異種金相體不銹鋼薄壁管焊接工藝研究

李云艷 喻高旗 唐啟濤

摘要：本文對(duì)奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti和馬氏體不銹鋼1Cr17Ni2的薄壁管焊接進(jìn)行工藝研究。通過原理分析和工藝試驗(yàn)件，確定了合適的焊接方法、焊絲和工藝控制措施，并進(jìn)行嚴(yán)苛的焊接檢驗(yàn)，焊接性能良好。將研究成果用于批量生產(chǎn)，焊縫質(zhì)量全部滿足產(chǎn)品要求。此項(xiàng)工藝研究能為異種金相體不銹鋼薄壁管的焊接提供一套成熟的工藝方案。

關(guān)鍵詞：異種金相體不銹鋼;焊接方法;工藝參數(shù)

前言

近年來，在航空、航天等諸多領(lǐng)域，零件需在復(fù)雜多變的惡劣環(huán)境下正常服役。零件的組成部位需在不同工作環(huán)境承受不同的強(qiáng)度、耐腐蝕等要求，此時(shí)零件要滿足不同工作條件對(duì)材質(zhì)提出的不同要求，發(fā)揮不同材料的性能優(yōu)勢，需采用異種不銹鋼制造的焊接結(jié)構(gòu)。

在實(shí)際研究中，碳鋼與不銹鋼、合金鋼與不銹鋼、同金相體不銹鋼的焊接工藝進(jìn)行了廣泛的研究，而不同金相體不銹鋼焊接的研究較少，其中1Cr18Ni9Ti不銹鋼和1Cr17Ni2不銹鋼就屬于不同金相體，它們分別為奧氏體不銹鋼和馬氏體不銹鋼。本文以1Cr18Ni9Ti不銹鋼和1Cr17Ni2不銹鋼在薄壁管的焊接為例分析異種金相體不銹鋼薄壁管的焊接工藝。

1焊接性分析

焊接性分析主要包括工藝焊接性和使用性能，工藝焊接性是指材料在焊接加工中是否容易形成接頭或產(chǎn)生缺陷，使用性能是指焊接完成的接頭在其使用條件下是否能可靠運(yùn)行。由此，焊接性主要影響因素是材料因素和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)因素。

1.1材料分析

1Cr18Ni9Ti為奧氏體不銹鋼，抗拉強(qiáng)度σb≥539N/mm2，經(jīng)冷加工后有高強(qiáng)度，其焊接性能良好，常用的焊接方法均可對(duì)其進(jìn)行焊接，如激光焊、TIG焊、MIG焊等。1Cr17Ni2為馬氏體不銹鋼，抗拉強(qiáng)度σb≥1079N/mm2，具有較高強(qiáng)度，且耐硝酸及有機(jī)硝酸腐蝕，焊接性能良好。

1Cr18Ni9Ti和1Cr17Ni2兩種材料雖同屬不銹鋼，但金相不同，其物理、化學(xué)性能及化學(xué)成分等有顯著差異，從焊接性和操作技術(shù)上都比同種材料難于控制，其焊接主要難點(diǎn)有三點(diǎn)：第一，焊接過程中，由于金相組織的變化會(huì)使焊接接頭的性能惡化，造成焊接困難;第二，焊接熔合區(qū)合熱影響區(qū)的力學(xué)性能較差，特別是塑性和韌性明顯下降;第三，接頭塑韌性的下降以及焊接應(yīng)力的存在，焊接接頭容易產(chǎn)生裂紋，尤其是焊接熔合區(qū)和熱影響區(qū)更容易產(chǎn)生裂紋，甚至發(fā)生斷裂。

1.2?結(jié)構(gòu)分析

1Cr18Ni9Ti的管壁厚度為1mm，1Cr17Ni2的管壁厚度為1.5mm，均屬于超薄壁厚。不銹鋼焊接過程中鐵液發(fā)粘，再加上管壁超薄，焊接有一定的難度。

熱輸入較大時(shí)，出現(xiàn)焊縫表面不均勻、焊漏、焊接變形大等質(zhì)量問題，不能滿足產(chǎn)品質(zhì)量。熱輸入較小時(shí)，焊縫根部出現(xiàn)未焊透等缺陷，不能滿足產(chǎn)量質(zhì)量。

2焊接工藝

焊接異種鋼材料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一層成分、組織及性能與母材不同的過渡層，過渡層的性能對(duì)焊接接頭的整體性能有很大的影響。

因此，結(jié)合原理分析和工藝試驗(yàn)件，嘗試采用適合的焊接方法、焊接參數(shù)和工藝控制措施來保證焊接質(zhì)量：第一，采用合適的焊接方法，選擇合適的熔合比，盡量縮短被焊材料在液態(tài)停留的時(shí)間，以防止或減少生成金屬間化合物。第二，選擇合適的焊絲，能很好的結(jié)合兩種母材，以阻止脆性化合物相的產(chǎn)生和提高接頭的強(qiáng)度性能。第三，焊接時(shí)要嚴(yán)格控制焊接參數(shù)，同時(shí)增加工藝控制措施，保證焊縫質(zhì)量。

2.1?焊接方法選擇

薄壁管壁厚很小，最常見的是采用激光焊進(jìn)行焊接，而激光焊對(duì)零件的間隙要求非常苛刻，結(jié)合零件結(jié)構(gòu)的常規(guī)性，選用了熔焊。熔焊分為熔化極氣體保護(hù)焊（如TIG焊）和非熔化極氣體保護(hù)焊（如MIG焊），其熔合比不同。

