雙相不銹鋼X2CrNiMoN22-5-3焊接工藝研究

但楚臣 張澤

1. 概述

我公司承攬的一項(xiàng)出口地鐵車體端部底架業(yè)務(wù)訂單，其主體結(jié)構(gòu)采用X2CrNiMoN22-5-3雙相不銹鋼。該端部底架為箱型梁牽枕緩結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），整個(gè)結(jié)構(gòu)共有300多條焊縫，接頭形式主要以對(duì)接、T形接、角接為主，工件整體焊接完成后機(jī)加工。

圖1 X2CrNiMoN22-5-3雙相不銹鋼端部底架

該端部底架制作的工藝要點(diǎn)：①要保證主要對(duì)接焊縫RT探傷I級(jí)（EN 12517）合格，T形接頭、角接接頭焊縫熔合良好。②要合理控制焊接變形，保證焊后各部尺寸滿足最終加工的要求。③要保證焊縫焊接完成后鐵素體含量δ控制在40%～60%內(nèi)。因此，必須制定合理的焊接工藝措施來(lái)保證產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。

2. 母材焊接性分析及焊材選用

（1）母材性能 該項(xiàng)目用到的母材X2CrNiMoN22-5-3，不僅具有很強(qiáng)的抗晶間腐蝕、縫隙腐蝕、點(diǎn)腐蝕和應(yīng)力腐蝕裂紋的能力，且焊接性良好，還具有良好的綜合力學(xué)性能，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示。

（2）焊接性分析 雙相不銹鋼焊接需要注意以下兩點(diǎn)：

第一，維持適當(dāng)?shù)慕M成相比例，以防止出現(xiàn)焊縫金屬區(qū)及熱影響區(qū)中鐵素體相含量偏高及奧氏體相含量不足（多道焊縫中過(guò)多的鐵素體含量和粗大晶粒組織對(duì)焊縫耐蝕性和韌性產(chǎn)生不良影響），因此焊接過(guò)程中要注意監(jiān)測(cè)焊縫中鐵素體含量。

第二，鐵素體相在一定溫度范圍內(nèi)是不穩(wěn)定的，能析出對(duì)韌性和抗腐蝕性有害的高鉻碳化物、氮化物、金屬間化合物以及σ相，因此需防止有害相的析出。

雙相不銹鋼中的鐵素體在300～525℃之間長(zhǎng)期保溫會(huì)析出高鉻α'相，而且在475℃最敏感，使雙相不銹鋼發(fā)生脆化，但由于α'相析出時(shí)間較長(zhǎng)，故對(duì)一般焊接影響不大，但為了減少焊縫脆化的可能性，應(yīng)限制雙相不銹鋼工作溫度≤250℃。

焊縫中的奧氏體能起到細(xì)化晶粒，減少氮化物的析出，提高塑韌性和耐腐蝕性，增強(qiáng)抗裂紋能力及減少多層焊時(shí)各層組織的不均勻性等作用，因此含氮的雙相不銹鋼通常采用的鎳比母材高2%～4%和與母材具有相同含氮量的焊接材料（增加奧氏體化的元素），以保證焊縫具有足夠的奧氏體量。

（3）焊接方法及焊材選用 適用于雙相不銹鋼的焊接方法一般有鎢極氬弧焊、焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊等，考慮到本項(xiàng)目的母材為5～25mm的中板厚及焊接生產(chǎn)效率，我們選用了熔化極氣體保護(hù)焊，保護(hù)氣體為98%Ar+2%CO2。焊接材料選用滿足ISO14343標(biāo)準(zhǔn)的G2293NL（即AWS 5.9的ER2209）焊絲，其化學(xué)成分如表3所示。

表1 X2CrNiMoN22-5-3 鋼化學(xué)成分（EN10088-2）（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表2 X2CrNiMoN22-5-3鋼力學(xué)性能（EN10088-2）

表3 G2293NL 焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 工藝評(píng)定項(xiàng)目及檢測(cè)內(nèi)容

