淺析TSZ410鐵素體不銹鋼焊接性能及工藝

唐家佳

(神華神東煤炭集團公司皮帶機公司，內蒙古 伊金霍洛旗 017200)

0 引言

帶式輸送機具有輸送能力大、運輸距離遠、結構簡單、易于維護、能方便地實現程序化控制和自動化操作、適合在惡劣環境下作業等特點，已廣泛應用于煤炭行業。為增強礦用帶式輸送機結構件的耐腐蝕能力，提高結構件的使用壽命，減輕工人安裝及搬運的勞動強度，選用一種新型的TSZ410鐵素體不銹鋼材料代替原先的碳鋼加工帶式輸送機機身。主要圍繞帶式輸送機標準段的槽輥支架、H架所用TSZ410鐵素體不銹鋼材料的焊接展開分析，通過對母材的分析，選擇合適的焊接方法、焊接設備，制定新的加工工藝，從而確保該不銹鋼的焊接質量，提高焊接效率。為TSZ410鐵素體不銹鋼材料在結構件實際生產過程中提供一定的參考依據。

1 各類不銹鋼的特性

不銹鋼是指在大氣、水、酸、堿和鹽溶液或其他腐蝕介質中具有高度化學穩定性的合金鋼的總稱。這種鋼材中Cr含量>10.5%；由于Cr的作用，鋼材表面生成一層致密的不溶解于某些介質的堅固的富Cr氧化薄膜(鈍化膜)，使金屬與外界介質隔離而不發生化學作用。但是不銹只是“相對的”。

1.1 馬氏體型

馬氏體不銹鋼一般含有13%～18%的Cr及較高含量的碳(0.1%～1.0%)。這類不銹鋼的特點是具有較高的硬度、強度、耐磨性、抗疲勞性及一定的耐腐蝕性。為改善馬氏體不銹鋼的焊接性能，將碳含量降至0.07%以下，為獲得馬氏體相變的可能性再加入一定量的鎳，從而形成了一個新的鋼種系列，其焊接性能得到了極大的改善。但是，經過試驗普通馬氏體不銹鋼的焊接性能不佳，主要表現是淬火裂紋和延遲裂紋，因此焊后應該進行緩冷處理。

1.2 鐵素體型

一般含Cr量12%～30%，含C量較低<0.15%，有時還加入Ti、Mo、Si、Nb等，這類鋼一般不含Ni，其組織為單相鐵素體。具有良好的抗氧化性、耐蝕性和耐氯化物腐蝕斷裂性能。根據含鉻的數量可分為低鉻、中鉻、高鉻3類鋼，根據鋼的純凈度，特別是碳、氮雜質含量，又可分為普通型和高純型。普通鐵素體不銹鋼具有低溫和室溫脆性、缺口敏感性和較高的晶間腐蝕傾向、焊接性較差。但是，高純鐵素體不銹鋼含有極低的碳和氮，含鉻量高，又含有Ti、Mo、Si、Nb等元素，這類不銹鋼具有良好的力學性能、焊接性能、耐晶間腐蝕性能、耐點蝕和縫隙腐蝕、優異的耐應力腐蝕斷裂性能等。

1.3 奧氏體型

加入>25%的Ni就可以得到單相奧氏體組織，實際上采用Cr-Ni配置得到奧氏體鋼。最常見的是含Cr 18%、含Ni 8%的18-8型不銹鋼。這種鋼不但具有良好的耐蝕性，而且具有良好的韌性與塑性，并且具有一定的機械加工性能，是工業上應用最廣泛的不銹鋼。奧氏體不銹鋼具有良好的焊接性能，要特別留意選用相應的焊接材料和適宜的焊接工藝，如果選用不當，有可能引起晶粒間界面腐蝕、應力腐蝕或焊接熱裂紋等問題。

1.4 雙相不銹鋼(奧氏體+鐵素體)

