15Cr鐵素體不銹鋼性能及焊管開裂分析

  浙江至德鋼業(yè)有限公司研究了15%Cr鐵素體不銹鋼板材軋制過程中的顯微組織特征以及激光焊管的開裂。實驗結(jié)果表明，實驗用鋼組織均勻，為后續(xù)成形提供了良好的保證。激光焊縫熱影響區(qū)晶粒略有長大，這是焊管開裂發(fā)生在熱影響區(qū)進(jìn)而擴展到整個焊縫區(qū)的原因。綜合結(jié)果表明：應(yīng)加大激光焊的焊接熱輸入，加大實驗焊管焊縫處熔深，同時控制柱狀晶的長大從而與基體更好的結(jié)合，以增大焊縫的強度。

   鐵素體不銹鋼具有成本低、熱膨脹系數(shù)小、耐應(yīng)力腐蝕性能好等優(yōu)勢，廣泛的應(yīng)用于家用電器、建筑和裝飾中等。鐵素體不銹鋼通過超低碳氮和低硫技術(shù)控制且加入鈮元素，鋼質(zhì)純凈，保證了其強度和較高的低溫沖擊性能。在此類鐵素體不銹鋼中加入鈦元素，有效的提高了其焊接性。激光焊與TIG焊相比，具有高能密度和小光斑尺寸的特點，故其焊接熔區(qū)體積小于TIG焊，熔區(qū)暴露于氧化環(huán)境里的表面積也因此而減小了。又因為激光焊速度比TIG焊快2～3倍，熔區(qū)暴露于氧化環(huán)境的時間也縮短了。加之激光焊的熱影響區(qū)很小，也使熱影響區(qū)相變產(chǎn)生的危害程度降至最低。正因為如此，激光焊管冷成形的廢品率可降至1%。激光焊一般不用焊料，因此焊縫與基材成分完全一樣，這就使焊接強度得到了保證，同時也節(jié)省了焊料費用?，F(xiàn)代激光器有著裝置簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、堅實耐用的特點，因而在具有先進(jìn)性能的同時，也十分易于維護(hù)?；谶@一事實，加上激光焊管的高質(zhì)量和承受冷加工的能力，就是目前國外眾多廠家為什么要采用激光焊管技術(shù)的原因所在。

一、實驗材料與方法

    實驗材料為某大型鋼鐵廠試制的15%Cr鐵素體不銹鋼，經(jīng)感應(yīng)電爐冶煉鑄錠，鍛造及去除表面氧化皮得到尺寸為260mm×300mm×70mm的方錠。重新加熱至1100℃保溫70min后，先熱軋成4mm厚的鋼板，經(jīng)960℃退火4min后冷軋成1.5mm厚的冷軋板，再960℃退火2分鐘，空冷至室溫。將314mm×1.5mm的鋼帶作為原材料，通過卷板機逐級卷制，當(dāng)?shù)竭_(dá)焊接點時，鋼帶被卷成管狀而進(jìn)行縱縫焊接，成為焊管。焊接時，沿著管的軸線方向進(jìn)行激光焊接(附加TIG電弧)，激光焊接采用采用HJ-4型5kW工業(yè)用橫流二氧化碳激光器。激光模式為多模，采用銅拋物全反聚焦鏡聚焦，焦距140mm。在激光焊接過程中，通過制管機的滾輪壓緊，以保證焊接時的應(yīng)力在允許范圍之內(nèi)。在激光焊接時，由于在前面加入了一個TIG電弧，所以對激光光斑的對中性要求并不那么高了。

二、實驗結(jié)果及分析

  1. 顯微組織及力學(xué)性能分析

  圖分別為15%Cr鐵素體不銹鋼熱軋態(tài)、熱軋退火態(tài)、冷軋態(tài)和冷軋退火態(tài)的微觀組織形貌。很明顯，經(jīng)過五道次熱軋后，在從表層到中心層很寬的一段區(qū)域，變形帶的內(nèi)部出現(xiàn)了大量的晶內(nèi)剪切帶，圖中被腐蝕的黑色區(qū)域即是，也意味這剪切帶發(fā)生了明顯的動態(tài)回復(fù)，這些剪切帶大多同軋制方向呈30°角。熱軋退火后晶粒均勻且晶粒尺寸偏大，有利于冷軋及退火后的成形性能。由圖可看出，冷軋退火后的晶粒尺寸小，增加了成品板的成形性能。從表1可看出，實驗用鋼有較高的屈服和抗拉強度，同時r值為1.65且各向異性值為0.24，并具有高的伸長率?？芍?，本實驗用鋼基體具有良好的成形性能，為后續(xù)的焊接及加工成管件提供了良好的保證。

