浅析TSZ410铁素体不锈钢焊接性能及工艺

唐家佳

(神华神东煤炭集团公司皮带机公司，内蒙古 伊金霍洛旗 017200)

0 引言

带式输送机具有输送能力大、运输距离远、结构简单、易于维护、能方便地实现程序化控制和自动化操作、适合在恶劣环境下作业等特点，已广泛应用于煤炭行业。为增强矿用带式输送机结构件的耐腐蚀能力，提高结构件的使用寿命，减轻工人安装及搬运的劳动强度，选用一种新型的TSZ410铁素体不锈钢材料代替原先的碳钢加工带式输送机机身。主要围绕带式输送机标准段的槽辊支架、H架所用TSZ410铁素体不锈钢材料的焊接展开分析，通过对母材的分析，选择合适的焊接方法、焊接设备，制定新的加工工艺，从而确保该不锈钢的焊接质量，提高焊接效率。为TSZ410铁素体不锈钢材料在结构件实际生产过程中提供一定的参考依据。

1 各类不锈钢的特性

不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐溶液或其他腐蚀介质中具有高度化学稳定性的合金钢的总称。这种钢材中Cr含量>10.5%；由于Cr的作用，钢材表面生成一层致密的不溶解于某些介质的坚固的富Cr氧化薄膜(钝化膜)，使金属与外界介质隔离而不发生化学作用。但是不锈只是“相对的”。

1.1 马氏体型

马氏体不锈钢一般含有13%～18%的Cr及较高含量的碳(0.1%～1.0%)。这类不锈钢的特点是具有较高的硬度、强度、耐磨性、抗疲劳性及一定的耐腐蚀性。为改善马氏体不锈钢的焊接性能，将碳含量降至0.07%以下，为获得马氏体相变的可能性再加入一定量的镍，从而形成了一个新的钢种系列，其焊接性能得到了极大的改善。但是，经过试验普通马氏体不锈钢的焊接性能不佳，主要表现是淬火裂纹和延迟裂纹，因此焊后应该进行缓冷处理。

1.2 铁素体型

一般含Cr量12%～30%，含C量较低<0.15%，有时还加入Ti、Mo、Si、Nb等，这类钢一般不含Ni，其组织为单相铁素体。具有良好的抗氧化性、耐蚀性和耐氯化物腐蚀断裂性能。根据含铬的数量可分为低铬、中铬、高铬3类钢，根据钢的纯净度，特别是碳、氮杂质含量，又可分为普通型和高纯型。普通铁素体不锈钢具有低温和室温脆性、缺口敏感性和较高的晶间腐蚀倾向、焊接性较差。但是，高纯铁素体不锈钢含有极低的碳和氮，含铬量高，又含有Ti、Mo、Si、Nb等元素，这类不锈钢具有良好的力学性能、焊接性能、耐晶间腐蚀性能、耐点蚀和缝隙腐蚀、优异的耐应力腐蚀断裂性能等。

1.3 奥氏体型

加入>25%的Ni就可以得到单相奥氏体组织，实际上采用Cr-Ni配置得到奥氏体钢。最常见的是含Cr 18%、含Ni 8%的18-8型不锈钢。这种钢不但具有良好的耐蚀性，而且具有良好的韧性与塑性，并且具有一定的机械加工性能，是工业上应用最广泛的不锈钢。奥氏体不锈钢具有良好的焊接性能，要特别留意选用相应的焊接材料和适宜的焊接工艺，如果选用不当，有可能引起晶粒间界面腐蚀、应力腐蚀或焊接热裂纹等问题。

1.4 双相不锈钢(奥氏体+铁素体)

双相不锈钢是金相组织由奥氏体和铁素体2相组成的不锈钢，而且各相都占有较大的比例。其韧性好，强度较高，耐氯化物应力腐蚀。双向不锈钢的焊接性良好，热裂纹倾向小，焊前不需要预热，焊后不需要热处理。但是仍然存在着高铬铁素体不锈钢的各种脆性倾向问题。为了保证焊缝中奥氏体的含量，把焊缝的镍当量一般提高到高于母材的2%～4%，这是两者成分上的主要区别。

1.5 沉淀硬化型不锈钢

沉淀硬化不锈钢是在不锈钢中单独或复合添加硬化元素，通过适当热处理获得高强度、高韧性并具有良好耐蚀性的一类不锈钢。它们是在18-8钢或Cr13钢基础上发展起来的马氏体沉淀硬化不锈钢，都是在最终形成马氏体后，经过时效处理析出碳化物及金属间化合物而产生沉淀强化作用的。通常作为耐磨、耐蚀、高强度结构件。

2 TSZ410铁素体不锈钢

2.1 化学、力学性能

由于矿用带式输送机使用环境比较恶劣，矿井内部潮湿且含有较高的氯化物，对金属结构件的腐蚀性较强。同时考虑载荷条件、工艺性能等方面的因素，结合以上各种类型不锈钢的适用特性及经济性等因素的综合考量，最终选用铁素体型不锈钢加工胶带机的结构架。在铁素体不锈钢的基础上通过调整各元素的成分配置出TSZ410铁素体不锈钢，见表1。

