06Cr19Ni9NbN高強(qiáng)奧氏體不銹鋼焊接工藝評(píng)定

陳建華，楊金榮，張衍坤，黨田崗

(中車(chē)山東機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司，濟(jì)南 250022)

0 引言

由于不銹鋼材料具有耐空氣、水、酸、堿、鹽和其他腐蝕介質(zhì)腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，且具有優(yōu)良的力學(xué)性能、工藝性能等，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、儀表、食品、醫(yī)療、航空及核能等工業(yè)部門(mén)[1-6]。某公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的某型號(hào)鐵路罐車(chē)，為提高容重比，罐體材料采用厚度8 mm的06Cr19Ni9NbN高強(qiáng)奧氏體不銹鋼。該鋼種是在06Cr19Ni10不銹鋼的基礎(chǔ)上，加入微量的鈮和氮提高鋼的耐點(diǎn)蝕和晶間腐蝕性能，同時(shí)由于氮的強(qiáng)化作用提高了強(qiáng)度，而塑性、韌性仍然維持在很高的水平[7-8]。目前，06Cr19Ni9NbN不銹鋼多用于鍛件，國(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行焊接性研究的報(bào)道。奧氏體不銹鋼一般具有良好的焊接性能，焊接接頭在焊態(tài)下有較好的塑性和韌性[1]，但應(yīng)注意防范焊接時(shí)可能出現(xiàn)熱裂紋、脆化等問(wèn)題[9-10]。由于06Cr19Ni9NbN不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值為685 MPa，遠(yuǎn)高于06Cr19Ni10等不銹鋼的強(qiáng)度，常見(jiàn)的奧氏體不銹鋼焊接材料如ER308、ER309系列焊絲，其熔敷金屬抗拉強(qiáng)度一般僅略高于550 MPa，無(wú)法用于此鋼種的焊接。故最終選擇高強(qiáng)雙相不銹鋼焊絲，但國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)到焊接06Cr19Ni9NbN不銹鋼的報(bào)道，因此，針對(duì)埋弧焊(SAW)和熔化極活性氣體保護(hù)焊(GMAW)兩種焊接方法分別進(jìn)行了焊接性試驗(yàn)，并經(jīng)焊接工藝評(píng)定合格后，成功應(yīng)用于產(chǎn)品生產(chǎn)。

1 試驗(yàn)條件

按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》[11]，采用SAW和GMAW 兩種焊接方法對(duì)06Cr19Ni9NbN奧氏體不銹鋼進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。

1.1 母材

采用SAW和GMAW焊接時(shí)，母材分別選用厚度8，12 mm、符合GB/T 3280—2007《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》的固溶狀態(tài)06Cr19Ni9NbN不銹鋼板，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表1 06Cr19Ni9NbN不銹鋼板化學(xué)成分 %

表2 06Cr19Ni9NbN不銹鋼板力學(xué)性能

1.2 焊材

不銹鋼焊絲選用原則一般是其合金成分及含量應(yīng)與所焊接的母材成分基本一致，含碳量可稍低于母材，P,S等雜質(zhì)元素應(yīng)控制在較低的水平，熔敷金屬的強(qiáng)度宜不小于母材強(qiáng)度，組織為奧氏體+少量鐵素體(少量鐵素體可有效防止產(chǎn)生熱裂紋[12])。當(dāng)設(shè)計(jì)需要時(shí)，其耐腐蝕性能不應(yīng)低于母材相應(yīng)的要求。

