奧氏體不銹鋼與非合金鋼焊接裂紋問題研究

中圖分類號：TG 444+.4

Research on welding crack between austenitic stainless steel and non alloy steel

CHEN Jianhua， SUN Hao， ZHANG Yubin，CHEN Zengyou，DANG Tiangang（CRRC Shandong Co.Ltd， Jinan ，China）

Abstract： In the production process of a type of freight car exported to Europe，cracks were found in the fillet weld between X5CrNi18 -10 austenitic stainless steel and S355J2+N non alloy structural steel during MAG welding.Byanalyzing the timeof crack formation，fracture morphology and location，itis considered that they are heat cracks.Through the welding test of welding wire chemical composition，welding process parameters and other aspects，the causes of the crack was found.The crack problem was solved bychanging the welding wire from ISO 14343-A G 23 12 LSi to ISO 14343-A G 18 8 Mn.

Key words： X5CrNi18 -10; S355J2+N ； heat crack；rail vehicle；welding process

0 前言

作為中車定位的出口歐洲高端貨車制造基地，近年來設計生產(chǎn)了多種出口歐洲的軌道車輛。其中鋼結(jié)構(gòu)部分主要采用 S355J2+N 非合金結(jié)構(gòu)鋼，部分配件采用了 X5CrNi18-10 奧氏體不銹鋼。一般來講，這兩種母材均有良好的可焊性。但由于其導熱性能、線膨脹系數(shù)、電阻率等相差較大，它們之間焊接焊縫在結(jié)晶時易產(chǎn)生較大的拉伸應力，超過臨界值后就導致裂紋產(chǎn)生[1]。在實際生產(chǎn)中這兩種母材之間的角焊縫，多次發(fā)現(xiàn)有裂紋缺陷，嚴重影響了結(jié)構(gòu)強度，給使用安全帶來嚴重隱患。因為文中通過試驗分析了裂紋產(chǎn)生的原因，并采取了適當?shù)拇胧┍苊饬肆鸭y問題重復發(fā)生。

1 項目背景

1.1 母材

母材分別為 5mm 厚 X5CrNi18-10 奧氏體不銹鋼和 S355J2+N 非合金結(jié)構(gòu)鋼。其化學成分分別見表1和表2。

1.2焊材

初期選擇使用的焊絲是ISO14343－AG2312LSi，此型號焊絲相當于ER309LSi。這符合國內(nèi)鐵路貨車行業(yè)一般的焊絲選擇習慣，即異種鋼焊接時通過選用 Cr 、Ni元素含量較高的309系列焊絲，彌補待焊母材中碳鋼對熔覆金屬合金元素的稀釋作用；且焊材熔敷金屬的強 度不小于母材強度。此型號焊絲化學成分見表3。

1.3產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式和接頭形式

如圖1所示，件1為蓋板，材質(zhì)為 X5CrNi18-10 ！件2、3、4為腹板，材質(zhì)為 S355J2+N 。蓋板與腹板之間有周圈的 a₃ 角焊縫。

素過高導致形成低熔點共晶物；或者焊接工藝因素，即焊接工藝參數(shù)、預熱條件等不合適。因此對這些因素分別通過試驗進行了分析和驗證，以期找出真正原因。

1.4焊接裂紋產(chǎn)生情況及原因分析

焊接后立即對其進行外觀檢測，即可在焊縫中心處發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋外觀及斷口形貌如圖2所示，斷口呈現(xiàn)明顯的氧化色。根據(jù)裂紋產(chǎn)生時機、斷口形態(tài)和位置判斷，該裂紋屬于熱裂紋（結(jié)晶裂紋）。一般來講產(chǎn)生熱裂紋的因素主要是冶金因素，即熔覆金屬中P、S元

1.4.1 焊材中的P、S含量

生產(chǎn)中研究團隊使用了兩種批次的該型號不銹鋼焊絲。研究將2個批次焊絲的化學元素進行了復驗，結(jié)果如表4所示。

經(jīng)過查詢使用記錄發(fā)現(xiàn)，焊縫出現(xiàn)裂紋的均是使用了第2批采購的焊絲由表中數(shù)據(jù)可知，2個批次的焊絲其化學元素含量都在標準允許范圍內(nèi)。但是第2批次的焊絲，C元素含量已經(jīng)達到了標準上限，P、S元素含量較第1批次也明顯提高，其中P元素含量也接近于標準上限。另外，第2批焊絲Si元素含量較第1批焊絲相比也有明顯提高。

1.4.2 焊接工藝參數(shù)

經(jīng)過在不同參數(shù)下焊接試驗結(jié)果表明（見表5），使用第2批焊絲時不管是大規(guī)范還是小規(guī)范均會在焊縫中心處產(chǎn)生裂紋；使用第1批焊絲時，只有在大規(guī)范（大電流、大電壓）情況下焊接，焊縫中心處才會產(chǎn)生熱裂紋。

1.4.3 預熱措施

一般情況下，冷卻速度升高焊縫金屬的應變速率也增大，容易產(chǎn)生熱裂紋[2]。為此我們也驗證了焊前預熱是否會避免產(chǎn)生熱裂紋。由于焊接不銹鋼時一般要求層間溫度不超過 100^qC ，我們對焊接接頭進行預熱時預熱溫度也是約 100^°C 。結(jié)果發(fā)現(xiàn)焊后仍立即會出現(xiàn)裂紋，因此可以確定焊前不預熱不是產(chǎn)生裂紋的原因。