  2. 焊縫開裂宏觀形貌

  圖為不同直徑激光焊管在后續(xù)加工過程中沿焊縫熔合處發(fā)生明顯開裂的情況。圖為小直徑焊管開裂的宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)在擴管過程中焊縫區(qū)域發(fā)生開裂，并附有肉眼可見微裂紋，而此處并未發(fā)生大的變形；圖為較大直徑焊管開裂的宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)在擴管過程中焊縫區(qū)域發(fā)生明顯開裂。這可能是原始管材的焊接不良所致。

   3. 焊接接頭開裂分析

    圖為實驗用鋼焊縫處的金相組織。從圖可清晰地看出，此焊接接頭對應(yīng)的焊接形式為深熔焊。在激光熱源高能量密度的作用下速熱速冷，形成的焊縫較窄并且熱影響區(qū)也很小，對焊管基體幾乎無變形影響。在焊縫與母材基體之間存在明顯的界面，焊縫余高不明顯。不足的是在焊縫與基體表面交界處存在微小缺口，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，這主要是由于激光焊接的焊接速度快而形成微小咬邊現(xiàn)象。因此，一定要注意控制焊接速度。從圖可以看出，焊接接頭從母材基體到焊縫，組織形態(tài)發(fā)生了明顯的變化，在靠近焊縫位置的母材(熱影響區(qū))晶粒略有長大。焊縫區(qū)為典型的鑄態(tài)樹枝狀晶體，沿?zé)崃鞣较蛉刍瘏^(qū)冷卻形成的枝晶呈現(xiàn)方向性，與焊接方向的夾角約為60°。需要指出的是，由于焊縫的組織是鑄態(tài)組織，如果冷卻速度正好在某個范圍內(nèi)使兩側(cè)鑄態(tài)組織的交界處出現(xiàn)雜質(zhì)的偏析，同樣會使焊縫中心成為焊接接頭最脆弱的部位。這種晶粒略有長大的現(xiàn)象可能與在激光焊接前附加了一個TIG預(yù)熱電弧有關(guān)，但相比起到的作用與產(chǎn)生的不利影響來看，加入TIG電弧還是很有必要的。由圖中焊縫開裂宏觀形貌觀察可知，實驗焊管開裂斷口無明顯頸縮，開裂方向沿著焊縫熔合線擴展，另外有幾處沿著垂直于焊縫方向開裂，且有一定間距。實驗焊管焊縫熔合線明顯可見，且焊縫處柱狀晶粗大，對焊縫處性能產(chǎn)生不良影響。圖開裂處從宏觀形貌上看明顯為沿焊縫熔合線撕開，說明焊接不良，也可能是內(nèi)焊跟高度不高，導(dǎo)致焊縫的強度不夠，所以在擴管的過程中沿熔合線開裂。圖為垂直于實驗焊管焊縫開裂處熱影響區(qū)組織，可看出熱影響區(qū)有明顯的裂紋，方向為沿著柱狀晶組織和熱影響區(qū)邊界。圖中明顯可見焊縫開裂于熱影響區(qū)，進(jìn)而整個焊縫區(qū)域全部斷裂，其主要原因歸于熱影響區(qū)組織不均勻和柱狀晶組織的粗大，從而導(dǎo)致其熱影響區(qū)強度不夠。實驗用鋼基體組織如圖所示，基體組織晶粒均勻。綜上所述，應(yīng)加大激光焊的焊接熱輸入，加大實驗焊管焊縫處熔深，同時控制柱狀晶的長大從而使焊縫與基體更好的結(jié)合，加大焊縫處的強度。

三、結(jié)論

  1. 15%Cr鐵素體不銹鋼板材熱軋退火組織晶粒較大且均勻分布，為后續(xù)冷軋退火板獲得均勻分布的組織提供基礎(chǔ)，從而獲得良好的機械加工性能。

  2. 激光焊接接頭的焊縫很窄，在焊縫處存在明顯的界線。激光焊焊縫在高速焊接的過程中快速冷卻形成樹枝狀的鑄態(tài)晶體組織，樹枝晶的方向與焊接方向約成60°。同時焊縫與母材之間為不平直的界面，對其結(jié)合性有較佳的貢獻(xiàn)。熱影響區(qū)晶粒略有長大，這是焊管擴管過程中開裂發(fā)生在熱影響區(qū)進(jìn)而擴展到整個焊縫區(qū)的原因。

  3. 應(yīng)加大激光焊的焊接熱輸入，加大實驗焊管焊縫處熔深，同時控制柱狀晶的長大從而與基體更好的結(jié)合，以增大焊縫處的強度。