德国4003铁素体不锈钢的焊接

Electric Welding Machine 摘要：新型铁素体不锈钢材料在车辆上运用越来越广泛，研究其焊接特性对铁路货车制造具有十分 重要的意义。通过大量试验，对德国 4003材料的焊接性能进行了初步探索，并与国产同类材料进行了比 较。结果明：由于德国 4003材料含有较多的 Ti元素，在热循环作用下，部分与 C、N元素形成弥散分布 的化合物，降低了晶粒组织长大，使得切割缝区和焊接接头热影响区的组织细小，接头热影响区冲击 韧性值高于国产 TCS材料的焊接接头。 关键词：德国 4003；铁素体不锈钢焊接；金相；冲击韧性 中图分类号：TG457．11 文献标识码：A 文章编号：1001－2303(2008)11－0042－03 第 38卷 第 11期 2008年 11月 Vol．38 No．11 Nov．2008Electric Welding Machine 张志昌 (南车眉山车辆有限公司 技术中心，四川 眉山 620032) Study on the Ferrite stainless steel 4003 made in Germany ZHANG Zhi-chang (Meishan Vehicle Plant，South Vehicle Group of China，Meishan 620020，China) Abstract：New type of Ferrite Stainless Steel 4003 is used more widely on the vehicle．It becomes more important to research the weld behavior for the manufacture of the freight train．By the plasma cutting and MAG welding tests，it could find that the microstructure of the heat affected zone(HAZ) is finer than that of the HAZ of the TCS material made in China．At the same time，the impact tenacity of the HAZ of the Ferrite Stainless Steel 4003 joints is higher than that of TCS material．The reason is that Ti content in 4003 is higher than that in TCS，which cause the microstructure more fine for the TiC and TiN dispersive distribution． Key words：Ferrite Stainless Steel 4003；heat affected zone of the weld；microstructure；impact tenacity 收稿日期：2008－01－09 作者简介：张志昌(1967—)，男，四川仁寿人，高级工程师，学 士，主要从事货车阻焊工艺的研究工作。 0 前言 对铁路货车而言，采用不锈钢车体可以显著降 低车辆自重，增加载重，节约能源，减少维护成本， 具有长远而可观的经济效益。但是，铬镍奥氏体等 不锈钢材料由于价格昂贵，势必带来车辆制造成本 的大量增加，这极大制约了不锈钢车辆在货车制造 上的应用。20世纪 80、90年代，国外如德国、澳大利 亚等发达国家已大量运用 3Cr12Ti、4003等材料制 造货车车体，由于这些材料的铬含量只有 10％左右， 因此，其成本较低，同时它与铁道车辆常用的耐大气 腐蚀钢相比又具有良好的抗腐蚀性能，因而得到了 广泛应用。近年来，类似的材料如 TCS铁素体不锈 钢在太原钢铁厂开发成功，中国铁路货车迅速采用 了此种材料用于货车制造，目前已生产了几千辆不 锈钢货车。 为了掌握德国 4003铁素体不锈钢材料的焊接 性能，为工厂技术开发提供焊接工艺保证，将其与 国产 TCS材料进行了全面比较。 1 材料的化学成分 德国 4003 铁素体不锈钢材料和国产 TCS 铁 素体不锈钢材料化学成分如表 1、表 2所示。 元素 实测 w(C) w(Si) w(Mn) w(S) w(P) w(Cr) w(Ni) w(Cu) w(Ti) 0．03 0．02 1．00 0．37 1．50 2．00 0．040 0．005 0．015 0．023 10．50 11．40 0．30～1．00 0．53 — 0．031 — 0．10 表 2 TCS铁素体不锈钢材料化学成分 ％ 注：表中标准值均为最大值。 元素 标准 实测 w(C) w(Si) w(Mn) w(S) w(P) w(Cr) w(Ni) w(Cu) w(Ti) 0．030 0．023 1．000 0．470 1．00～2．50 1．78 0．015 0．003 0．040 0．021 11．0～13．0 10．9 0．30～1．00 0．79 1．000 0．075 0．350 0．220 元素 标准 实测 表 1 4003铁素体不锈钢材料化学成分 ％ 注：表中标准值均为最大值。 专 讨 论 ︱ ︱ 新 型 钢 种 可 焊 性 研 究 及 应 用 德国 4003铁素体不锈钢的焊接 42· · Electric Welding Machine 从化学成分看，两种材料成分非常接近，但德 国 4003材料含 Ti等元素较高。 2 等离子切割后金相分析 TCS材料经等离子切割后金相如图 1所示，热 影响区晶粒有明显长大倾向。德国 4003材料经等离 子切割后热影响区晶粒长大相对 TCS材料而言不 明显，如图 2所示。说明两种钢种中微量元素对抑 制晶粒长大能力有一定的区别。