188不锈钢与3Cr13钢的焊接工艺研究

作者：刘天民 - 相关文章*18-8不锈钢与3Cr13钢的焊接工艺研究刘天民午秀芝摘要：18-8不锈钢与3Cr13钢的焊接，为异种金属的焊接。根据金属的可焊性组织与成分的分析研究，初步选择了3种焊接材料，进行了不同焊接工艺的试验，最终确定了A307焊接材料和相应的焊接工艺，成功地进行了焊接。关键词：异种金属18-8钢3Cr13分类号：TG 457.11THE WELDING TECHNIQUE OF STAINLESS STEEL 18-8 AND 3Cr13Liu Tianmin(Mechanical Factory,Lanzhou Railway Institute,Lanzhou 730070 China)Wu Xiuzhi(Commercial Mechanical Institute of Gansu,Lanzhou 730050 China) ABSTRACTThe welding of stainless steel 18-8 with 3Cr13 is one between two different metals.According to the constitutions and elements of these two steels,the test on welding technique was carried out.The two steels can be welded successfully by selecting an A307 welding rod.KEY WORDS different metals,steel 18-8,3Cr1318-8不锈钢与3Cr13钢的焊接工艺，从组织上来说属于异种钢的焊接，根据这两种钢的可焊性分析，分别做以下几个方面的研究。1可焊性分析18-8不锈钢属于奥氏体不锈钢，可焊性比较好。这类钢焊接时要特别注意接头在450到850的停留时间，其原因是容易产生晶间腐蚀和热裂等缺陷。在操作时应取小电流，快焊速，多层多道不作横向摆动，来减小焊接线能量，控制层间温度。也可以采取水冷的方法，以缩短接头在焊接热影响区的停留时间。3Cr13钢属于马氏体不锈钢，含碳量较高，有较强的淬硬倾向。在热影响区易产生粗大的马氏体组织，焊接时残余应力较大，冷裂倾向就更大。为了防止焊接接头的淬硬倾向和冷裂，除选用低氢型焊接材料外，还应采取焊前预热和焊后缓冷措施。操作时应适当加大线能量，焊后再进行高温回火以消除应力，来改善接头的组织性能。图1Cr和Ni的交点2奥氏和马氏体钢的焊接分析 2.1焊缝金相组织分析18-8钢与3Cr13钢焊接时，焊缝金属的组织，可通过它们的Cr含量和Ni含量在图1所示的组织中找出可能形成的金相组织。这两种金属的Cr、Ni含量可按下式计算：Cr%=(Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb)%Ni%=(Ni+30C+0.5Mn)%表1给出了这两种材料的Cr和Ni的计算结果。根据这一计算结果，在图1中找出3Cr13钢的Cr、Ni的交点1，该点组织为A+M；18-8钢的Cr、Ni的交点2，该点组织为A+05%F。在焊接时，将两种材料熔化在一起，如果是不同焊接材料，基本金属熔化各占焊缝金属的一半，可在12点连线上找出中点3，3点的组织为A-Mo，说明焊缝组织中可能会形成马氏体，容易形成淬硬倾向和裂缝。为改善焊缝组织，只有通过选择合适的填充金属来调节焊缝成分及选择可行的焊接工艺。 表118-8钢和3Cr13钢的质量分数及Cr、Ni含量基本金属元素质量分数Cr%Ni%图中位置CrMnSiCrNi18-80.122118919.513.623Cr130.30.60.613013.99.912.2焊接材料的选择先选择A102、A307、A407，3种焊条进行比较。3种焊条的成分质量及Cr、Ni含量见表2，根据Cr、Ni值，在组织图中分别找出点4，6，8，连接34，36，38。