15Cr鐵素體不銹鋼性能及焊管開(kāi)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(guò)程中的顯微組織特征以及激光焊管的開(kāi)裂。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)大,這是焊管開(kāi)裂發(fā)生在熱影響區(qū)進(jìn)而擴(kuò)展到整個(gè)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(shí)驗(yàn)焊管焊縫處熔深,同時(shí)控制柱狀晶的長(zhǎng)大從而與基體更好的結(jié)合,以增大焊縫的強(qiáng)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(shì),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(guò)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(qiáng)度和較高的低溫沖擊性能。在此類(lèi)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(diǎn),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?yàn)榧す夂杆俣缺萒IG焊快2~3倍,熔區(qū)暴露于氧化環(huán)境的時(shí)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?yàn)槿绱耍す夂腹芾涑尚蔚膹U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(qiáng)度得到了保證,同時(shí)也節(jié)省了焊料費(fèi)用?,F(xiàn)代激光器有著裝置簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)實(shí)耐用的特點(diǎn),因而在具有先進(jìn)性能的同時(shí),也十分易于維護(hù)?;谶@一事實(shí),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(guó)外眾多廠(chǎng)家為什么要采用激光焊管技術(shù)的原因所在。
一、實(shí)驗(yàn)材料與方法
實(shí)驗(yàn)材料為某大型鋼鐵廠(chǎng)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(guò)卷板機(jī)逐級(jí)卷制,當(dāng)?shù)竭_(dá)焊接點(diǎn)時(shí),鋼帶被卷成管狀而進(jìn)行縱縫焊接,成為焊管。焊接時(shí),沿著管的軸線(xiàn)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(guò)程中,通過(guò)制管機(jī)的滾輪壓緊,以保證焊接時(shí)的應(yīng)力在允許范圍之內(nèi)。在激光焊接時(shí),由于在前面加入了一個(gè)TIG電弧,所以對(duì)激光光斑的對(duì)中性要求并不那么高了。
二、實(shí)驗(yàn)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(guān)組織形貌。很明顯,經(jīng)過(guò)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(dòng)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(shí)驗(yàn)用鋼有較高的屈服和抗拉強(qiáng)度,同時(shí)r值為1.65且各向異性值為0.24,并具有高的伸長(zhǎng)率??芍緦?shí)驗(yàn)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(kāi)裂宏觀(guān)形貌
圖為不同直徑激光焊管在后續(xù)加工過(guò)程中沿焊縫熔合處發(fā)生明顯開(kāi)裂的情況。圖為小直徑焊管開(kāi)裂的宏觀(guān)形貌,發(fā)現(xiàn)在擴(kuò)管過(guò)程中焊縫區(qū)域發(fā)生開(kāi)裂,并附有肉眼可見(jiàn)微裂紋,而此處并未發(fā)生大的變形;圖為較大直徑焊管開(kāi)裂的宏觀(guān)形貌,發(fā)現(xiàn)在擴(kuò)管過(guò)程中焊縫區(qū)域發(fā)生明顯開(kāi)裂。這可能是原始管材的焊接不良所致。
3. 焊接接頭開(kāi)裂分析
圖為實(shí)驗(yàn)用鋼焊縫處的金相組織。從圖可清晰地看出,此焊接接頭對(duì)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(duì)焊管基體幾乎無(wú)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(zhǎng)大。焊縫區(qū)為典型的鑄態(tài)樹(shù)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(gè)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(huì)使焊縫中心成為焊接接頭最脆弱的部位。這種晶粒略有長(zhǎng)大的現(xiàn)象可能與在激光焊接前附加了一個(gè)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(lái)看,加入TIG電弧還是很有必要的。由圖中焊縫開(kāi)裂宏觀(guān)形貌觀(guān)察可知,實(shí)驗(yàn)焊管開(kāi)裂斷口無(wú)明顯頸縮,開(kāi)裂方向沿著焊縫熔合線(xiàn)擴(kuò)展,另外有幾處沿著垂直于焊縫方向開(kāi)裂,且有一定間距。實(shí)驗(yàn)焊管焊縫熔合線(xiàn)明顯可見(jiàn),且焊縫處柱狀晶粗大,對(duì)焊縫處性能產(chǎn)生不良影響。圖開(kāi)裂處從宏觀(guān)形貌上看明顯為沿焊縫熔合線(xiàn)撕開(kāi),說(shuō)明焊接不良,也可能是內(nèi)焊跟高度不高,導(dǎo)致焊縫的強(qiáng)度不夠,所以在擴(kuò)管的過(guò)程中沿熔合線(xiàn)開(kāi)裂。圖為垂直于實(shí)驗(yàn)焊管焊縫開(kāi)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?yàn)檠刂鶢罹ЫM織和熱影響區(qū)邊界。圖中明顯可見(jiàn)焊縫開(kāi)裂于熱影響區(qū),進(jìn)而整個(gè)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(qiáng)度不夠。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)焊管焊縫處熔深,同時(shí)控制柱狀晶的長(zhǎng)大從而使焊縫與基體更好的結(jié)合,加大焊縫處的強(qiáng)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(jī)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(xiàn)。激光焊焊縫在高速焊接的過(guò)程中快速冷卻形成樹(shù)枝狀的鑄態(tài)晶體組織,樹(shù)枝晶的方向與焊接方向約成60°。同時(shí)焊縫與母材之間為不平直的界面,對(duì)其結(jié)合性有較佳的貢獻(xiàn)。熱影響區(qū)晶粒略有長(zhǎng)大,這是焊管擴(kuò)管過(guò)程中開(kāi)裂發(fā)生在熱影響區(qū)進(jìn)而擴(kuò)展到整個(gè)焊縫區(qū)的原因。
3. 應(yīng)加大激光焊的焊接熱輸入,加大實(shí)驗(yàn)焊管焊縫處熔深,同時(shí)控制柱狀晶的長(zhǎng)大從而與基體更好的結(jié)合,以增大焊縫處的強(qiáng)度。
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