430铁素体不锈钢A-TIG焊接
2020-09-28
来源:年旅网
第46卷第9期 2013年9月 D0I 10.11784几奴b20130912 天津大学学报(自然科学与工程技术版) Journal of Tianjin University(Science and Technology) Vb1.46 NO.9 Sep.2013 430铁素体不锈钢A.TIG焊接 胡绳荪1,2,王勇慧 ,一,申俊琦 ,一,陈昌亮 ,一,许海刚 (1.天津大学材料科学与工程学院天津300072;2.天津市现代连接技术重点实验室,天津300072; 3.宝山钢铁股份有限公司研究院,上海200431) 摘要:针对铁素体不锈钢,选用常见的氧化物和卤化物进行单组分A.TIG实验,结果表明氧化物活性剂增加焊缝 熔深的效果更为显著.以B2O3、Cr203、SiO2分别作为基础组元进行多组分活性剂实验,得到最优配比的活性剂可 使焊缝熔深达到传统TIG焊的2.46倍.组织和力学性能测试显示:与TIG焊缝相比,使用活性剂后焊缝中的铁素 体晶粒尺寸略有减小,但硬度和拉伸强度变化不大. 关键词:铁素体不锈钢;A.TIG;焊缝熔深;微观组织;力学性能 中图分类号:TG444 文献标志码:A 文章编号:0493.2137(2013)09—0831-05 A—TIG Welding of 430 Ferritic Stainless Steel Hu Shengsun I-,Wang Yonghui ,Shen Junqi ,-,Chen Changliang ’。,Xu Haigang (1.School ofMaterials Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2.Tianjin Key Laboratory ofAdvanced Joining Technology,Tianjin 300072,China; 3.Research Institute,Baoshan Iron and Steel Company Limited,Shanghai 20043 1,China) Abstract:Study of the effects of common oxides and halides in single component A-TIG experiments indicates that oxide fluxes perform be ̄er in increasing weld penetration of ferritic stainless stee1.B203、Cr203 and SiO2 are used as the basic elements of the multi-component activating flux.The optimal flux can make weld pene ̄ation 2.46 times as much as that with conventional TIG welding.Through the structure analysis and mechanical properties tests,it has been found that A・-TIG welding seam has a slight decrease in ferrite grain size with few changes in hardness and ten-- sile s ̄ength ofA—TIG welding seam compared with conventional TIG welding seam. Keywords:ferritic stainless steel;A・TIG;weld penetration;microstructure;mechanical property 奥氏体不锈钢以其出色的耐腐蚀、高温、氧化性 能,在全世界范围内获得广泛的应用.但随着国际镍 价飙升,以镍作为主要合金元素的奥氏体不锈钢价格 居高不下,人们开始转向其他替代钢种的研发推广, 其中铁素体不锈钢具有很大发展潜力. 430(1Crl7)是铁素体不锈钢的代表钢种,基体不 含镍,价格相对较低,并具有导热系数大、线膨胀系 数较小、耐氯化物应力腐蚀性好等优点l1 J.这类钢通 常采用手工焊或TIG焊工艺进行焊接. 传统的TIG焊能获得优良的焊缝,但存在焊缝 A.TIG是在待焊工件表面涂覆活性剂后进行 TIG焊的一种高效的焊接方法,活性剂的使用可以明 显增加熔深.目前国内外碳钢、铝合金、钛合金、奥氏 体不锈钢等相关的A—TIG研究较多【2曲],针对铁素体 不锈钢的研究鲜见报道. 