探索1Cr13不銹鋼方形水管手工電弧焊焊接工藝改進

喻紅中

(貴州職業技術學院，貴州貴陽550023)

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探索1Cr13不銹鋼方形水管手工電弧焊焊接工藝改進

喻紅中

(貴州職業技術學院，貴州貴陽550023)

從實際情況出發，針對1Cr13馬氏體不銹鋼方形水管手工電弧焊拼裝焊接扭曲變形大和焊縫裂紋傾向嚴重這一問題進行焊接工藝的改進研究。通過技術資料分析和實踐操作探討，解決了1Cr13馬氏體不銹鋼拼裝焊接所存在的這一問題。通過改進工藝措施,焊后扭曲變形控制在3 mm以內，焊縫滲透檢測合格率達100%，符合設備要求的使用性能。

焊接工藝 脆化 冷裂紋 焊接變形

0 引言

圖1 1Cr13馬氏體不銹鋼方形水管

研究焊接工藝改進對象為鋁合金扁錠鑄造機設備水循環系統的1Cr13馬氏體不銹鋼方形水管，方形水管邊長為150 mm，管

板厚度為18 mm，如圖1所示。該方形水管的焊接制作要求誤差小、零焊接裂紋，且方形水管在工作過程中重復定位精度高。近年來，隨著我國工業的迅速發展，該類型設備的需求越來越大，并能帶來較大的經濟效益。然而方形水管的制造技術與整體設備制造的難易程度密切相關。在國外該部件的生產工藝主要以擠壓成型為主，國內則多采用拼裝焊接為主。1Cr13馬氏體不銹鋼材料，具有較高的硬度和耐磨性，但受熱時容易產生裂紋和變形，所以焊接性能很差。

1 工藝分析

就物理性能而言，1Cr13馬氏體不銹鋼具有較高的硬度和耐磨性，但在高溫受熱時容易產生裂紋和變形，塑性、韌性和焊接性能較差[2]。

1.1 1Cr13馬氏體不銹鋼焊接特點

1)在焊接熱循環的作用下，熱影響區晶粒急劇長大，從而使焊縫變脆，即使選用的焊接材料與母材相匹配，焊縫金屬也會產生脆化現象。因此，宜選用含Cr、Ni較高的焊接材料[1]。

2)由于1Cr13不銹鋼的塑性和韌性都差，冷卻時容易在焊縫和熱影響區產生裂紋，因此需要緩慢地冷卻焊縫和熱影響區。

1.2 方形水管受熱變形大

該方形水管的規格尺寸為(長×寬×高)：4 370 mm×150 mm×150 mm(或2 950 mm×150 mm×150 mm)。由于水管長度較長，且拼裝過程中不能對水管的四個角同時進行焊接，所以在熱影響作用下，水管易出現嚴重的扭曲變形，無法達到部件的制作要求。

2 解決辦法

鑒于1Cr13馬氏體不銹鋼的焊接特殊性和水管規格尺寸相對細長等特點，在拼裝焊接過程中應采取適當措施改善焊接性能。

2.1 解決冷裂紋傾向的措施

2.1.1 焊接方法的選擇

常見的馬氏體不銹鋼焊接方法有氬弧焊、電子束焊以及埋弧焊等。根據實際情況分析，主要選擇手工電弧焊進行打底焊接，埋弧自動焊用于層間焊接[3]。埋弧自動焊具有焊接電流大、焊接質量高等特點。一方面，增大焊接電流可以彌補馬氏體不銹鋼導熱性差這一缺點，通過增大焊接電流可以提高焊接區域的溫度和增大熱影響區的面積，適當降低熱影響區的降溫速度，盡量避免改變焊接區域的塑性和韌性，以減小冷裂紋的產生。

2.1.2 焊材的選擇

通過上述工藝分析，可以選擇成分與馬氏體不銹鋼成分相同或相近的焊接材料進行焊接。防止冷裂紋的產生，要求焊材S、P的含量應小于0.015%，Si的含量應低于0.3%，碳的含量一般應低于母材的含碳量，以降低淬透性[4]。通常馬氏體不銹鋼的焊接材料有1Cr13型和Cr-Ni型焊條和焊絲。通過對兩種焊材焊接試驗對比，實踐證明Cr-Ni型焊條焊接出來的焊縫可以有效的避免冷裂紋的產生，且焊縫塑性好，焊后熱處理效果明顯。

2.1.3 焊前預熱

預熱是防止焊縫硬脆和產生冷裂紋的一個很有效的措施。一般預熱溫度至200℃～400℃，預熱之后可以很好的改善母材與焊縫融合區域的溫度差、減小因焊接熱量引起的內應力，同時也減慢了部件的冷卻速度，防止因內應力的存在而引起冷脆裂紋。