假定熔合比为40%，按比例在连线上分别找出点5，7，9。点5的组织接近A-M，如果熔合比小于40%，则焊缝可能形成A-Mo当点7的组织为A-05%F，如熔合比略有改变，焊缝仍属于A+5%F的双相组织。点9的组织为A，不管熔合比大小如何改变，焊缝组织均为A，因此，3Cr13马氏体钢和18-8奥氏体钢焊接时，如果用A102焊条，接头有产生冷裂缝的倾向，如果选用A407焊条，接头组织也有产生热裂缝的倾向，而采用A307焊条，则改善调整焊缝化学成分与组织，得到具有良好抗裂性的A+05%F双相组织。表2焊条成分质量分数及Cr、Ni含量焊材元素质量分数Cr%Ni%图中位置CrMnSiCrNiA1020.071.220.4619.28.519.8911.154A3070.111.320.4824.812.825.2216.766A4070.181.40.5426.218.827.0124.9083试验结果3.1焊条的比较先用A102、A407来比较，采用不同的工艺，进行试验，采取不同的预热温，层间温度，操作方法，焊后热处理，结果在3Cr13侧熔合线上出现了裂纹，试验结果见表3。表3不同焊材及不同工艺试验结果焊条焊前预热及热处理层间温度操作方法结果A102 3.2不预热接头水冷60小电流快速不摆3Cr13熔合线处出现裂纹A407 3.2火焰预热焊后保温缓冷400较大电流慢速3Cr13熔合线处出现裂纹3.2接头硬度由于奥氏体不锈钢不会产生淬硬倾向，可以采取急冷的方法来缩短在晶间腐蚀中的危险温度区间停留的时间。而马氏体不锈钢淬硬倾向比较强烈，应该采取焊后热处理的工艺来改善组织性能。同时对焊接接头回火前后的硬度进行了测定，硬度测试结果和分布见图2所示。(a)回火前(b)回火后图2焊接接头回火前后的硬度分布3.3弯曲和冲击试验焊接接头经热处理后取样进行了弯曲和冲击试验。弯曲90不裂，均超过奥氏体不锈钢母材的下限值。以上试验证明，采用A102、A407焊条的焊接头都出现了裂缝，说明这两种焊条不是很理想的焊接材料。而接着经过高温回火后，硬度明显下降，弯曲和冲击性能明显得到了改善。从而肯定了焊接材料的选择和焊后高温回火的必要性。3.4焊接工艺18-8钢和3Cr13钢的焊接，即要保证防止晶间腐蚀，又要防止产生淬硬倾向，这两种缺陷的结果，从工艺上来说，正好相反，防止腐蚀冷却速度要快，而防止淬硬组织的方法是要快速冷却。为了能解决这类矛盾，经过反复的工艺试验，可参考下列工艺。(1)焊前准备选择焊接材料为A307，焊材直径为3.2，焊材烘干温度350保温2 h，焊机为AX-300型直流焊机，直流反接，V型坡口，坡口角度为6570，坡口为机械加工。(2)焊接操作先把3Cr13进行氧乙炔加热，待温度达到250300时立即焊接。第一层采用灭弧焊法单面焊双面成型操作技术，焊接电流90A，电弧一定要击穿根部，要保证背面余高为零。第2、3层的层间温度控制在400。焊接电流应分别为150A及100A，焊缝宽度应压过坡口边12 mm，余高应控制在12 mm。焊完后采取缓冷工艺，主要是3Cr13一侧，热影响区加热温度为850左右，然后用石棉或石灰保温缓冷。(3)焊后效果焊件冷却后进行了宏观检查及X射线检查没有发现裂纹，经过几年的使用，没有出现任何问题。3.5结论根据异种钢的焊接特点，进行了焊接材料的比较，接头组织的分析，最终选择了较理想的焊接材料A307和适应的焊接工艺。作者简介刘天民男甘肃省天水市人，1954年9月生，1980年毕业于大连铁道学院机械制造工艺系焊接专业。现任兰州铁道学院机械工厂工程师。午秀芝女山西省稷山县人，1954年2月生，1980年毕业于东北工学院机械系机制专业。现任甘肃商业机械研究所副所长，工程师。作者单位：兰州铁道学院机械工厂兰州730070甘肃商业机械研究所兰州730050参考文献1周振丰，张文铖.焊接冶金与金属焊接性.北京：机械工业出版社(高等学校教材),1987，6.3543782许祖泽，王征林合译.钢的焊接性.北京：机械工业出版社，1985，6.2968