過大的熔合比，會(huì)增加母材對(duì)焊縫金屬的稀釋率，使過渡層更為明顯，則異種不銹鋼薄壁管應(yīng)選擇熔合比較小的焊接方法。MIG焊的熔合比為10%～80%，TIG焊的熔合比為20～40%，由上，1Cr18Ni9Ti和1Cr17Ni2的薄壁管焊接選擇TIG焊（鎢極氬弧焊）。

2.2?焊絲選擇

2.2.1?理論分析

異種鋼焊接時(shí)，主要依據(jù)母材的成分組織和焊件的工作條件來選擇合適的焊接材料。1Cr18Ni9Ti和1Cr17Ni2的薄壁管需具有良好的抗裂性和耐腐蝕性能。運(yùn)用Scheaffler焊縫組織圖預(yù)測焊縫組織，確保焊縫成分合理（保證塑性、韌性和抗裂性）。按《焊接工程師手冊》要求以及多年積累的焊接經(jīng)驗(yàn)，工程師初步選定了以下三種焊絲：H0Cr21Ni10Mn6、H1Cr18Ni9Ti和H1Cr16Ni25Mo6N。

2.2.2?金相分析

采用以上三種焊絲在9件試驗(yàn)件上進(jìn)行焊接，并將焊縫組織進(jìn)行金相分析。

采用焊絲H1Cr16Ni25Mo6N焊接時(shí)，焊縫金相組織處于單相奧氏體，該組織抗熱裂性能差，不適用;采用焊絲H1Cr18Ni9Ti焊接時(shí)，焊縫金相組織處于奧氏體+馬氏體，該組織耐腐蝕性能差，不適用;采用焊絲H0Cr21Ni10Mn6焊接時(shí)，此焊縫金相組織為奧氏體+鐵素體雙相組織，其抗裂性和耐腐蝕性均良好。

故選用采用焊絲H0Cr21Ni10Mn6，以滿足質(zhì)量要求。

2.3?焊接參數(shù)

2.3.1焊接電流

焊接電流是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素，不銹鋼在焊接過程中有熱裂紋傾向及貧鉻現(xiàn)象，嚴(yán)格控制熱輸入量尤為重要。電流過小，缺少足夠的熱輸入，不能使母材充分熔化，形成未焊透。電流過大，薄壁管壁厚小，極易焊漏，不滿足質(zhì)量要求。

經(jīng)過多件試驗(yàn)件的摸索，將焊接電流控制25A～35A最為合適。

2.3.2工藝控制措施

周圍空氣的侵入會(huì)導(dǎo)致焊縫或熱影響區(qū)出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷，焊接時(shí)需增加焊縫內(nèi)外氣體保護(hù)。

不銹鋼焊接時(shí)在特定溫度區(qū)間（450℃～850℃）易產(chǎn)生區(qū)域貧鉻現(xiàn)象，異種金相體不銹鋼焊接更加明顯，會(huì)導(dǎo)致焊接接頭出現(xiàn)晶間腐蝕現(xiàn)象。不銹鋼焊接時(shí)，一般不需要焊前預(yù)熱，也不需要焊后熱處理，則應(yīng)該嚴(yán)格控制冷卻速度和溫度

為盡量減少焊接接頭在危險(xiǎn)溫度范圍內(nèi)停留時(shí)間，采用焊接過程中通氣降溫和焊后快速水冷的工藝控制措施。

3?焊縫檢驗(yàn)

薄壁管焊縫屬于一級(jí)焊縫或二級(jí)焊縫，焊接質(zhì)量要求嚴(yán)格。焊縫檢驗(yàn)需進(jìn)行100%外觀檢驗(yàn)（10倍放大鏡）、100%X光檢驗(yàn)、100%液壓試驗(yàn)和100%氣密試驗(yàn)。

焊接后，全部試驗(yàn)件焊縫表面無裂紋、無表面氣孔、無咬邊、無凹坑等缺陷，焊縫圓滑過渡。全部試驗(yàn)件焊縫內(nèi)部X光無氣孔、無夾渣、無未焊透等缺陷。焊縫承受35MPa液壓試驗(yàn)，保持5分鐘，無漏油、滲油、永久變形和損壞現(xiàn)象。焊縫承受4Mpa氣密試驗(yàn)，保持1min，無漏氣現(xiàn)象。焊接質(zhì)量均滿足一級(jí)焊縫要求，焊縫性能良好。

4研究應(yīng)用

將此項(xiàng)異種金相體不銹鋼薄壁管的一套成熟的工藝方案用于航空產(chǎn)品-彈射座椅內(nèi)的伸縮套管的焊接。該零件的材料為1Cr18Ni9Ti和1Cr17Ni2，管壁為1mm，是異種金相體不銹鋼薄壁管的典型零件，焊縫等級(jí)為一級(jí)焊縫。

批量生產(chǎn)時(shí)，焊縫質(zhì)量滿足產(chǎn)品要求，合格率為100%，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

5結(jié)論

異種金相體不銹鋼薄壁管的焊接存在一定難度，但選擇合適的焊接方法和焊接參數(shù)，適當(dāng)增加一些工藝控制措施，焊接質(zhì)量可以很好的控制，得到良好的焊接性能。

以1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼和1Cr17Ni2馬氏體不銹鋼，管壁為1mm的異種金相體不銹鋼薄壁管為例，選用H0Cr21Ni10Mn6焊絲進(jìn)行TIG焊，選用焊接電流、快速水冷、內(nèi)部通氣等工藝控制措施，焊接質(zhì)量良好，批量生產(chǎn)焊接質(zhì)量穩(wěn)定。

異種金相體不銹鋼薄壁管的焊接工藝重點(diǎn)在于焊接方法和焊材的選用，同時(shí)需要增加合適的工藝控制措施。