)析出的逆變奧氏體在很大程度上加強(qiáng)了該材料的耐蝕性和耐磨性。04Cr13Ni5Mo材料化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1、表2。

表1 04Cr13Ni5Mo化學(xué)成分

表2 04Cr13Ni5Mo鋼板力學(xué)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(zhì)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(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表3、表4。焊條在使用前應(yīng)進(jìn)行外觀檢查，并嚴(yán)格按照使用說(shuō)明書(shū)規(guī)定進(jìn)行烘干。烘干后的焊條應(yīng)保存在100℃～150℃的恒溫箱內(nèi)，隨取隨用，焊工焊接時(shí)應(yīng)將焊條保存在保溫桶內(nèi)。

表3 熔敷金屬化學(xué)成分 單位：%

表4 熔敷金屬力學(xué)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(jiàn)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(jī)

電焊機(jī)為成都熊谷加世電器有限公司出產(chǎn)的NB-500星逆變半自動(dòng)焊機(jī)，采取直流反接。

3 焊接方法

3.1 焊接前準(zhǔn)備工作

焊接期間，應(yīng)做好施工現(xiàn)場(chǎng)焊接環(huán)境的監(jiān)測(cè)工作，控制焊接現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)速小于8m/s、相對(duì)濕度大于90%。不得在環(huán)境溫度低于-10℃時(shí)進(jìn)行焊接。

焊接電源必須具有參數(shù)穩(wěn)定，調(diào)節(jié)靈活和安全可靠的性能，并能滿(mǎn)足焊接規(guī)范要求。焊接設(shè)備上的電流表、電壓表及規(guī)范參數(shù)調(diào)節(jié)裝置應(yīng)計(jì)量準(zhǔn)確。焊接設(shè)備應(yīng)放置于干燥通風(fēng)的地方，絕緣良好。

3.2 焊接技術(shù)規(guī)程

焊前坡口面及坡口兩側(cè)各10mm～20mm范圍內(nèi)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(diǎn)，施焊時(shí)嚴(yán)禁在坡口區(qū)外試焊、引弧等。

多層(多道)焊時(shí)應(yīng)將每道的熔渣、飛濺物清理干凈。自檢合格后再進(jìn)行下道焊接。層間接頭應(yīng)錯(cuò)開(kāi)300mm以上，層間溫度不能超過(guò)150℃。采用碳弧氣刨清根。清根前，非清根側(cè)焊縫的焊接量不宜少于3層，碳弧氣刨清根后應(yīng)修磨刨槽，除去滲碳層。焊縫一經(jīng)正式施焊，應(yīng)連續(xù)焊接完成，不允許中途長(zhǎng)時(shí)停頓。在焊接過(guò)程中，焊工應(yīng)對(duì)焊接電流與速度進(jìn)行嚴(yán)格控制。根據(jù)焊條的推薦焊接參數(shù)以及對(duì)焊接過(guò)程中的能量控制，制定了焊接工藝參數(shù)，見(jiàn)表5。焊接過(guò)程中，須控制焊道的寬度，盡量以窄焊道來(lái)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(xiàn)能量控制

式中：Q——焊接線(xiàn)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(xiàn)能量為7.6kJ/cm～13.8kJ/cm，在控制范圍內(nèi)。

4 焊接接頭性能檢測(cè)結(jié)果

焊接完成后，對(duì)焊縫進(jìn)行外觀檢查。為防止延遲裂紋出現(xiàn)，焊接完成24h后再對(duì)焊縫進(jìn)行UT探傷。探傷合格后將試板送到西南交大力學(xué)實(shí)驗(yàn)室對(duì)接頭進(jìn)行各項(xiàng)力學(xué)性能檢測(cè)。

檢測(cè)環(huán)境：溫度28℃，相對(duì)濕度65%。

檢測(cè)設(shè)備：液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)WE-2000A)、游標(biāo)卡尺(125型)、顯微硬度計(jì)(MH-5L)。

4.1 彎曲試驗(yàn)

利用液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)結(jié)果合格，無(wú)裂紋。

4.2 拉伸試驗(yàn)

利用液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

表7 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)結(jié)果合格。

4.3 硬度試驗(yàn)

利用顯微硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 硬度試驗(yàn)

硬度試驗(yàn)結(jié)果合格。

以上各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)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(mǎn)足使用要求。

5 結(jié)論

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

(2)本文中針對(duì)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。