笔者针对430铁素体不锈钢进行了单组份和多 组分的A—TIG焊实验,分别研究了活性剂对焊缝熔 深、微观组织和力学性能的影响规律. 1 实验条件 实验用430铁素体不锈钢板规格为:300 mm× 熔深小的问题,中厚板需要开坡口进行多道焊或者加 大焊接热输入,这样焊接效率低,而且焊后组织粗化 严重,使用性能急剧下降. 收稿日期:2012.03.30;修回日期:2012—05—23. 150 arin×3.2 mm,其化学成分如表l所示.所使用 作者简介:胡绳荪(1956一 ),男,教授,huss@tju.edu.cn. 通讯作者:申俊琦,shenjunqi@ u.edu.cr1. 天津大学学报(自然科学与工程技术版) 第46卷第9期 的焊接设备包括Fronius公司生产的Magic Wave 4000型数字化TIG焊机、自动焊接工作台、按压式夹 具等.实验时工件固定在夹具上,焊枪随着小车作匀 速直线运动,这样可使焊接过程中弧长和焊接速度保 持稳定. 为了减少焊接缺陷,提高焊缝质量,焊前应对焊 板进行表面处理,具体方法为用240#砂纸对钢板表 面进行打磨,然后用无水乙醇进行清洗,以去除表面 杂质和氧化膜,待其干燥后可以进行活性剂的涂覆. 表1 430铁素体不锈钢化学成分 Tab.1 Chemical composition of 430 ferritic stainless steel % COC COCT ≤O.12 16.00~l8.OO ≤0.75 ≤1.0O 2单组分活性剂对焊缝熔深的影响 研究单一组分活性剂对焊缝熔深的影响规律,是 进行多组分活性剂实验的基础.在查阅文献[2,4.5,7] 的基础上,选用了氧化物和卤化物2种类型的活性 剂,包括B2 03、Cr203、SiO2、TiO2、MnO2、MgO、 CaO、KC1、CaF2、NaF,经电子天平精确称量后,加入 适量无水乙醇调和成糊状,用扁平毛刷均匀涂覆到待 焊工件表面,涂覆宽度为2O~30 mm,厚度为0.5 mm 左右. 首先测量每种活性剂对应的临界熔透电流值,以 初步了解每种组分对于焊接熔深影响的大小及对应 的成形状况,焊接规范见表2.焊接电流从90 A开 始,每次增加5 A,直至找到临界熔透电流值.每焊 完一道后,均要重磨钨极并重新调整钨极高度,以保 证焊接条件的一致性. 表2 A.TIG焊接规范 Tab.2 Welding parameters of A—TIG l弧长/ 焊接速度/ 钨极直 焊枪倾 保护气流 mm (mm・s ) 径/mm 角/(。) 量/(L・rain ) 2 4 2.4 90 1O 实验结果如图1所示,可见所用活性剂均能使焊 接临界熔透电流值减小,即涂覆活性剂后可以在较小 的热输人条件下使3.2 mm钢板熔透.氧化物类活性 剂对减小焊接临界电流的作用比较明显,B2O3、 Cr203、SiO2、TiO2、MnO2、CaO都能使临界熔透电流 降低80 A以上,效果最好的B2O3甚至能将临界熔透 电流降为空板焊接时的42.3%;卤化物KC1、CaF2、 NaF效果均不明显. 对于活性剂增加焊缝熔深的作用机理,国内外存 在多种理论解释,其中最有代表性的是“电弧收缩理 论”及“表面张力温度梯度改变理论”[ .活性剂中的 F、C1、O都具有较强的电子亲和能力,能够引起电弧 ! ∞M0 ≤0.O4 ≤0.O3 ≤0.6O 2.00~3.00 收缩效应,但同时0还能有效改变熔池表面张力梯 度,增大焊缝熔深,因而氧化物的综合效果要普遍优 于卤化物. 选用氧化物类活性剂用表2的规范在90 A电流 下进行焊接,焊后横向切割焊缝制备金相试样,腐蚀 后在低倍光学显微镜下观察焊缝熔深,得到各组分活 性剂对焊缝熔深的影响如图2所示(D为不同活性剂 对应的熔深,D。为无活性剂区的熔深).从结果来 看,所选活性剂均能不同程度增加焊缝熔深.其中增 加效果较为明显的有B2O3、SiO2、Cr203、TiO2. 图1单组分活性剂临界熔透电流 Fig.1 Penetration currents of single component activat— ing flux 图2单组分活性剂对焊接熔深的影响 Fig.2 Effect of single component activating flux on weld penetration 3多组分活性剂对焊缝熔深的影响 在单组分活性剂实验的基础上,选定B2O3、 2013年9月 胡绳荪等:430铁素体不锈钢A—TIG焊接 cr2O3、SiO2、TiO2进行混合组分活性剂实验. 用和表面张力温度梯度改变作用,因而比单组分活性 剂的效果更为明显[12-13]. 