超級馬氏體不銹鋼04Cr13Ni5Mo焊接性能研究

曹 陽

(中國水利水電第十工程局有限公司 機電安裝分局，四川 都江堰 611830)

1 概 述

目前，國內水電站閘門金屬結構的門槽導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，但其強度較低，而且不可能通過相變使其強化，僅能通過冷加工進行強化。但是，隨著工程質量標準的提升，對材料的強度要求也越來越高，奧氏體不銹鋼在一些工程項目中已經不能滿足使用要求。越來越多的水電站項目多采用超級馬氏體不銹鋼04Cr13Ni5Mo代替奧氏體不銹鋼作為閘門門槽導軌的材料。馬氏體不銹鋼是一種通過熱處理即可以調整其力學性能的不銹鋼，是一類可硬化的不銹鋼，其硬度、耐磨性均優于奧氏體不銹鋼。但由于其焊接性能大大低于奧氏體不銹鋼，極易出現焊接裂紋，因此，其在工程實際應用中受到限制[1]。超級馬氏體不銹鋼是指通過各項控制技術降低C、N含量、將碳含量控制在0.02%以下的馬氏體不銹鋼，其具有良好的強度、韌性、可焊性及耐磨耐腐蝕性能[2]。因此，對超級馬氏體不銹鋼04Cr13Ni5Mo的焊接性能進行研究具有非常重要的現實意義。闡述了對超級馬氏體不銹鋼04Cr13Ni5Mo焊接性能進行的研究。

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鋼板的生產制造工藝為EAF+AOD兩步法冶煉及后續連鑄+熱軋工藝，最終的熱處理狀態為正火加回火，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是一種在常規馬氏體不銹鋼基礎上降低了C、N、S含量且同時加入了一定量Ni、Mo合金元素的一種超級馬氏體不銹鋼。常規馬氏體不銹鋼可焊性很差，而當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的淬硬傾向，進而提高了材料的焊接性；所加入的Ni主要補償了材料因C含量降低導致的力學性能缺陷，保證了熱影響區具有足夠的韌性，降低了因擴散氫引起的焊接冷裂傾向，對于阻礙碳化物的形成起到了一定的作用，縮小了擴散層；組織內析出的逆變奧氏體在很大程度上加強了該材料的耐蝕性和耐磨性[3]。04Cr13Ni5Mo材料化學成分及力學性能列于表1、2[4]。

表1 04Cr13Ni5Mo化學成分表

2.2 焊接材料與設備

(1)焊材。按照材質要求，最終選用自貢大西洋公司生產的E410NiMo-16焊條，焊條規格為φ4 mm。其熔敷金屬典型化學成分和力學性能見表3、4。 焊條在使用前應進行外觀檢查并嚴格按照使用說明250 ℃烘焙1 h。 烘干后的焊條應保存在100 ℃～150 ℃的恒溫箱內，隨取隨用，焊工焊接時應將焊條保存在保溫桶內。

表2 04Cr13Ni5Mo鋼板力學性能表

表3 熔敷金屬化學成分表 /%

表4 熔敷金屬力學性能表

(2)母材。母材選用板厚為24 mm的04Cr13Ni5Mo鋼板，規格為24 mm×300 mm×300 mm，采用機械加工的方式開設雙面對稱坡口，坡口角度為60°，接頭形式、焊層數和焊道的順序見圖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)焊接設備。采用NB-500星逆變半自動焊機施焊，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，焊接時采取直流反接。

2.3 焊接方法

(1)焊接的前準備工作。焊接期間，應做好施工現場焊接環境的監測工作，控制焊接現場的風速小于8 m/s、相對濕度大于90%。不得在環境溫度低于-10 ℃時進行焊接。

焊接電源必須具有參數穩定、調節靈活和安全可靠的性能，并能滿足焊接規范要求。焊接設備上的電流表、電壓表及規范參數調節裝置應計量準確，放置于干燥通風的地方，絕緣良好。

(2)焊接工藝。焊前對坡口面及坡口兩側各10～20 mm范圍內的毛刺銹蝕物、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，施焊時嚴禁在坡口區外試焊、引弧等。

多層(多道)焊時應將每道的熔渣、飛濺物清理干凈，自檢合格后再進行下道焊接。層間接頭應錯開300 mm以上并嚴格控制層間溫度，層間溫度不能超過150 ℃。采用碳弧氣刨清根，清根前，非清根側焊縫的焊接量不宜少于3層，碳弧氣刨清根后應修磨刨槽，除去滲碳層。焊縫一經正式施焊應連續焊接完成，不允許中途長時間停頓。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渣等清理干凈。

焊工應對焊接電流與速度進行嚴格控制，根據焊條推薦的焊接參數以及對焊接過程中的能量控制制定焊接工藝參數(表5)。

表5 焊接采用的工藝參數表

(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。

根據上述公式，焊接線能量為7.6～13.8 kJ/cm，處于控制范圍內。

3 焊接接頭性能檢測及結果

焊接完成后，對焊縫進行了外觀檢查，檢查結果表明：無咬邊、氣孔、裂紋等外觀缺陷。為防止延遲裂紋的出現，焊接完成24 h后再對焊縫進行UT無損檢測，無損檢測的結果表明焊縫無未熔合、未焊透等內部缺陷。無損檢測合格后，將試板送檢測機構對接頭進行各項力學性能的檢測。

檢測環境：溫度28 ℃，相對濕度65%。

檢測設備：液壓式萬能試驗機(型號WE-2000A)，游標卡尺(125型)，顯微硬度計(MH-5L)

3.1 彎曲試驗

利用液壓式萬能試驗機對試樣進行彎曲試驗，取得的試驗數據見表6。

表6 彎曲試驗結果表

彎曲試驗結果為合格，無裂紋。

3.2 拉伸試驗

利用液壓式萬能試驗機對試樣進行拉伸試驗，取得的試驗數據見表7。

表7 拉伸試驗結果表

拉伸試驗結果為合格。

3.3 硬度試驗

利用顯微硬度計對試樣進行硬度試驗，取得的試驗結果見表8。

表8 硬度試驗結果表

硬度試驗結果為合格。

以上各項檢測結果表明：所獲得的04Cr13Ni5Mo焊接接頭性能優良，能夠滿足使用要求。

4 結 語

超級馬氏體不銹鋼04Cr13Ni5Mo材料具有良好的焊接性能，其板材在不進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良的焊接接頭，所取得的經驗可供其他同類工程項目參考。