超級(jí)馬氏體不銹鋼04Cr13Ni5Mo焊接性能研究

曹 陽

(中國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)

1 概 述

目前，國內(nèi)水電站閘門金屬結(jié)構(gòu)的門槽導(dǎo)軌材料大多采用奧氏體不銹鋼。奧氏體不銹鋼無磁性且具有高韌性和塑性，但其強(qiáng)度較低，而且不可能通過相變使其強(qiáng)化，僅能通過冷加工進(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)度要求也越來越高，奧氏體不銹鋼在一些工程項(xiàng)目中已經(jīng)不能滿足使用要求。越來越多的水電站項(xiàng)目多采用超級(jí)馬氏體不銹鋼04Cr13Ni5Mo代替奧氏體不銹鋼作為閘門門槽導(dǎo)軌的材料。馬氏體不銹鋼是一種通過熱處理即可以調(diào)整其力學(xué)性能的不銹鋼，是一類可硬化的不銹鋼，其硬度、耐磨性均優(yōu)于奧氏體不銹鋼。但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，因此，其在工程實(shí)際應(yīng)用中受到限制[1]。超級(jí)馬氏體不銹鋼是指通過各項(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，其具有良好的強(qiáng)度、韌性、可焊性及耐磨耐腐蝕性能[2]。因此，對(duì)超級(jí)馬氏體不銹鋼04Cr13Ni5Mo的焊接性能進(jìn)行研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。闡述了對(duì)超級(jí)馬氏體不銹鋼04Cr13Ni5Mo焊接性能進(jìn)行的研究。

2 鋼板性能、焊接材料與焊接方法

2.1 04Cr13Ni5Mo鋼板的組織性能

04Cr13Ni5Mo鋼板的生產(chǎn)制造工藝為EAF+AOD兩步法冶煉及后續(xù)連鑄+熱軋工藝，最終的熱處理狀態(tài)為正火加回火，正火溫度為(1 000±20)℃，回火溫度為(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含量且同時(shí)加入了一定量Ni、Mo合金元素的一種超級(jí)馬氏體不銹鋼。常規(guī)馬氏體不銹鋼可焊性很差，而當(dāng)04Cr13Ni5Mo 中C、N、S含量的降低，顯著改善了母材的塑形與韌性，限制了焊接熱影響區(qū)的淬硬傾向，進(jìn)而提高了材料的焊接性；所加入的Ni主要補(bǔ)償了材料因C含量降低導(dǎo)致的力學(xué)性能缺陷，保證了熱影響區(qū)具有足夠的韌性，降低了因擴(kuò)散氫引起的焊接冷裂傾向，對(duì)于阻礙碳化物的形成起到了一定的作用，縮小了擴(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[3]。04Cr13Ni5Mo材料化學(xué)成分及力學(xué)性能列于表1、2[4]。

表1 04Cr13Ni5Mo化學(xué)成分表

2.2 焊接材料與設(shè)備

(1)焊材。按照材質(zhì)要求，最終選用自貢大西洋公司生產(chǎn)的E410NiMo-16焊條，焊條規(guī)格為φ4 mm。其熔敷金屬典型化學(xué)成分和力學(xué)性能見表3、4。 焊條在使用前應(yīng)進(jìn)行外觀檢查并嚴(yán)格按照使用說明250 ℃烘焙1 h。 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2 04Cr13Ni5Mo鋼板力學(xué)性能表

表3 熔敷金屬化學(xué)成分表 /%

表4 熔敷金屬力學(xué)性能表

(2)母材。母材選用板厚為24 mm的04Cr13Ni5Mo鋼板，規(guī)格為24 mm×300 mm×300 mm，采用機(jī)械加工的方式開設(shè)雙面對(duì)稱坡口，坡口角度為60°，接頭形式、焊層數(shù)和焊道的順序見圖1。試板焊接方式為平焊，正面三道完成后翻身，采用碳弧氣刨清根后焊接背面。

圖1 母材坡口示意圖

(3)焊接設(shè)備。采用NB-500星逆變半自動(dòng)焊機(jī)施焊，輸入電源三相380 V，額定輸入功率為25 kVA，額定輸入電流為38 A，額定輸出電流/電壓為500 A/40 V，焊接時(shí)采取直流反接。

2.3 焊接方法

(1)焊接的前準(zhǔn)備工作。焊接期間，應(yīng)做好施工現(xiàn)場焊接環(huán)境的監(jiān)測工作，控制焊接現(xiàn)場的風(fēng)速小于8 m/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，放置于干燥通風(fēng)的地方，絕緣良好。

(2)焊接工藝。焊前對(duì)坡口面及坡口兩側(cè)各10～20 mm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300 mm以上并嚴(yán)格控制層間溫度，層間溫度不能超過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，不允許中途長時(shí)間停頓。焊接過程中必須控制焊道的寬度，盡量以窄焊道操作。焊接完成后，將焊縫的藥皮及附近飛濺的殘?jiān)惹謇砀蓛簟?/p>

焊工應(yīng)對(duì)焊接電流與速度進(jìn)行嚴(yán)格控制，根據(jù)焊條推薦的焊接參數(shù)以及對(duì)焊接過程中的能量控制制定焊接工藝參數(shù)(表5)。

表5 焊接采用的工藝參數(shù)表

(3)焊接線能量控制。

式中Q為焊接線能量，kJ/cm；U為電弧電壓，V；I為焊接電流，A；V為焊接速度，cm/min。

根據(jù)上述公式，焊接線能量為7.6～13.8 kJ/cm，處于控制范圍內(nèi)。

3 焊接接頭性能檢測及結(jié)果

焊接完成后，對(duì)焊縫進(jìn)行了外觀檢查，檢查結(jié)果表明：無咬邊、氣孔、裂紋等外觀缺陷。為防止延遲裂紋的出現(xiàn)，焊接完成24 h后再對(duì)焊縫進(jìn)行UT無損檢測，無損檢測的結(jié)果表明焊縫無未熔合、未焊透等內(nèi)部缺陷。無損檢測合格后，將試板送檢測機(jī)構(gòu)對(duì)接頭進(jìn)行各項(xiàng)力學(xué)性能的檢測。

檢測環(huán)境：溫度28 ℃，相對(duì)濕度65%。

檢測設(shè)備：液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)WE-2000A)，游標(biāo)卡尺(125型)，顯微硬度計(jì)(MH-5L)

3.1 彎曲試驗(yàn)

利用液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

表6 彎曲試驗(yàn)結(jié)果表

彎曲試驗(yàn)結(jié)果為合格，無裂紋。

3.2 拉伸試驗(yàn)

利用液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7。

表7 拉伸試驗(yàn)結(jié)果表

拉伸試驗(yàn)結(jié)果為合格。

3.3 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)，取得的試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 硬度試驗(yàn)結(jié)果表

硬度試驗(yàn)結(jié)果為合格。

以上各項(xiàng)檢測結(jié)果表明：所獲得的04Cr13Ni5Mo焊接接頭性能優(yōu)良，能夠滿足使用要求。

4 結(jié) 語

超級(jí)馬氏體不銹鋼04Cr13Ni5Mo材料具有良好的焊接性能，其板材在不進(jìn)行焊后熱處理的情況下采取文中所述的焊接工藝條件下可獲得性能優(yōu)良的焊接接頭，所取得的經(jīng)驗(yàn)可供其他同類工程項(xiàng)目參考。