表4多组分活性剂配比 Tab.4 Proportioning of multi—component activating flux (1)进行任意2个单组分活性剂等量混合实验, 用表2所示焊接规范,分别在l10 A、120 A的电流下 进行焊接,观察焊缝熔透情况. (2)进行多组分活性剂定量配比实验,用表2所 示焊接规范,分别在105 A、110 A的电流下进行焊 接,观察焊缝熔透情况. 编号 A 组分 百分数 80 10 10 B203 Si02 Cr203 等量混合单组分活性剂实验的结果如表3所示, 从表3中2—5组结果可以看出,Cr2 O3和TiO2含量 较大时,活性剂作用效果变差,因而在混合组分中含 B B2O3 Si02 Cr203 70 2O l0 量不应太多. 从表3中2、3和4、5两组对比可以看出,Cr2 O 的作用优于TiO2.根据胡礼木等[1o-111的研究结果,多 组元活性剂中的Cr2 O3或有改善焊接接头“贫铬”, 提高腐蚀性能的作用.结合实验结果,本实验最终确 定活性剂配方的主要成分为:B2O3(40%~80%), SiO2(10%~20%),Cr2 03(10%~20%),其酉己比如表4 所示. 表3等量混合单组分活性剂实验结果 Tab.3 Results of the expriment with 1:1 single compo— nent activating flux 序号 活性剂 焊缝情况 ll0A时有小段熔透 1 B203+Si02 120A时完全熔透 l10 A时没有熔透的迹象 2 B2O3+Cr2O3 120A时有小段熔透 110 A时没有熔透的迹象 3 B2O3+TiO2 120 A时有局部点状熔透 1】0 A时没有熔透的迹象 4 Si02+Cr2O3 120A时有小段熔透 1l0 A时没有熔透的迹象 5 SiO2+Ti02 120 A时只有局部点状熔透 6 Cr203+Ti02 110 A时没有熔透的迹象 120 A时只有局部点状熔透 其中A组在105 A下全部熔透;B组仅在110 A 下有小段熔透;D组在110A下大半段熔透,在 105 A下只有局部点状熔透;G组在110 A下大半段 熔透,在105 A下只有局部点状熔透;H组在110 A 下全部熔透,在105 A下只有部分熔透;剩下的C、 E、F 3组在110 A电流下均未熔透. 通常认为:SiO2、Cr203、CaF2等活性剂会在阳极 表面形成导电性较差的熔融层,使得电弧导电通道变 长而导致电弧等离子体发生收缩;B2O3、TiO2等活性 剂则能强烈改变熔池表面张力,使表面张力温度梯度 由负变正,熔池金属流动方向从周边流向中心,从而 使焊缝熔深增加.多组分活性剂综合了电弧收缩作 C B2O3 70 SiO2 10 Cr203 20 D B203 60 SiO2 3O Cr203 10 E B203 60 Si02 20 Cr203 20 F B203 50 SiO2 40 Cr2O3 10 G B203 50 SiO2 30 Cr203 20 H B2O3 40 SiO2 40 Crz03 20 4活性剂对焊缝组织性能的影响 利用表2所示焊接规范,在105 A电流下对涂覆 A组活性剂和不适用活性剂的430铁素体钢板进行 焊接,焊后对焊缝区取样进行观察. 如图3所示,在相同焊接条件下,不使用活性剂 焊接钢板时,得到的熔深只有1.3 mm,是宽而浅的 碗状熔深;使用活性剂后熔深可达3.2 mm,是前者 的2.46倍,同时熔宽明显减少,呈现深而窄的杯状 熔深. 不使用活性剂的焊缝组织如图4(a)和4(c)所 示,可见在焊接热循环的作用下铁素体组织较为粗 大,并出现少量马氏体和析出相;使用活性剂的焊缝 组织如图4(b)和4(d)所示,从图4中可以看出,使 用活性剂后焊缝区铁素体的晶粒尺寸有所减小,这与 活性剂中Cr、B、si等合金元素引起的晶粒细化作用 有关㈣. 2013年9月 胡绳荪等:430铁素体不锈钢A—TIG焊接 , -835・ ing welding for aluminum alloy[J].China耽 2005,14(2):130—134. als Processing Technology,2000,99(1/2/3):260- 265. J.Use of A—TIG method or fwelding of titanium, [3] Niaqai[10]胡礼木,胡波,郭从盛,等.奥氏体不锈钢TIG用 nickel,their alloys and austenitic steels[J].耽 馏 一 ternational,2006,20(7):516.520. 活性剂的研制[J].