3. 焊接工藝試驗(yàn)

針對(duì)本產(chǎn)品的焊接接頭形式，我們選用規(guī)格為350mm×150mm×12mm的雙相不銹鋼板做了V形對(duì)接、T形對(duì)接焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。

工藝評(píng)定試驗(yàn)試件焊接完成后，依次按照表4所列對(duì)應(yīng)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)，各項(xiàng)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果均合格；同時(shí)通過(guò)焊縫的顯微金相組織觀察，在焊縫區(qū)與熱影響區(qū)組織均為奧氏體+鐵素體，其中灰色的為鐵素體、白色的為奧氏體；在焊縫區(qū)：灰色的鐵素體含量約為40%，在焊縫熱影響區(qū)：灰色的鐵素體含量約為50% 。 焊縫區(qū)與熱影響區(qū)均保持了與母材相同的組織結(jié)構(gòu)和較為接近的相比例（見(jiàn)圖2）。

圖2 MAG 接頭顯微組織

4. 焊接接頭設(shè)計(jì)及工藝

（1）典型焊接接頭設(shè)計(jì) 首先，對(duì)于12～15mm厚的不銹鋼板材對(duì)接接頭焊縫，選擇X形對(duì)稱坡口，坡口角度85°+5°，如圖3所示。

其次，對(duì)于T形接頭焊縫，單側(cè)開(kāi)α=50°+5°坡口，如圖4所示。

（2）焊接參數(shù) 經(jīng)過(guò)工藝分析與焊接試驗(yàn)，焊接參數(shù)如表5、表6所示。

（3）焊接注意事項(xiàng) 第一，施焊前，將坡口表面及其兩側(cè)20～30mm內(nèi)用砂輪機(jī)進(jìn)行打磨清理，并用丙酮對(duì)焊接坡口及焊絲進(jìn)行擦洗，以去除其表面的油污、雜質(zhì)、氧化膜等。

第二，對(duì)于厚板對(duì)接焊縫，焊接時(shí)盡量避免使用直線不做擺動(dòng)焊接手法，而采用“鋸齒形”前進(jìn)及“月牙形”左右擺動(dòng)焊接手法，使焊接電弧在焊縫兩側(cè)適當(dāng)位置做片刻停留，并且焊接過(guò)程保持焊槍前傾角控制在80°～85°，這樣既能夠起到攪拌焊縫熔池的作用，也利于焊縫中氣體的及時(shí)逸出。

圖3 對(duì)接接頭焊縫焊接坡口準(zhǔn)備

圖4 T形接頭焊縫焊接坡口準(zhǔn)備

表5 焊接參數(shù)（X形對(duì)接接頭焊縫）

表6 焊接參數(shù)（T形接頭焊縫）

第三，禁止在母材和已焊焊縫上引弧，因?yàn)橐^(qū)冷卻速度過(guò)大，可能導(dǎo)致引弧區(qū)鐵素體含量超過(guò)80%，這些引弧區(qū)很可能會(huì)導(dǎo)致局部腐蝕嚴(yán)重，從而導(dǎo)致整個(gè)部件整體失效，僅打磨掉受損部位的材料也不足以消除腐蝕區(qū)的危險(xiǎn)性。

第四，產(chǎn)品焊接過(guò)程中一般不需要預(yù)熱（環(huán)境溫度＜5℃時(shí)需要預(yù)熱），對(duì)厚度很大（一般＞20mm）的材料可以預(yù)熱到100～150℃。

第五，厚度＜12mm的材料在進(jìn)行焊接時(shí)，層間溫度＜150℃；厚度＞12mm的材料焊接時(shí)，層間溫度≤180℃。

第六，焊接過(guò)程中應(yīng)根據(jù)材料的厚度、焊接接頭形式，選擇合適的焊接熱輸入與預(yù)熱及保溫措施。

第七，雙向不銹鋼熱導(dǎo)率小而線膨脹系數(shù)大，為控制和減少產(chǎn)品焊接變形，減少調(diào)修工作量，應(yīng)采用分散對(duì)稱的施焊方法。