TSZ410铁素体不锈钢具有铁素体不锈钢的各项优点，同时在元素成分上降低了碳、氮的含量，大大改善了该不锈钢的力学性能和焊接性能，提高铬的含量增强其耐蚀性，见表2。

表1 TSZ410铁素体不锈钢的化学成分表

表2 TSZ410铁素体不锈钢的力学性能表

2.2 焊接性能

带式输送机的结构件损坏往往是由于应变时效引起的局部脆性断裂。在结构件支架生产过程中，原材料在经过剪切、冲压等冷加工后会产生一定的塑性变形，焊接时又经过200～400 ℃温度范围内的加热引起应变时效。金属受到热循环的作用，特别是在热影响区的某些尖端附近或多层焊道中的缺陷附近，将产生较大的应力-应变集中，从而引起较大的塑性变形。这种塑性变形在焊接热循环的作用下，会引起应变时效，称为热应变脆化。热应变脆化大大降低了材料塑性，提高了材料的脆性，使材料的缺口韧性下降。

在这类钢的焊接中，焊接热循环会使靠近缝区的晶粒急剧变大，造成热影响区的塑韧性降低，致使热影响区脆化，这种脆化倾向与铁素体不锈钢中的C+N含量密切相关，随着冶炼水平的提高和微合金化元素铌钛的加入，铁素体不锈钢的纯净度有较大提高，焊接热影响区的塑韧性得到改善。

高铬钢在475 ℃时脆化速度最快，故称为475 ℃脆化，为防止产生脆化，应严格控制这类钢的热加工工艺过程，焊接时应采用较小的热输入，也就是采取较小的焊接电流及电压，采用较快的焊接速度，焊接时一般不做横向摆动，厚焊缝一般采用多层多道焊的施工工艺。等待前一道的焊缝冷却至预热温度后再焊接下一道焊缝；焊后退火处理时应该采用快冷措施。高纯铁素体不锈钢焊接时，还应注意焊缝中增碳、增氮带来的不利影响。

3 焊材、设备及注意事项

3.1 焊材的选择

焊接材料的选择原则一般根据焊接结构材料的化学成分、生产工艺力学性能、焊接位置、服役环境(有无腐蚀介质、高温或低温等)、焊接结构形式的复杂程度及刚性大小、受力情况及现场焊接设备条件等情况综合考虑。

由于焊接工艺本身的特点，即使采用耐蚀性较好的母材，有时也不能制造出同样耐腐蚀能力的焊接结构。接头在腐蚀机制上与母材并无不同，但由于焊接引起的成分和组织不均匀性，局部的应力应变集中，焊接缺陷，以及焊接残余应力等附加因素，接头的耐腐蚀力明显低于母材，因此，焊接接头的抗腐蚀问题比较复杂，也比较重要。

图1 舍弗勒不锈钢焊接金属结构图

通过图1依据多数金属的化学组成推算出焊缝金属的相组织及铁素体量。通过调整焊缝金属的化学组成，控制铁素体的适当含量，以防止焊接热裂纹产生，这是改善不锈钢焊接性能的有效方法。用熔焊稀释率换算出焊缝金属的化学组成，并分别折算成镍当量和铬当量，即可在组织图中查出焊缝金属组织的相组织和铁素体的含量。反之，也可以按照对焊缝金属组织的相组成要求，确定对应的镍当量和铬当量值。然后，据此组织图进行焊缝金属化学组成的调整。

通过舍弗勒不锈钢焊接金属结构图以及对TSZ410铁素体不锈钢化学成分的分析，选用奥氏体型焊材，其焊缝金属结构组织、综合力学性能等可与母材相当。同时对于各种耐蚀钢，为保证焊接接头的高温性能或耐腐蚀性能，要求焊缝金属的主要合金成分与母材相似或相同。但是铁素体不锈钢的焊材若不要求颜色、强度等和母材一致时，一般情况下可以不选同材质焊材。这是由于为改善焊缝韧性，较为理想的方法是选择更好的奥氏体焊材。采用奥氏体焊接材料，能保证焊缝具有较高的综合力学性能及耐蚀性能。试验研究结果表明，焊接材料对铁素体不锈钢接头性能具有很大的影响，正确选择焊接材料是提高焊接接头可靠性的基础。

在奥氏体焊材中较为理想的是ER309不锈钢焊焊丝，其化学成分及力学性能见表3、表4。

表3 ER309不锈钢焊丝的化学成分

表4 ER309不锈钢焊丝熔敷金属最小值

3.2 焊接设备的选择

不锈钢有良好的加工性能，除不适用火焰切割外，剪切、折弯、冲压及切削等加工都与碳钢类似。不锈钢由于其表面有一层非常致密的氧化膜，它会阻止火焰切割时切割氧气流对不锈钢的氧化，目前不锈钢切割使用最为普及的方法为空气等离子切割。焊接设备可采用熔化极电弧焊(MIG)。