試驗(yàn)初期選擇H03Cr21Ni10和H08Cr20Ni10Nb奧氏體不銹鋼焊絲，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，采用這兩種焊絲焊接時(shí),焊接接頭抗拉強(qiáng)度均低于母材標(biāo)準(zhǔn)下限值。為滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及NB/T 47014—2011要求，結(jié)合車(chē)輛-40 ℃設(shè)計(jì)溫度等因素，最終選擇雙相不銹鋼焊絲：SAW選用符合NB/T 47018.4—2011《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件 第4部分：埋弧焊鋼焊絲和焊劑》的H03Cr22Ni8Mo3N(?4.0 mm)焊絲+GXS-330焊劑,焊絲化學(xué)成分見(jiàn)表3，焊材熔敷金屬力學(xué)性能見(jiàn)表4；GMAW選用符合YB/T 5092—2005《焊接用不銹鋼絲》的H03Cr22Ni8Mo3N(?1.2 mm)焊絲(保護(hù)氣為97%Ar+3%CO2)。

表3 H03Cr22Ni8Mo3N焊絲化學(xué)成分 %

表4 焊材熔敷金屬力學(xué)性能(SAW,GMAW)

罐車(chē)運(yùn)輸介質(zhì)腐蝕性雖較弱，但按設(shè)計(jì)需要耐晶間腐蝕性能，在采購(gòu)焊材時(shí)與供應(yīng)商簽訂附加協(xié)議，要求SAW及GMAW熔敷金屬耐腐蝕試驗(yàn)按GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》中方法E進(jìn)行,即腐蝕試樣經(jīng)彎曲后在10倍放大鏡下觀(guān)察彎曲試樣表面，不能產(chǎn)生裂紋。

1.3 坡口形式

罐體壁厚為8 mm,焊接方法為SAW,試驗(yàn)試板坡口形式如圖1(a)所示。罐體支撐結(jié)構(gòu)厚度為12 mm,焊接方法為GMAW,試驗(yàn)試板坡口形式如圖1(b)所示。

(a)SAW

(b)GMAW

1.4 焊接電源

焊接設(shè)備分別選用MZ-1000埋弧焊焊機(jī)和松下YM-350AG2焊機(jī)，直流反接。

1.5 工藝措施

焊前用砂輪打磨焊縫兩側(cè)25 mm區(qū)域，并用不銹鋼專(zhuān)用鋼絲輪清理，減少母材和焊縫中的有害雜質(zhì)含量；焊接時(shí)盡量采用小熱輸入(小電流、快速焊)，如焊接線(xiàn)能量過(guò)大，不銹鋼焊接接頭耐晶間腐蝕性能下降，嚴(yán)格控制層間溫度不超過(guò)100 ℃，減小熔池過(guò)熱，加快冷卻速度，防止晶粒長(zhǎng)大，縮短焊接接頭在敏化溫度區(qū)間(450～850 ℃)的停留時(shí)間，采用窄焊道、多道多層、不擺動(dòng)焊接。SAW和GMAW焊接工藝參數(shù)分別見(jiàn)表5,6。SAW焊接時(shí)，首先在背面采用GMAW進(jìn)行打底焊，以防正面埋弧焊擊穿；待正面SAW焊接完畢后，再打磨去除背面GMAW部分，然后進(jìn)行背面的SAW焊接。

表5 SAW焊接工藝參數(shù)

表6 GMAW焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 外觀(guān)檢測(cè)

按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》對(duì)焊接試板進(jìn)行了外觀(guān)檢驗(yàn)。焊縫成型良好、過(guò)渡圓滑，表面無(wú)裂紋、咬邊、未熔合、氣孔、夾渣等缺陷。

2.2 無(wú)損檢測(cè)

按NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》對(duì)其進(jìn)行了滲透和射線(xiàn)探傷，未發(fā)現(xiàn)裂紋、未焊透、未熔合等缺陷，焊縫質(zhì)量良好。

2.3 焊接接頭力學(xué)性能及彎曲性能

依據(jù)NB/T 47014—2011規(guī)定對(duì)焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，其結(jié)果如表7所示。接頭抗拉強(qiáng)度、彎曲性能均合格，沖擊吸收能量相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)要求值KV2≥27 J尚有一定的余量，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表7 焊接接頭力學(xué)性能及彎曲性能

