高氮不锈钢结构件的焊接新工艺

高氮奥氏体不锈钢因高强度、高韧性和优良的抗腐蚀性能等特点,近年来已越来越多地在重要结构部件的制造中得到应用。

气体保护焊是当前工程中应用最为广泛的焊接工艺,为解决焊接高氮奧氏体不锈钢焊缝中氮气孔超标且接头强度不足等问题,本文开发并使用了一种专用于焊接高氮不锈钢的多股绞合焊丝,利用其电弧旋转产生熔池搅拌并改善电弧能量分布的特点,使焊接接头达到结构部件的综合技术性能。

1.多股绞合焊丝的特点

多股绞合焊丝是在多根单丝的物理组合基础上,使熔化极气保焊的工艺与效果得到较大的拓展,开创了多结构、多成分、多功能的焊接技术发展思路以及高效、节能的工程应用空间。主要体现在两个方面:

(1)焊丝的结构可设计。采用不同直径或数量的单丝组合,实现对熔深、熔宽或熔覆率等的焊缝成形调控;还可以通过不同成分及其数量单丝的组合,改善和优化焊缝成分与接头性能。

(2)多股绞合焊丝形成多电弧导通机构对熔池产生搅拌功能,有利于焊缝组织的细化和气体的逸出。其中,多股焊丝的捻转方向及捻距与其电弧的旋转搅拌行为密切相关,其捻转角度直接影响焊丝末端与熔池的电流导通路径以及相应电弧力的作用。

上述特点使焊接材料与焊接工艺之间形成了一种新的可调控关系,尤其是关于多丝绞股结构所产生的电弧能量与电弧力的分布、对熔池的搅拌作用等工艺优势,为克服并控制高氮奥氏体不锈钢焊接中的缺欠问题提供了一个新的工程化解决途径。

2.试验条件

试验采用熔化极气保焊工艺,母材为高氮奧氏体不锈钢,牌号1Cr22Mn15N,试板尺寸为300mmx150mmx14mm。焊丝采用江苏联捷焊业科技有限公司制造的直径1.6mm的多股绞合焊丝,由7根直径0.53mm的单丝绞合而成,如图1所示。母材和焊丝N-1的成分如表1所示。





图1多股绞合焊丝的结构示意图

焊接设备为EWM公司的焊机,采用单面焊双面成型的焊接方式,焊接工艺参数如表2所示。焊前清理试板油污并烘干,层间温度保持在60~80℃。焊接保护气体为中(Ar)97.5%+q(CO2)2.5%,气体流量20L/min。表2GMAW焊接工艺

参数。



分别按国家标准GB/T2650-2008和GB/T2651-2008的要求,在焊接试板垂直于焊缝的方向截取焊接接头横向拉伸试样及常温冲击试样,进行力学性能的检测与对比。

3.试验结果及分析

采用焊丝N-1得到的焊接接头力学性能的结果如表3所示。



接头的拉伸强度达到母材的62%,而延伸率超过母材近25%,在强度上虽属于低匹配接头,但在韧性上的优势对于动载结构而言十分必要。焊接接头硬度分布如图2所示,呈典型的“M"型特征,可见焊缝的低匹配特征以及热影响区宽度很小。

图2焊接接头的显微硬度分布图3焊缝区与母材的物象分析结果

X射线衍射(XRD)物相分析结果如图3所示,焊后焊缝和母材组织均为面心立方的奥氏体组织,表征了焊缝组织的抗腐蚀性能属性。

用多股绞合焊丝焊接高氨不锈钢钢板,焊接后，没有明显的气孔等缺陷,焊缝经射线检测均达到一级片的技术要求。焊接接头和母材的金相组织照片如图4所示。图4a为焊缝熔合线两侧的组织,在高峰值温度和低冷却速率下,熔合线母材侧形成热影响区的粗晶区。焊缝区组织如图4b所示,主要由奥氏体组织和先析出的树枝状δ-铁素体组成,呈铸态组织特征,即奥氏体柱状晶和在奧氏体基体上形成的骨骼状铁素体,铁素体沿着热流方向生长,与一次枝晶生长方向相同;图4c是熔合线焊缝侧组织,位于较细小的冷轧态母材组织和焊缝铸态组织之间,该区域晶粒由于较大的热输人导致晶粒长大,且大晶粒之间还存在小晶粒,这些小晶粒是材料发生动态再结晶产生的新晶粒;图4d是冷轧态母材的完全奧氏体组织。



焊接接头电化学腐蚀试验结果如图5所示。图5a是接头不同位置的交流阻抗,热影响区与母材和焊缝相比,其抗腐蚀性能较差,而焊缝的抗腐蚀性能较好,说明焊丝成分及工艺对母材的适配性。由极化曲线(见图5b)可知,热影响区发生点蚀的电压最低,同时从钝化区的长短可以看出,热影响区形成的钝化膜较易破裂。

图4熔合区，母材及热影响区的电化学实验结果与对比

利用多股绞合焊丝在成分调控方面的优势,在试验焊丝N-1的基础上,将Mn元素的质量分数从6.7%提高到9.3%。由接头性能对比(见表4)可知,提高焊丝中Mn含量,接头的拉伸强度可达母材的77%,但延伸率降至17.5%,而常温冲击韧性基本没有降低,二者处在相当的水平上。但在工程应用中,对有动载要求的焊接结构需做常温和低温冲击韧性的验证。



分别采用N-1和N-2两种焊丝得到的焊缝位置断口形貌如图6所示。前者(见图6a)的断口韧窝较为细小且均匀,夹杂颗粒较少;后者(见图6b)的断口韧窝大小不均匀,局部可见解理面,韧窝位置夹杂颗粒较多。

图6两种焊丝得到的焊接位置断口现象

4结论

(1)利用多股绞合焊丝在电弧能量分布、对熔池有搅拌作用、成分易调控等方面的优势,研制了一种专用焊丝,显著减少了高氮奧氏体不锈钢焊接:制造中焊缝内的气孔量,以较低的焊接热输入抑制了焊缝中第二相析出物形成,满足了重要焊接结构批量制造的技术要求。

(2)采用多股绞合焊丝有助于建立焊接填充材料与焊接接头性能调控与适配效果之间的联系,不仅有利于为客户在较短周期内“量身定做”特殊的焊材产品,同时深化了从焊材到焊接接头之间由“控形”到“控性”的认识。

多股绞合焊丝为当前机器人、自动化焊接生产的高品质、高效化的紧迫需求提供了一种新的焊材产品与配套的焊接工艺,为提高熔化极电弧焊的熔敷效率、实现接头性能的匹配和优化提供了新的途径。

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