雙相不銹鋼是金相組織由奧氏體和鐵素體2相組成的不銹鋼，而且各相都占有較大的比例。其韌性好，強度較高，耐氯化物應力腐蝕。雙向不銹鋼的焊接性良好，熱裂紋傾向小，焊前不需要預熱，焊后不需要熱處理。但是仍然存在著高鉻鐵素體不銹鋼的各種脆性傾向問題。為了保證焊縫中奧氏體的含量，把焊縫的鎳當量一般提高到高于母材的2%～4%，這是兩者成分上的主要區別。

1.5 沉淀硬化型不銹鋼

沉淀硬化不銹鋼是在不銹鋼中單獨或復合添加硬化元素，通過適當熱處理獲得高強度、高韌性并具有良好耐蝕性的一類不銹鋼。它們是在18-8鋼或Cr13鋼基礎上發展起來的馬氏體沉淀硬化不銹鋼，都是在最終形成馬氏體后，經過時效處理析出碳化物及金屬間化合物而產生沉淀強化作用的。通常作為耐磨、耐蝕、高強度結構件。

2 TSZ410鐵素體不銹鋼

2.1 化學、力學性能

由于礦用帶式輸送機使用環境比較惡劣，礦井內部潮濕且含有較高的氯化物，對金屬結構件的腐蝕性較強。同時考慮載荷條件、工藝性能等方面的因素，結合以上各種類型不銹鋼的適用特性及經濟性等因素的綜合考量，最終選用鐵素體型不銹鋼加工膠帶機的結構架。在鐵素體不銹鋼的基礎上通過調整各元素的成分配置出TSZ410鐵素體不銹鋼，見表1。

TSZ410鐵素體不銹鋼具有鐵素體不銹鋼的各項優點，同時在元素成分上降低了碳、氮的含量，大大改善了該不銹鋼的力學性能和焊接性能，提高鉻的含量增強其耐蝕性，見表2。

表1 TSZ410鐵素體不銹鋼的化學成分表

表2 TSZ410鐵素體不銹鋼的力學性能表

2.2 焊接性能

帶式輸送機的結構件損壞往往是由于應變時效引起的局部脆性斷裂。在結構件支架生產過程中，原材料在經過剪切、沖壓等冷加工后會產生一定的塑性變形，焊接時又經過200～400 ℃溫度范圍內的加熱引起應變時效。金屬受到熱循環的作用，特別是在熱影響區的某些尖端附近或多層焊道中的缺陷附近，將產生較大的應力-應變集中，從而引起較大的塑性變形。這種塑性變形在焊接熱循環的作用下，會引起應變時效，稱為熱應變脆化。熱應變脆化大大降低了材料塑性，提高了材料的脆性，使材料的缺口韌性下降。

在這類鋼的焊接中，焊接熱循環會使靠近縫區的晶粒急劇變大，造成熱影響區的塑韌性降低，致使熱影響區脆化，這種脆化傾向與鐵素體不銹鋼中的C+N含量密切相關，隨著冶煉水平的提高和微合金化元素鈮鈦的加入，鐵素體不銹鋼的純凈度有較大提高，焊接熱影響區的塑韌性得到改善。

高鉻鋼在475 ℃時脆化速度最快，故稱為475 ℃脆化，為防止產生脆化，應嚴格控制這類鋼的熱加工工藝過程，焊接時應采用較小的熱輸入，也就是采取較小的焊接電流及電壓，采用較快的焊接速度，焊接時一般不做橫向擺動，厚焊縫一般采用多層多道焊的施工工藝。等待前一道的焊縫冷卻至預熱溫度后再焊接下一道焊縫；焊后退火處理時應該采用快冷措施。高純鐵素體不銹鋼焊接時，還應注意焊縫中增碳、增氮帶來的不利影響。

3 焊材、設備及注意事項

3.1 焊材的選擇

焊接材料的選擇原則一般根據焊接結構材料的化學成分、生產工藝力學性能、焊接位置、服役環境(有無腐蝕介質、高溫或低溫等)、焊接結構形式的復雜程度及剛性大小、受力情況及現場焊接設備條件等情況綜合考慮。

