超级马氏体不锈钢04Cr13Ni5Mo焊接性能研究

曹 阳

(中国水利水电第十工程局有限公司 机电安装分局，四川 都江堰 611830)

1 概 述

目前，国内水电站闸门金属结构的门槽导轨材料大多采用奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢无磁性且具有高韧性和塑性，但其强度较低，而且不可能通过相变使其强化，仅能通过冷加工进行强化。但是，随着工程质量标准的提升，对材料的强度要求也越来越高，奥氏体不锈钢在一些工程项目中已经不能满足使用要求。越来越多的水电站项目多采用超级马氏体不锈钢04Cr13Ni5Mo代替奥氏体不锈钢作为闸门门槽导轨的材料。马氏体不锈钢是一种通过热处理即可以调整其力学性能的不锈钢，是一类可硬化的不锈钢，其硬度、耐磨性均优于奥氏体不锈钢。但由于其焊接性能大大低于奥氏体不锈钢，极易出现焊接裂纹，因此，其在工程实际应用中受到限制[1]。超级马氏体不锈钢是指通过各项控制技术降低C、N含量、将碳含量控制在0.02%以下的马氏体不锈钢，其具有良好的强度、韧性、可焊性及耐磨耐腐蚀性能[2]。因此，对超级马氏体不锈钢04Cr13Ni5Mo的焊接性能进行研究具有非常重要的现实意义。阐述了对超级马氏体不锈钢04Cr13Ni5Mo焊接性能进行的研究。

2 钢板性能、焊接材料与焊接方法

2.1 04Cr13Ni5Mo钢板的组织性能

04Cr13Ni5Mo钢板的生产制造工艺为EAF+AOD两步法冶炼及后续连铸+热轧工艺，最终的热处理状态为正火加回火，正火温度为(1 000±20)℃，回火温度为(600±20)℃。材料显微组织为回火马氏体加少量逆变奥氏体。

04Cr13Ni5Mo是一种在常规马氏体不锈钢基础上降低了C、N、S含量且同时加入了一定量Ni、Mo合金元素的一种超级马氏体不锈钢。常规马氏体不锈钢可焊性很差，而当04Cr13Ni5Mo 中C、N、S含量的降低，显著改善了母材的塑形与韧性，限制了焊接热影响区的淬硬倾向，进而提高了材料的焊接性；所加入的Ni主要补偿了材料因C含量降低导致的力学性能缺陷，保证了热影响区具有足够的韧性，降低了因扩散氢引起的焊接冷裂倾向，对于阻碍碳化物的形成起到了一定的作用，缩小了扩散层；组织内析出的逆变奥氏体在很大程度上加强了该材料的耐蚀性和耐磨性[3]。04Cr13Ni5Mo材料化学成分及力学性能列于表1、2[4]。

表1 04Cr13Ni5Mo化学成分表

2.2 焊接材料与设备

(1)焊材。按照材质要求，最终选用自贡大西洋公司生产的E410NiMo-16焊条，焊条规格为φ4 mm。其熔敷金属典型化学成分和力学性能见表3、4。 焊条在使用前应进行外观检查并严格按照使用说明250 ℃烘焙1 h。 烘干后的焊条应保存在100 ℃～150 ℃的恒温箱内，随取随用，焊工焊接时应将焊条保存在保温桶内。

表2 04Cr13Ni5Mo钢板力学性能表

表3 熔敷金属化学成分表 /%

表4 熔敷金属力学性能表

(2)母材。母材选用板厚为24 mm的04Cr13Ni5Mo钢板，规格为24 mm×300 mm×300 mm，采用机械加工的方式开设双面对称坡口，坡口角度为60°，接头形式、焊层数和焊道的顺序见图1。试板焊接方式为平焊，正面三道完成后翻身，采用碳弧气刨清根后焊接背面。

图1 母材坡口示意图

(3)焊接设备。采用NB-500星逆变半自动焊机施焊，输入电源三相380 V，额定输入功率为25 kVA，额定输入电流为38 A，额定输出电流/电压为500 A/40 V，焊接时采取直流反接。

2.3 焊接方法

(1)焊接的前准备工作。焊接期间，应做好施工现场焊接环境的监测工作，控制焊接现场的风速小于8 m/s、相对湿度大于90%。不得在环境温度低于-10 ℃时进行焊接。

焊接电源必须具有参数稳定、调节灵活和安全可靠的性能，并能满足焊接规范要求。焊接设备上的电流表、电压表及规范参数调节装置应计量准确，放置于干燥通风的地方，绝缘良好。

(2)焊接工艺。焊前对坡口面及坡口两侧各10～20 mm范围内的毛刺锈蚀物、油污、水渍等必须清理干净。正式焊前必须彻底清除定位焊点，施焊时严禁在坡口区外试焊、引弧等。

多层(多道)焊时应将每道的熔渣、飞溅物清理干净，自检合格后再进行下道焊接。层间接头应错开300 mm以上并严格控制层间温度，层间温度不能超过150 ℃。采用碳弧气刨清根，清根前，非清根侧焊缝的焊接量不宜少于3层，碳弧气刨清根后应修磨刨槽，除去渗碳层。焊缝一经正式施焊应连续焊接完成，不允许中途长时间停顿。焊接过程中必须控制焊道的宽度，尽量以窄焊道操作。焊接完成后，将焊缝的药皮及附近飞溅的残渣等清理干净。

焊工应对焊接电流与速度进行严格控制，根据焊条推荐的焊接参数以及对焊接过程中的能量控制制定焊接工艺参数(表5)。

表5 焊接采用的工艺参数表

(3)焊接线能量控制。

式中Q为焊接线能量，kJ/cm；U为电弧电压，V；I为焊接电流，A；V为焊接速度，cm/min。

根据上述公式，焊接线能量为7.6～13.8 kJ/cm，处于控制范围内。

3 焊接接头性能检测及结果

焊接完成后，对焊缝进行了外观检查，检查结果表明：无咬边、气孔、裂纹等外观缺陷。为防止延迟裂纹的出现，焊接完成24 h后再对焊缝进行UT无损检测，无损检测的结果表明焊缝无未熔合、未焊透等内部缺陷。无损检测合格后，将试板送检测机构对接头进行各项力学性能的检测。

检测环境：温度28 ℃，相对湿度65%。

检测设备：液压式万能试验机(型号WE-2000A)，游标卡尺(125型)，显微硬度计(MH-5L)

3.1 弯曲试验

利用液压式万能试验机对试样进行弯曲试验，取得的试验数据见表6。

表6 弯曲试验结果表

弯曲试验结果为合格，无裂纹。

3.2 拉伸试验

利用液压式万能试验机对试样进行拉伸试验，取得的试验数据见表7。

表7 拉伸试验结果表

拉伸试验结果为合格。

3.3 硬度试验

利用显微硬度计对试样进行硬度试验，取得的试验结果见表8。

表8 硬度试验结果表

硬度试验结果为合格。

以上各项检测结果表明：所获得的04Cr13Ni5Mo焊接接头性能优良，能够满足使用要求。

4 结 语

超级马氏体不锈钢04Cr13Ni5Mo材料具有良好的焊接性能，其板材在不进行焊后热处理的情况下采取文中所述的焊接工艺条件下可获得性能优良的焊接接头，所取得的经验可供其他同类工程项目参考。