Cr17型超低碳铁素体不锈钢薄板焊接工艺及接头性能

贺孝伟

摘要 主要研究Cr17型超低碳铁素体不锈钢薄板焊接工艺及接头性能，对铁素体不锈钢的韧性、耐腐蚀性能和焊接性进行了讨论，并对其薄板焊接工艺与接头性能进行了分析。

关键词 超低碳铁素体；不锈钢；焊接工艺

铁素体是一种不含镍或者含少量镍的经济型不锈钢，有着优秀的抗腐蚀性能和十分广阔的应用前景，本文就对Cr17型超低碳铁素体不锈钢薄板焊接工艺与接头性能进行研究，对铁素体不锈钢焊接性能的提高和获得良好焊接性有着重要意义，对铁素体不锈钢的应用于推广都有着重要意义。

1.铁素体不锈钢

铁素体含镉量通常都在11%-30%之间，为体心立方晶体结构，使用状态下主要为铁素体组织，其导热系数是奥氏体不锈钢的130%-150%，该类钢通常Ni的含量很低，有少量含有Ti、Nb等元素，价格比Cr-Ni奥氏体不锈钢便宜，而材料力学性能却比较优异。

1.1韧性

铁素体不锈钢有着理想的强度和冷成型性能，但是室温和低温下，韧性会迅速下降，韧脆转变温度升高，有着很高的缺口敏感性，并且随着铁素体不锈钢界面尺寸的不断增加，冷却速度变慢和焊接热循环的影响会进一步加剧这种效果，限制了铁素体不锈钢的应用，所以关于铁素体不锈钢的研究更多集中在低温脆性和高温脆化问题上。变形温度是铁素体不锈钢低温时承受塑性变形能力的主要影响因素，在低于室温时这些问题更加明显。温度的降低会导致材料强度的迅速上升和韧性下降，这是铁素体不锈钢内部体心立方结构螺旋位错造成的横向滑移能力下降导致的，铁素体不锈钢容易发生解理断裂。

1.2耐腐蚀性能

铁素体不锈钢中Cr最容易钝化，而Fe和Cr形成的固溶体会一定程度上提高铁钝态稳定性。铬能够在钢材表面形成致密的，能够实现自动修复的氧化膜，明显提高了铁素体不锈钢耐均匀腐蚀的能力，Mo则能够加快Fe-Cr合金钝化，富集钝化膜中的Cr，并且还能够以酸根形式吸附在金属表面，减缓了活性金属面的溶解，

铁素体的耐应力腐蚀能力也要由于Ni-Cr奥氏体不锈钢，铁素体不锈钢中的体心立方晶体结构晶面之间容易发生交叉滑移，产生网状位错，难以产生粗大的滑移台阶，难以形成现状蚀沟，穿晶破坏难以发生，同时还会提高对应力腐蚀的抗性。

2.焊接工艺

铁素体不锈钢应用范围不断增加，关于其焊接工艺的研究也更加深入。通常普通铁素体不锈钢可以采用焊条电弧焊、气体保护焊和埋弧焊等方法焊接，超低碳氮等现代铁素体材料可通过氩弧焊、等离子弧焊、电子束焊等保护性强的焊接方法，使用同质焊接材料能够获得和原材料类似的焊接性能，但是抗裂性能较差，而使用铬镍奥氏体焊材进行焊接能够获得更好的塑性韧性，但是耐腐蚀性能却不理想。

铁素体不锈钢受到焊接热循环作用影响，热影响区晶粒尺寸很大，碳、氮化物容易聚集在晶界，接头耐蚀性会明显下降，焊接接头韧性下降，拘束度很大时更容易产生焊接裂纹。除此之外，焊接线能量也会明显影响焊接质量，而焊接线能量则和焊接电流、电弧电压以及焊接速度有关，所以选择工艺参数应该尽量选择小规格，从而获得比较稳定的焊缝金属化学成分为性能，减少波动，同时为了提高接头韧性、塑性和耐蚀性，可以采取一些必要的工艺措施：

2.1降低焊接线能量

选择焊接规范参数时需要尽量降低线能量，能够控制母材融化量，减小热影响区面积，同时缩小了晶粒体积，提高接头韧性。

2.2减少焊接过程产生的横向摆动和在坡口的停留时间

减少坡口停留时间能够降低熔合比，同时还能够避免过热，同时还不会产生严重的粗晶脆化以及过热组织。

2.3采取必要的热处理措施

通常铁素体不锈钢板都应该进行焊前预热和焊后热处理，消除焊接应力，细化晶粒。

3.Cr17铁素体不锈钢接头性能分析

3.1金相分析

铁素体不锈钢母材晶粒细小，为等轴晶，焊缝金属是柱状晶，内部为胞状树晶。焊接过程中，线能量很小时熔合区柱状晶发展不充分，为等轴晶粒。热影响区在焊接热循环作用下，晶粒尺寸较大。随着焊接热输入增加，熔合区晶粒尺寸不断增加。小焊接速度、大焊接线能量情况下的柱状晶生产方向垂直于焊缝中心。随着焊接线能量增加，熔宽方向受到的影响更大，因此熔合线就逐渐趋于和熔合线垂直，柱状晶生长方向垂直于焊缝中心，影响到焊缝使用性能。焊接接头不同特征区之间的金相组织比较统一，均为单一铁素体，晶界以及晶内无明显析出相。表明焊接热循环过程中，焊缝和热影响区无明显相变。

3.2焊接性

铁素体不锈钢焊接接头主要有热影响区、熔合区、焊缝区三个区域，焊缝显微组织主要为铁素体，热影响区有小的等轴晶区和粗晶区，焊缝区主要有柱状晶和焊缝中心多边形铁素体晶粒，焊缝区金属结晶组织主要是柱状晶。经过拉伸试验发现焊接接頭位置抗拉强度不及母材。

铁素体不锈钢薄板焊接加工过程中，焊接电流以及填充焊丝对焊缝成型影响很大，焊接电流过小会造成引弧困难，无法实现焊接过程，焊接可能会发生焊不透的情况，但是如果焊接电流过大，薄板有可能会被烧穿，适用焊接工艺参数下，TIG焊接焊缝存在着一定的不连续，熔深、熔宽较大，而自动MAG焊接能够获得良好的连续性，焊缝成型较好。

4.结束语

Cr17型超低碳铁素体不锈钢薄板焊接在焊接工艺参数合理，选用合适填充材料的情况下能够获得良好的母材强度，并且焊缝强度不会明显低于母材。为了提高焊接效率同时保证质量，采用大焊接电流时要增加焊接速度，要避免焊接过程造成熔池以及焊接材料污染。

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