由于焊接工藝本身的特點，即使采用耐蝕性較好的母材，有時也不能制造出同樣耐腐蝕能力的焊接結構。接頭在腐蝕機制上與母材并無不同，但由于焊接引起的成分和組織不均勻性，局部的應力應變集中，焊接缺陷，以及焊接殘余應力等附加因素，接頭的耐腐蝕力明顯低于母材，因此，焊接接頭的抗腐蝕問題比較復雜，也比較重要。

圖1 舍弗勒不銹鋼焊接金屬結構圖

通過圖1依據多數金屬的化學組成推算出焊縫金屬的相組織及鐵素體量。通過調整焊縫金屬的化學組成，控制鐵素體的適當含量，以防止焊接熱裂紋產生，這是改善不銹鋼焊接性能的有效方法。用熔焊稀釋率換算出焊縫金屬的化學組成，并分別折算成鎳當量和鉻當量，即可在組織圖中查出焊縫金屬組織的相組織和鐵素體的含量。反之，也可以按照對焊縫金屬組織的相組成要求，確定對應的鎳當量和鉻當量值。然后，據此組織圖進行焊縫金屬化學組成的調整。

通過舍弗勒不銹鋼焊接金屬結構圖以及對TSZ410鐵素體不銹鋼化學成分的分析，選用奧氏體型焊材，其焊縫金屬結構組織、綜合力學性能等可與母材相當。同時對于各種耐蝕鋼，為保證焊接接頭的高溫性能或耐腐蝕性能，要求焊縫金屬的主要合金成分與母材相似或相同。但是鐵素體不銹鋼的焊材若不要求顏色、強度等和母材一致時，一般情況下可以不選同材質焊材。這是由于為改善焊縫韌性，較為理想的方法是選擇更好的奧氏體焊材。采用奧氏體焊接材料，能保證焊縫具有較高的綜合力學性能及耐蝕性能。試驗研究結果表明，焊接材料對鐵素體不銹鋼接頭性能具有很大的影響，正確選擇焊接材料是提高焊接接頭可靠性的基礎。

在奧氏體焊材中較為理想的是ER309不銹鋼焊焊絲，其化學成分及力學性能見表3、表4。

表3 ER309不銹鋼焊絲的化學成分

表4 ER309不銹鋼焊絲熔敷金屬最小值

3.2 焊接設備的選擇

不銹鋼有良好的加工性能，除不適用火焰切割外，剪切、折彎、沖壓及切削等加工都與碳鋼類似。不銹鋼由于其表面有一層非常致密的氧化膜，它會阻止火焰切割時切割氧氣流對不銹鋼的氧化，目前不銹鋼切割使用最為普及的方法為空氣等離子切割。焊接設備可采用熔化極電弧焊(MIG)。

不銹鋼MIG焊接保護氣體應使用Ar+CO2(3～5%)或Ar+O2(2%)，不能使用純Ar或CO2氣體。純Ar保護氣體焊接時有如下缺點：①焊縫金屬液體粘度及表面張力大，易產生氣孔；②焊縫金屬潤濕性差，易形成咬邊；③電弧陰極斑點不穩定，產生陰極漂移；④電弧根部不穩定，會引起熔深及成形不規則。使用Ar+1～2%O2后可克服這些缺點，同時也利于熔滴細化和射流過度臨界電流值的下降。但O2>2%時，氧化嚴重，接頭質量下降。用Ar+CO2時，一般要CO2≤5%，否則焊縫增碳，影響耐蝕性能。

純CO2氣體焊接也不應使用，因CO2氣體在焊接電弧氛圍中會分解為CO+O，O對高溫焊縫及熔池具有強烈的氧化性，不銹鋼中的合金元素會產生嚴重氧化燒損，所以不銹鋼MIG焊接一般采用Ar氣加少量活性氣體的混合氣體。