不锈钢MIG焊接保护气体应使用Ar+CO2(3～5%)或Ar+O2(2%)，不能使用纯Ar或CO2气体。纯Ar保护气体焊接时有如下缺点：①焊缝金属液体粘度及表面张力大，易产生气孔；②焊缝金属润湿性差，易形成咬边；③电弧阴极斑点不稳定，产生阴极漂移；④电弧根部不稳定，会引起熔深及成形不规则。使用Ar+1～2%O2后可克服这些缺点，同时也利于熔滴细化和射流过度临界电流值的下降。但O2>2%时，氧化严重，接头质量下降。用Ar+CO2时，一般要CO2≤5%，否则焊缝增碳，影响耐蚀性能。

纯CO2气体焊接也不应使用，因CO2气体在焊接电弧氛围中会分解为CO+O，O对高温焊缝及熔池具有强烈的氧化性，不锈钢中的合金元素会产生严重氧化烧损，所以不锈钢MIG焊接一般采用Ar气加少量活性气体的混合气体。

3.3 焊接注意事项

不锈钢表面应始终保持清洁，避免在加工过程中表面划伤或碳钢锈皮粘附等的污染，如使用砂轮时嵌入铁是破坏不锈钢保护膜的一种重要方式。严禁电弧擦伤不锈钢表面，严禁在焊接区域外引弧及调试焊接规范。因为，当金属表面的氧化膜或钝化膜由于机械损伤或组织缺陷等原因引起局部破损时，裸露的金属在介质中与周围的钝态金属形成蚀点，蚀点一旦形成，腐蚀便不断向纵深发展，形成内腔形状不一的蚀孔。蚀孔的危害性很大，通常是引起其他局部腐蚀形态的根源。

焊件组对点焊固定后应尽快焊接，以防长时间放置变形或定位焊缝被氧化或破坏，并且正式施焊前对定位焊缝进行检查，如有缺陷应处理后方可进行。

焊接时应控制适合的干伸长(10～15 mm)，应及时清理焊枪保护套内的飞溅，保证送丝顺畅，避免焊接区域保护不良。

气体保护焊当风力≥2 m/s应禁止室外焊接施工。

每条焊缝起、收弧处填满，不允许有弧坑，以免产生缩孔及裂纹等。

定位焊后要将焊渣清理干净，确保焊缝成型，避免未熔合现象产生。

合理焊接顺序是防止焊接变形的最重要的环节，焊接时按照先四周主筋板，后其他筋板、隔板；先纵焊缝后横焊缝；先里后外；对称交错的焊接原则对结构件进行施焊，可有效地防止结构件的焊接变形。

4 不锈钢的焊接实验

4.1 试件焊接

初步制定相应的焊接规范进行试件焊接，通过实验检验焊接试件是否合格。

试件：①母材—TSZ410；②工艺—MIG；③焊材型号—ER309；④材规格—φ1.2；⑤坡口形式—V形坡口；⑤坡口角度—30°；⑥钝边—0.5 mm。

焊接规范：见表5。

检验方法：见表6、表7。

表6 TSZ410的焊接试板的弯曲检验

表7 TSZ410的焊接试板的拉伸检验

验证结果：通过以上实验可验证，焊接后焊缝的物理性能与母材相当，所制定加工工艺完全满足带式输送机结构架的使用要求。

4.2 焊接工艺参数确定

焊接热输入：通过对铁素体不锈钢焊接性、焊接工艺及焊接接头组织性能试验研究表明，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，推荐焊接热输入为<1 kJ/mm。

焊接方法：MIG焊，保护气体97%Ar+3%CO2。

焊接材料：采用ER309焊丝。

对接坡口型式：60° V型坡口，无钝边，根部间隙1～1.5 mm。

角接及T型接头：4 mm以下的厚度不用开破口，直接焊接，单面一次焊透。4～6 mm厚度对接焊缝可采用不开破口接头双面焊。6 mm以上，一般开V或U，X形坡口。

焊枪角度：焊接使用左向焊，倾角在15°～ 25°时最佳。

工艺参数：见表8。

表8 焊接工艺参数

4.3 焊接接头表面处理

焊后应将焊接产生的飞溅清理干净，去处焊缝及焊接热影响区的氧化色，因为他们的存在会诱发不锈钢产生腐蚀，所以不锈钢的焊接接头要进行酸洗或机械抛光。保持不锈钢表面清洁、光滑，可获得最佳耐蚀性。

目前效率较高效果较好的处理方式为利用不锈钢酸洗钝化膏进行清洗，清洗时将适量钝化膏涂抹在不锈钢表面，厚度约为1～2 mm，保持20～120 min或更长时间，处理过程中最好用不锈钢丝刷清理，表面氧化皮、锈蚀完全清除干净后，用清水冲净，避免返锈。

5 结语

通过对TSZ410不锈钢化学成分及力学性能的分析、焊接性能的探讨、焊接设备及焊材的选用、焊接过程中应注意的事项及焊接试板的检验等方面的探讨，制定了较为合理的焊接工艺，可为TSZ410不锈钢材料的焊接提供一定的参考依据。