30Cr13马氏体不锈钢焊接工艺评定

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(森松(江苏)重工有限公司，江苏 南通 226000)

0 前言

3Cr13钢属于马氏体类型不锈钢，机械加工性能好，经热处理(淬火回火)后，具有优良的耐腐蚀性能、较高的强度以及较好的耐磨性，用于力学性能要求较高、耐蚀性能要求一般的零件上，如弹簧、汽轮机叶片、刃具、喷嘴、阀座、阀门/水压机阀等，也常用来制造测量器械、医用工具。2017年，森松(江苏)重工有限公司承接了煤矿设备制造项目，焊接结构的母材涉及有30Cr13马氏体不锈钢，由于含碳量高，在具有较高的强度、硬度和淬透性的同时，其焊接性能较差。为保证产品质量，进行了多次焊接工艺试验，最终确定了焊接材料和焊接工艺参数，通过了焊接工艺评定的要求。

1 焊接性分析

30Cr13马氏体不锈钢的含碳量较高，同质焊缝及热影响区焊接后均为硬而脆的马氏体组织，温度超过1 150 ℃的热影响区内，晶粒会显著长大。因此，焊缝和热影响区易产生粗大的马氏体组织，在较大焊接残余应力作用下，易产生冷裂纹[1]。为了防止焊接接头的淬硬组织，控制冷裂倾向，除了选用合适的焊接材料外，还应采取焊前预热和焊后缓冷措施，改善焊接接头的组织和力学性能。

图1是用30Cr13马氏体不锈钢制造的典型部件结构，由上、下法兰和筒体构成，筒体由两块30Cr13板材经过温压成形和组对拼焊而成。不难看出，成形和焊接后筒体上方4个顶角处是主要应力集中点。

图1 典型部件的焊接结构

2 评定试验及焊接工艺

2.1 试验材料

通常采用等强度原则选择焊接材料。试验用30Cr13板材厚度为12 mm，其化学成分和力学性能的技术要求值及实测值见表1和表2。根据GB/T 4237—2007《不锈钢热轧钢板和钢带》的要求，30Cr13母材的化学成分和力学性能均满足技术要求，但碳当量(CEV=3.03%)较高，焊接性较差。

焊接材料的选择是焊缝质量优劣的重要条件，综合考虑该产品实际结构特点、设计要求，主体材料类别及板材厚度等因素确定焊接材料类型。为了保证焊缝金属的塑性、韧性和焊接接头的抗裂性，选用适用于异种钢焊接的309奥氏体不锈钢焊接材料，以得到综合性能良好的焊接接头。试验采用的两种焊接材料的化学成分和力学性能见表3和表4。由表4可以看出，焊接材料的全焊缝金属的抗拉强度和断后伸长率满足30Cr13母材的性能要求。

2.2 焊接工艺试验

试验采用30Cr13板材的尺寸为500 mm×150 mm×12 mm。因30Cr13为马氏体不锈钢，有较大淬硬倾向，且产品实际拘束预应力较大，尽管采用塑性较好的奥氏体不锈钢焊接材料，考虑到母材与焊接材料为异种材质，采取焊前预热和焊后热处理的措施，以防止由于冷却速度过快导致冷裂纹的形成。

表1 30Cr13钢的化学成分(质量分数，%)

表2 30Cr13钢的力学性能

表3 ER309焊丝和 E309-16焊条化学成分(质量分数，%)

表4 ER309焊丝和 E309-16焊条力学性能

考虑到筒体内部作业空间狭小，且焊前预热温度较高，采用接头形式为单面60oV形坡口，采用氩弧焊(GTAW)打底和焊条电弧焊(SMAW)进行填充的焊接方法，在筒体外侧进行施焊。焊接时，应避免使用较大的焊接热输入，以减小热影响区的宽度，注意控制层间温度，进行多层多道焊[2]。经过多次焊接工艺试验，确定预热温度和层间温度均为300～400 ℃，其它焊接工艺参数见表5。

焊接过程中，为尽可能地模拟实际焊接结构情况，将试板提前刚性固定以增加焊缝的拘束力，然后再施焊。焊后立即采取保温缓冷措施，以降低冷却速度，防止产生冷裂纹。结合现场实际使用工况，为消除焊接筒体残余应力并降低出现裂纹的可能性，将焊接筒体进行了焊后整体消除应力热处理。消除应力回火处理的温度为635～665 ℃，控制升温速度在56～205 ℃/h，进炉温度≤315 ℃，保温60～75 min，出炉空冷。焊后消除应力的热处理工艺曲线，如图2所示。

表5 焊接工艺参数

图2 焊后消除应力热处理工艺曲线

3 焊接工艺试验结果

为了验证焊接材料的选择是否合适和焊接工艺参数是否合理，对30Cr13马氏体不锈钢焊接筒体进行了100%的PT+RT检测。考虑到母材具有一定的延迟裂纹倾向，故在焊接完成48 h后安排进行无损检测，还安排在消除应力热处理后再次进行无损检测。无损检测结果显示，焊后以及热处理后的焊接筒体均合格，未产生该类母材常见的延迟裂纹、气孔、夹渣等缺陷，焊接工艺性良好。

按照AWS D1.6/D1.6M-2007《不锈钢焊接规范》要求，拉伸试验试样的抗拉强度不低于母材抗拉强度最小值，弯曲试验试样沿任何方向不得有单条长度大于3 mm的开口缺陷。为验证所焊焊接接头的力学性能是否能满足产品需求，对焊接筒体试板的力学性能进行测试。取横向拉伸试样2件，侧向弯曲试样4件，测得焊接接头的强度、弯曲试验结果见表6。

表6 力学性能测试结果

从表6的力学性能测试结果可以看出，使用奥氏体不锈钢焊接材料焊接30Cr13马氏体不锈钢，焊接接头的抗拉强度大于母材最低540 MPa的要求；经180°侧弯试验后，未见肉眼可见开裂，未发现有延迟裂纹出现。由此也证实了焊接材料、焊接工艺参数及热处理工艺参数的选择较为合理。

4 结论

(1)选用309奥氏体不锈钢焊材，采用氩弧焊+焊条电弧焊方法对30Cr13马氏体不锈钢板材进行焊接工艺试验，试验结果达到了实际产品技术要求，可以制订焊接工艺规程，进行产品试制。

(2)采用较小的焊接热输入进行多层多道焊接，配合焊接预热，焊后保温及消除应力回火热处理工艺措施，焊接筒体和接头的无损检测和力学性能测试均满足要求。