2.1.4 焊后熱處理

方形水管焊后緩冷到150℃～200℃，并進行焊后熱處理以消除焊接殘余應力，去除焊縫接頭中擴散氫，同時也可以改善接頭的組織和性能。

2.2 解決焊接變形的控制措施

經分析，產生焊接變形的因素較多，主要存在的因素有方形水管管板材料的獲取(原始存在因素)、管板材料可焊性以及焊接熱源的影響。

2.2.1 管板材料的獲取

1-加強版；2-切割線；3-等離子矯正板；4-1Cr13鋼板(δ=18 mm)圖2 等離子切割示意圖

方形管板材料的獲取通常有兩種方法：即機械剪切下料和(氧乙炔)切割下料。不管是剪切下料還是切割下料都會產生不同程度的變形。受水管長度和管板厚度因素的影響，綜合分析和實踐證明，等離子切割下料的方法最佳。結合等離子切割特點，切割作如圖2所示的工藝改進：

等離子切割工藝控制管板材料變形的方案：

1)焊接加強板控制管板材料的縱向變形

由于切割距離較長，因此在切割線的垂直方向上依次焊接加強板1，嘗試控制因切割熱源引起的管板板材料的縱向變形，待整板切割完成且均勻冷卻之后撤離加強板。實踐證明焊接加強板能有效的控制板材縱向變形；

2)增設等離子矯正板3，在保證管板材料受熱均勻的同時，提高管板材料的切割質量；

實踐操作經驗表明，起弧初期需對等離子弧柱進行方向、機械壓縮、熱壓縮和電磁收縮調節，這樣必然會在板材端面上注入大量的熱源，增大板材的切割變形。為了合理地避開大量熱源的影響，在板材端面增設等離子矯正板成為一種行之有效的方法。另外，通過改進這種切割工藝還可以保證被切割板切割端面的光潔度和垂直度，為后續焊接工作打下基礎。

2.2.2 材料自身可焊性的原因

1Cr13馬氏體不銹鋼具有導熱系數低(100℃時為28.7 W/m·℃)線膨脹系數相對較大(0～538℃時為(11.6～12.1)×10-6/℃)，造成焊接應力大，焊縫填充金屬強度足夠時，焊接工件在內應力作用下發生變形。因此焊前應進行預熱處理，在改善焊接性的同時減少氫的來源；焊接過程中適當提高焊接電流；焊后適當降低冷卻速度，使H2最大限度的從焊縫中逃逸出來，降低產生氫致裂紋的可能性。

2.2.3 利用機械反作用力方式控制焊接變形

如前所述，拼裝過程中不能對水管的四個角同時進行焊接，所以在熱影響作用下，水管會出現很嚴重的扭曲變形。鑒于此現象的存在，其解決辦法采用機械反作用力方法控制變形。如圖3所示：在機械反作用力控制變形的焊接過程中，先將1號不銹鋼板點焊固定在4號焊接平臺上，然后分別將兩塊立板置于平鋪的鋼板1上，同樣將其與1號不銹鋼板點焊固定。然后通過楔形鐵塊調整與1號不銹鋼板的垂直度，之后加蓋方管上端的鋼板，調平放直點焊固定。同時在方管長度方向上每隔500 mm焊接一個7形卡子，用楔形鐵塊2鎖緊四塊鋼板，控制方管4個方向上的自由度，避免產生扭曲變形。然后采用手工電弧焊進行打底焊接， 埋弧焊進行層間焊接。焊接過程中適當增大焊接電流，焊后立即進行保溫處理適當降低冷卻速度，達到與焊后熱處理效果一樣的消除焊接殘余應力，減少冷裂紋傾向和焊縫金屬的脆化現象。

1-1Cr13鋼板；2-楔形鐵塊；3-7形卡子；4-焊接平臺圖3 方形水管機械反作用力控制變形示意圖

3 總結

利用上述工藝改進方案，反復實踐證明1Cr13馬氏體不銹鋼焊接變形和焊縫裂紋傾向得到了很好的控制，焊縫質量明顯提高，滲透檢測合格率達到90%以上。避免了反復修補焊縫和來回機械調校變形量的問題，提高了生產效率，極大地降低了制造成本。

[1] 齊春華，陳宇，蘇立偉.1Cr13(馬氏體)不銹鋼的焊接[J].水利科技與經濟,2006，12(6)：404-405.

[2] 鄧文英.金屬工藝學[M].北京:高等教育出版社,2001.

[3] 李亞江，等.高硬度材料的焊接[M].北京:冶金工業出版社,2010.

[4] 李亞江，等. 實用焊接技術手冊[M].石家莊：河北科學技術出版社,2002.

Improvement on SMAW welding process of 1Cr13 stainless steel square pipe

YU Hongzhong

Manual arc welding process of 1Cr13 stainless steel square pipe was improved, aiming at its large distorted deformation and serious weld crack tendency. Through the analysis of technical data and practice operation, this problem which the welding assembly of 1Cr13 martensitic stainless steel exists was solved. Using the improved process, the welding distortion is less than 3 mm，the qualified rate of weld penetration detection 100%, which can meet the practical performance of equipment requirements.

welding technology, embrittlement, cold crack, welding deformation

TG404

B

1002-6886(2016)06-0095-03

喻紅中(1984-)，男，貴州沿河人，實驗師，研究方向：機械制造。

2016-09-05