由于 4003中含有较 多的 Ti，Ti元素为强的碳化物、氮化物形成元素[1]， 其适当增加，部分 Ti可以与 C、N元素结合，形成微 小的 TiC和 TiN，这些细小的化合物弥散分布，可 以使钢在经过材料加热奥氏体化和冷却过程中的 相转变，使晶粒微小化，从而使其强度和韧性得到 一定的提高。 图 1 TCS材料(100×) 图 2 4003材料(100×) 3 焊接试验 板厚 6 mm的不锈钢板对接，采用 ER308LSi焊 丝，98％φ(Ar)＋2％φ(O2)气体保护，焊接电流 200 A， 焊接电压 24V，焊接速度 350mm／min，焊机型号 XC500， 焊后试验结果如表 3所示①。 从表 3可以看出，在铁素体不锈钢焊后焊接接 头较为薄弱的熔合线和热影响区附近，4003 材料 的冲击功要明显高于国内 TCS材料的焊接接头对 应区域的冲击功。 4003材料焊后的焊缝金相组织如图 3 所示， TCS345材料焊后的焊缝金相组织如图 4所示。 图 3 4003焊缝金相(100×) 图 4 TCS345焊缝金相(100×) 从图 3和图 4可以看出，两种材料焊后的粗晶 区都是由铁素体和少量马氏体组成，4003 焊后的 热影响区附近晶粒长大没有 TCS不锈钢明显，其原 理与等离子切割的机理一样，由于 TiC和 TiN的弥 散分布，焊接接头热影响区的晶粒微小化，使其焊 接接头热影响区冲击韧性相对较高。 4 焊接规范 铁素体不锈钢与铁路货车上常用的普通耐大气 腐蚀钢相比，具有良好的耐腐蚀性能。但这类钢焊 接时，焊接热循环会使接头近缝区晶粒急剧长大， 造成热影响区的塑韧性大幅度降低，致使热影响区 脆化。 推荐 4003材料采用半自动气体保护焊、自动气 体保护焊、脉冲气体保护焊等方法进行焊接，焊接 规范见表 4①。焊接时遵循“小规范、快速焊、不摆 弧”的原则，严格控制焊缝热输入①张志昌．德国 4003铁素体不锈钢焊接工艺试验报告，2007． 材料 抗拉强度 σ b／MPa 冲击功 Akv／J(－40 ℃) 焊缝 熔合线 热影响区 4003 TCS345 535 545 41，45，45 60，63，63 15，25，12 7，11，9 72，70，60 20，42，20 表 3 4003材料焊接试验结果 Page 54 专 题 讨 论 ︱ ︱ 新 型 钢 种 可 焊 性 研 究 及 应 用 专题讨论 张志昌：德国 4003铁素体不锈钢的焊接 第 11期 43· · Electric Welding Machine 条角度。 图 6 焊条角度 (6)根焊质量是保证返修焊质量的关键因素之 一。在焊接过程中，当发现根焊有质量问题时应 立即停止施焊，待清除缺陷后方可继续进行根部 焊接，根焊完成之后还应将焊道表面焊渣仔细清 除，尤其是坡口两侧的焊渣。必须在确保根焊质量 的前提下才能进行下层焊道的焊接，并保持焊道 层间温度在 80 ℃～120 ℃，其余各层道焊接质量与 之相同。 (7)盖面焊。 在保证上述各层质量和层间温度的前提下进 行盖面焊接。在盖面层焊接时，如果坡口面较宽可采 取排焊方式进行，如图 5b所示。盖面焊接要求较坡 口母材两侧增宽 0．5～1．0 mm，余高控制在 2～3 mm， 对于焊缝余高过高的焊道应进行修磨，使其与母材 圆滑过渡，注意修磨时不得伤及母材。 4 返修焊注意事项 (1)不可忽视环境因数对返修焊接质量的影响， 对于风速大于 5 m／s，环境相对湿度大于 90％RH以 及环境温度小于 5 ℃时应采取相应的防护措施。 (2)返修焊起点和终点不应与原始焊道的起点 或终点相重叠。 (3)返修焊之前要准确定位缺陷，且彻底清除缺 陷，严格按要求对焊口进行预热和层间温度的控 制；返修焊结束之后应仔细检查返修焊缝外观，以 排除返修焊缝表面缺陷并且在必要时对焊口进行 焊后保温。 5 结论 以上措施和方法在北内环集输气管线对不合 格焊缝的返修中得到了较好应用，返修焊缝一次合 格率达到 100％，无二次返修，同时也说明该方法在油 气输送管线中尤其是复杂地形中，对 API SPEC－ 5L系列微合金高强度油气管线用钢对不合格焊口的 返修是可行的。 焊道层 焊材牌号及规格 电源极性 焊接方向 焊接电流 I／A 焊接电压 U／V 焊接速度 v／cm·min－1 根焊道 热焊道 填充焊道 盖面焊道 LNCON59＋ φ 3．2 CHE507GX φ 3．2 CHE507GX φ 3．2 CHE507GX φ 3．2 DC＋ DC＋ DC＋ DC＋ 向上 向上 向上 向上 60～100 95～110 100～120 100～110 24～37 18～28 18～28 18～28 7～15 8～20 8～20 8～20 说明：DC＋为焊条接电源正极。 表 1 焊接工艺参数 焊接方法 焊丝 焊丝直径 φ ／mm 焊接电流 I／A 焊接电压 U／V 焊接速度 v／mm·min－1 保护气体 半自动气保焊 自动气保焊 半自动脉冲焊 ER308LSi ER308LSi ER308LSi 1．2 1．2 1．2 180～220 180～240 140～180 20～25 20～25 19～24 300～350 350～400 300～350 φ(Ar)98％＋φ(O2)2％ φ(Ar)98％＋φ(O2)2％ φ(Ar)98％＋φ(O2)2％ 表 4 4003材料焊接规范参数 5 结论 (1)4003铁素体不锈钢焊接时，由于所含的 Ti 等元素可与 C、N元素结合，弥散分布，使得等离子 切割时的组织比国产 TCS细小。 (2)4003铁素体不锈钢焊获得的焊接接头性能 略优于 TCS材料，亦是 Ti元素与 C、N元素结合，弥 散分布的结果。 (3)4003焊接时应遵循“小规范、快速焊、不摆 弧”的原则，严格控制焊缝热输入。 参考文献： [1] 崔忠圻．金属学与热处理[M]．北京：机械工业出版社，1989． Page 43 专 题 讨 论 ︱ ︱ 新 型 钢 种 可 焊 性 研 究 及 应 用 专题讨论 第 38卷 54· ·