焊接学报,2006,27(6):53—55. Hu Limu,Hu Bo,Guo Congsheng,et a1.Active flux or austeniftic stainless steel tungsten inert・・gas weld—- [4] Leconte S,Paillard P,Chapelle P,et a1.Effect of oxide fluxes on activation mechanisms of tungsten inert ing【J].Transactions of the China Welding nstIitution, 2006,27(6):53.55(in Chinese). gas process[J].Science and Technology of Welding and Joining,2006,11(4):389—397. [11]胡礼木,胡波,张永宏,等.不锈钢A—TIG焊接头 [5] Liu L M,Zhang Z D,Song G,et a1.Mechanism and 的抗腐蚀性能分析[J].焊接学报,2006,27(7):34. [6] [7] [8] [9] microstructure of oxide fluxes for gas tungsten arc weld— ing of magnesium alloy[J].Metallurgical and Materials Transaction A,2007,38(3):649.658. Loureiro A R,Costa B F 0,Batista A C,et a1.Effect of activating flux and shielding gas on microstmcture of TIG welds in austenitic stainless steel[J].Science and Technology of肫 馏and Joining,2009,14(4): 315.320. Leconte1 S,Paillrad P,Saindrenan J.Effect of fluxes containing oxides on tungsten inert gas welding process [J].Science and Technology ofWelding andJoining, 2006,11(1):43—47. 张兆栋.镁合金活性焊接研究[D].大连:大连理工大 学材料科学与工程学院,2007. Zhang Zhaodong.The Study of Activating Flxu Welding ofr Magnesimu Alloy[D].Dalian:School of Materials Science and Engineering,Dalian University of Technol- ogy,2007(in Chinese). Modenesi P J。Apolinario E R,Pereira I M.TIG weld- ing with single component-lfuxes[J].Journal ofMateri— 36. Hu Limu,Hu Bo,Zhang Yonghong,et a1.Analysis of corrosion resistance of A—TIG welded joint for austenitic stainless steel[J].Transactions ofthe China Welding In— stitution,2006,27(7):34.36(in Chinese). [12]宋天革,张岸.多组元活性剂对TIG焊焊缝熔深的 影响[J].兵工学报,2009,30(12):1718-1721. Song Tiange,Zhang An.Effect of multi-component ac tive fluxes on penetration in TIG welding[J].Acta Ar- mamentarii,2009,30(12):1718-l721(inChinese). [13]孙亚非.活性剂等离子弧焊接的研究[D].大连:大连 交通大学材料科学与工程学院,2004. Sun Yafei.Investigation on A PAW[D].Dalian:School of Materials Science and Engineering,Dalian Jiaotong University,2004(in Chinese). [14]韩宝军,徐洲.钢铁晶粒超细化方法及其研究进展 [Jj.材料导报,2010,24(1):94-103. Han Baojun,Xu Zhou.Grain ulrta-refinement and its development in steels[J].Materials Review,20 1 0, 24(1):94—103(in Chinese).