第八，母材在搬運(yùn)與焊接過(guò)程中要避免與碳鋼、富含銅、鋅等的原材料直接接觸，以免污染母材及焊縫。

（4）焊接工藝實(shí)施及焊后檢測(cè) 產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)格按照制定的焊接工藝進(jìn)行焊接，為保證焊接質(zhì)量，所有焊接操作工均需通過(guò)EN287-1 國(guó)際焊工考試，獲得所焊接部位的焊接資質(zhì)。焊機(jī)統(tǒng)一選用KEMPPI PRO 4200（水冷)；每條焊縫焊接完成后，對(duì)焊縫依次進(jìn)行通過(guò)VT、PT、鐵素體含量檢查（要求每條焊縫均勻分布測(cè)量6個(gè)點(diǎn)，平均值在40%～60%之間)；有特殊要求的還要進(jìn)行RT/UT探傷來(lái)驗(yàn)證和保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量；對(duì)于產(chǎn)品中的特殊焊縫接頭，如角接接頭、T形接頭、對(duì)接接頭，我們還針對(duì)性的選做了焊縫接頭斷口低倍宏觀金相試驗(yàn)，如圖5所示，從宏觀金相中可以看出焊縫接頭熔合良好，也直接證明我們的焊接工藝是合理的。

圖5 典型焊接接頭宏觀金相組織

5. 焊后表面處理

（1）酸洗鈍化處理 構(gòu)件焊縫焊接完成后，應(yīng)采用不銹鋼酸洗鈍化膏擦洗焊縫表面，去除焊縫及熱影響區(qū)的表面的氧化皮，使其露出白亮狀態(tài)或者銀白色的金屬光澤，再用冷水清洗擦凈，以提高焊縫耐腐蝕性。

（2）噴砂處理 由于該項(xiàng)目為焊接加工產(chǎn)品，為了減少焊接殘余應(yīng)力釋放引起后續(xù)加工變形，同時(shí)清理產(chǎn)品制造過(guò)程中的表面污物，提高產(chǎn)品抗腐蝕性，故在產(chǎn)品整體加工前后，均采用了表面整體噴砂處理工藝（要求表面清潔度應(yīng)≥Sa2.5級(jí)，表面粗糙度Ra=3～5μm；噴砂處理參數(shù)：石英砂規(guī)格F1.0～F2.0mm；噴砂壓力（0.6～0.7）MPa（6～7kg/cm2）；角度45°；距離500～600mm）。

6. 結(jié)語(yǔ)

（1）在選定的焊接工藝條件下，產(chǎn)品獲得了質(zhì)量很高的焊接接頭，不存在裂紋、未熔合、未焊透、咬邊和夾渣等缺陷。焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果顯示，接頭的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合對(duì)應(yīng)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）在選定的焊接工藝條件下，焊縫金相組織觀察顯示，焊縫區(qū)與熱影響區(qū)均保持了與母材相同的組織結(jié)構(gòu)和較為接近的相比例。焊縫金相組織觀察和焊接過(guò)程中鐵素體監(jiān)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)焊縫及熱影響區(qū)中的鐵素體含量平均值均在40%～60%之間，基本與焊縫附近母材中鐵素體平均含量一致。

（3）產(chǎn)品在焊接完成后通過(guò)采用酸洗鈍化與表面噴砂處理工藝，能夠提高產(chǎn)品的耐腐蝕性。

（4）根據(jù)產(chǎn)品特性選擇熔化極氣體保護(hù)焊焊接工藝來(lái)焊接雙相不銹鋼X2CrNiMoN22-5-3是合理的，產(chǎn)品焊接質(zhì)量能夠滿足客戶要求，目前已經(jīng)成功向客戶交付了該端部底架600余套。

[1] 陳祝年．焊接工程師手冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.