2.4 微觀(guān)組織分析

由于罐體SAW為產(chǎn)品生產(chǎn)制造關(guān)鍵，因此重點(diǎn)分析SAW焊接接頭的顯微組織、硬度。其顯微組織如圖2所示?？梢钥闯?，焊縫與母材熔合良好，熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大比較嚴(yán)重，而焊縫區(qū)晶粒比較細(xì)??；母材為奧氏體組織，熱影響區(qū)和焊縫區(qū)都不同程度有鐵素體析出。

通過(guò)舍弗勒?qǐng)D[1]確定焊縫中的鐵素體含量。

母材：

ω(Cr)eq=[ω(Cr)+ω(Mo)+1.5ω(Si)

+0.5ω(Nb)](×100%)

=20.575

ω(Ni)eq=[ω(Ni)+30ω(C)+0.5ω(Mn)](×100%)

=11.15

圖2 SAW接頭顯微組織

焊材：

ω(Cr)eq=[ω(Cr)+ω(Mo)+1.5ω(Si)

+0.5ω(Nb)](×100%)

=26.85

ω(Ni)eq=[ω(Ni)+30ω(C)+0.5ω(Mn)](×100%)

=10.025

埋弧焊的熔合比約為50%～75%[13]，則根據(jù)舍夫勒?qǐng)D推算，焊縫中鐵素體含量約為20%～30%。

利用QSN750型光電直讀光譜儀，測(cè)得焊縫區(qū)各奧氏體形成元素和鐵素體形成元素含量，分別計(jì)算焊縫區(qū)鉻當(dāng)量ω(Cr)eq和鎳當(dāng)量ω(Ni)eq：

ω(Cr)eq=[ω(Cr)+ω(Mo)+1.5ω(Si)

+0.5ω(Nb)](×100%)

=22.927

ω(Ni)eq=[ω(Ni)+30ω(C)+0.5ω(Mn)](×100%)

=9.45

通過(guò)查詢(xún)舍夫勒?qǐng)D，可估算出焊縫中鐵素體含量約為30%，與按熔合比推算的結(jié)果基本一致。

2.5 微觀(guān)硬度分析

使用維氏硬度儀對(duì)SAW焊接接頭和母材的顯微硬度進(jìn)行了測(cè)量，硬度測(cè)量位置見(jiàn)圖3，每個(gè)區(qū)域3個(gè)點(diǎn)取平均值，顯微硬度分布曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

圖3 SAW接頭宏觀(guān)金相

圖4 SAW接頭顯微硬度分布曲線(xiàn)

從圖4可以看出，焊縫區(qū)硬度最低，熱影響區(qū)硬度最高，母材硬度介于兩者之間，在數(shù)值上各區(qū)域硬度變化并不是很大。熱影響區(qū)的顯微硬度稍高于其他區(qū)域，這有可能是由于鐵素體沿晶界析出產(chǎn)生了晶界強(qiáng)化，且少量的鐵素體相增加了晶界和亞晶界的面積、減少了有害雜質(zhì)的偏析。

3 結(jié)論

(1)國(guó)內(nèi)首次焊接06Cr19Ni9NbN高強(qiáng)不銹鋼鋼結(jié)構(gòu)，本研究為06Cr19Ni9NbN高強(qiáng)不銹鋼的應(yīng)用提供了新思路。

(2)06Cr19Ni9NbN高強(qiáng)奧氏體不銹鋼SAW使用雙相不銹鋼焊絲H03Cr22Ni8Mo3N+GXS-330焊劑、GMAW使用雙相不銹鋼焊絲H03Cr22Ni8Mo3N,均獲得了高質(zhì)量的焊縫，焊縫和熱影響區(qū)外觀(guān)及各項(xiàng)力學(xué)性能均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

(3)SAW采用Ⅰ型坡口雙面焊，焊接工藝過(guò)程較簡(jiǎn)單，便于現(xiàn)場(chǎng)操作控制，且能保證焊接質(zhì)量。