3.3 焊接注意事項

不銹鋼表面應始終保持清潔，避免在加工過程中表面劃傷或碳鋼銹皮粘附等的污染，如使用砂輪時嵌入鐵是破壞不銹鋼保護膜的一種重要方式。嚴禁電弧擦傷不銹鋼表面，嚴禁在焊接區域外引弧及調試焊接規范。因為，當金屬表面的氧化膜或鈍化膜由于機械損傷或組織缺陷等原因引起局部破損時，裸露的金屬在介質中與周圍的鈍態金屬形成蝕點，蝕點一旦形成，腐蝕便不斷向縱深發展，形成內腔形狀不一的蝕孔。蝕孔的危害性很大，通常是引起其他局部腐蝕形態的根源。

焊件組對點焊固定后應盡快焊接，以防長時間放置變形或定位焊縫被氧化或破壞，并且正式施焊前對定位焊縫進行檢查，如有缺陷應處理后方可進行。

焊接時應控制適合的干伸長(10～15 mm)，應及時清理焊槍保護套內的飛濺，保證送絲順暢，避免焊接區域保護不良。

氣體保護焊當風力≥2 m/s應禁止室外焊接施工。

每條焊縫起、收弧處填滿，不允許有弧坑，以免產生縮孔及裂紋等。

定位焊后要將焊渣清理干凈，確保焊縫成型，避免未熔合現象產生。

合理焊接順序是防止焊接變形的最重要的環節，焊接時按照先四周主筋板，后其他筋板、隔板；先縱焊縫后橫焊縫；先里后外；對稱交錯的焊接原則對結構件進行施焊，可有效地防止結構件的焊接變形。

4 不銹鋼的焊接實驗

4.1 試件焊接

初步制定相應的焊接規范進行試件焊接，通過實驗檢驗焊接試件是否合格。

試件：①母材—TSZ410；②工藝—MIG；③焊材型號—ER309；④材規格—φ1.2；⑤坡口形式—V形坡口；⑤坡口角度—30°；⑥鈍邊—0.5 mm。

焊接規范：見表5。

檢驗方法：見表6、表7。

表6 TSZ410的焊接試板的彎曲檢驗

表7 TSZ410的焊接試板的拉伸檢驗

驗證結果：通過以上實驗可驗證，焊接后焊縫的物理性能與母材相當，所制定加工工藝完全滿足帶式輸送機結構架的使用要求。

4.2 焊接工藝參數確定

焊接熱輸入：通過對鐵素體不銹鋼焊接性、焊接工藝及焊接接頭組織性能試驗研究表明，焊接時遵循“小規范、快速焊、不擺弧”的原則，嚴格控制焊縫熱輸入，推薦焊接熱輸入為<1 kJ/mm。

焊接方法：MIG焊，保護氣體97%Ar+3%CO2。

焊接材料：采用ER309焊絲。

對接坡口型式：60° V型坡口，無鈍邊，根部間隙1～1.5 mm。

角接及T型接頭：4 mm以下的厚度不用開破口，直接焊接，單面一次焊透。4～6 mm厚度對接焊縫可采用不開破口接頭雙面焊。6 mm以上，一般開V或U，X形坡口。

焊槍角度：焊接使用左向焊，傾角在15°～ 25°時最佳。

工藝參數：見表8。

表8 焊接工藝參數

4.3 焊接接頭表面處理

焊后應將焊接產生的飛濺清理干凈，去處焊縫及焊接熱影響區的氧化色，因為他們的存在會誘發不銹鋼產生腐蝕，所以不銹鋼的焊接接頭要進行酸洗或機械拋光。保持不銹鋼表面清潔、光滑，可獲得最佳耐蝕性。

目前效率較高效果較好的處理方式為利用不銹鋼酸洗鈍化膏進行清洗，清洗時將適量鈍化膏涂抹在不銹鋼表面，厚度約為1～2 mm，保持20～120 min或更長時間，處理過程中最好用不銹鋼絲刷清理，表面氧化皮、銹蝕完全清除干凈后，用清水沖凈，避免返銹。

5 結語

通過對TSZ410不銹鋼化學成分及力學性能的分析、焊接性能的探討、焊接設備及焊材的選用、焊接過程中應注意的事項及焊接試板的檢驗等方面的探討，制定了較為合理的焊接工藝，可為TSZ410不銹鋼材料的焊接提供一定的參考依據。