2 分析與討論

綜合以上試驗結(jié)果分析，認為裂紋產(chǎn)生的主要原因是：異種鋼焊接時， S355J2+N 碳鋼側(cè)母材熔化導致焊縫金屬中C、P、S等雜質(zhì)元素增加。焊縫熔池在凝固過程中，雜質(zhì)元素P、S等形成低熔點共晶物，C元素會加劇其有害作用，增大裂紋產(chǎn)生的傾向[2]。Si元素是相形成元素，有利于消除結(jié)晶裂紋，但是Si含量超過0.4% 時，容易形成硅酸鹽夾雜，也會增加裂紋傾向[3]。第2批焊絲C、P、S、Si元素均比第1批焊絲有較大幅度提高，加劇了上述作用。熔池凝固是從靠近母材側(cè)向焊縫中心逐漸進行，焊縫中心處雜質(zhì)元素含量最高，因此產(chǎn)生的裂紋均發(fā)生在焊縫中心處。這就是使用第2批焊絲產(chǎn)生裂紋的主要原因。

不銹鋼熱膨脹系數(shù)較碳鋼大[4]，且異種鋼焊接焊縫本身應力較大[5]，焊縫中心處最后凝固受到的拉應力更大。此鋼結(jié)構(gòu)為角焊縫，因為焊縫所承受的應力正好作用在焊縫的結(jié)晶面上，而這個面是晶粒之間聯(lián)系較差、雜質(zhì)聚集的地方，易于引起裂紋[3]，因此角焊縫抗裂性更差。另外由于不銹鋼導熱系數(shù)較低，焊縫過熱造成熔池高溫停留時間長，晶粒長大嚴重，因而焊縫強度下降。焊工焊接時如果焊接電流、電壓過大或者焊接速度過慢造成熱輸人過大， S355J2+N 碳鋼側(cè)母材熔化更多，導致焊縫金屬中C、P、S等雜質(zhì)元素進一步增加，會進一步加劇熱裂紋產(chǎn)生傾向；同時也會使近縫區(qū)金屬過熱，結(jié)晶時間較長、晶粒粗大，降低了接頭的強度。在此條件下造成使用第1批焊絲也會產(chǎn)生熱裂紋。

3問題解決方案

在實際生產(chǎn)中如果對焊接過程監(jiān)管不到位，焊接參數(shù)過大超出工藝文件的要求，即便使用含P、S含量較低的ISO14343－AG2312LSi焊絲，焊縫開裂問題仍有可能會重復發(fā)生。為了將該問題徹底解決，我們將焊絲更改為了 ISO14343-AG188Mn ，此型號焊絲化學成分和性能接近于ER307。該焊絲的化學成分如表6所示，力學性能如表7所示。

ISO14343－AG2312LSi焊絲中Ni元素含量較高，Ni元素易于與S元素形成低熔點共晶物；Mn元素含量較低；Si元素含量在熱裂危險區(qū)間內(nèi)，因此在異種鋼焊縫凝固過程中極易出現(xiàn)偏析現(xiàn)象，熱裂傾向大。ISO14343-AG188Mn焊絲增大了Mn元素含量，降低了Ni元素含量，并且P、S元素含量控制在較低水平。 Mn 元素是良好的脫氧劑和脫硫劑，Mn元素的適度增加可以降低熱裂傾向。綜上，雖然ISO14343－A188Mn 焊絲C、P、S元素比ISO14343-AG2312LSi相差不大，但Ni元素含量的降低和 Mn 元素含量的提高使其抗裂性大大提高。

衡量焊材的熱裂傾向性可以通過熱裂指數(shù)公式來判定[。熱裂指數(shù) HCI=1080P+733S+13Si+0.2Ni -43C-3Mn-0.7Cr 。為防止焊縫產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，一般要求按焊絲化學成分折算的熱裂指數(shù) HCI?15 。經(jīng)計算，ISO 14343-AG23 12LSi 焊絲的熱裂指數(shù) HCI= 26.672，而ISO 14343-AG188Mn 焊絲的熱裂指數(shù)HCI=12.455 ，抗裂性能大大增強。

按照 ISO15614-1-2017^[7] 《金屬材料焊接工藝規(guī)程及評定-焊接工藝評定試驗第一部分：鋼的弧焊和氣焊、鎳及鎳合金的弧焊》標準進行了焊接工藝評定，我們確定了合適的焊接工藝參數(shù)。生產(chǎn)現(xiàn)場實際使用效果也表明，更換焊絲后再未出現(xiàn)焊接裂紋。ISO14343-A 188Mn 更適合于本結(jié)構(gòu)的焊接。

要原因，焊接時焊接參數(shù)過大加劇了熱裂紋的產(chǎn)生。（2）ISO14343-AG188Mn焊絲由于其較少的Ni元素和較多的Mn元素，抗裂性能大大優(yōu)于ISO14343-AG23 12LSi 焊絲。

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4結(jié)論

（1）焊材中C、P、S元素增高是造成出現(xiàn)熱裂紋的重

收稿日期：2024-12-19

陳建華簡介：1985年出生，碩士研究生學歷，高級工程師，主要從事軌道交通裝備焊接工藝方向的工作。

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