CN101844281B - 一种不锈钢焊接材料 - Google Patents

Abstract

一种不锈钢焊接材料、焊丝及焊丝盘条，其重量百分比化学成分为：C 0～0.03％，Mn 0.5～1.0％，Si 0.5～1.0％，Cr 12.5～14.5％，Ti 0.2～0.3％，Ni 5.5～6.5％，S 0～0.015％，P 0～0.02％，其余为Fe及其他不可避免的杂质元素。该不锈钢焊接材料在铁素体不锈钢以及马氏体和铁素体双相不锈钢焊接中应用可代替奥氏不锈钢材料。该不锈钢焊接材料适合在热输入为5～7kJ/cm的条件下进行焊接。

Description

一种不锈钢焊接材料

技术领域

本发明涉及焊接材料和焊接工艺，特别是涉及铁素体不锈钢焊接材料和其焊接工艺。

背景技术

12％Cr铁素体不锈钢在铁路货车车体制造中得到越来越广泛的应用，目前该钢种的焊接采用ASME(American Society of Mechanical Engineers：机械工程师学会)SFA-5.9(不锈钢光焊丝和填充丝标准)中的ER308L焊丝进行焊接。由于ER308L属于奥氏体不锈钢体系，而母材为铁素体不锈钢，由于在铁路货车运媒等潮湿酸性环境中将不可避免的发生电偶腐蚀，因此，用ER308L等奥氏体不锈钢焊接的铁素体不锈钢在一定程度上影响其车体的使用期限。但是由于铁素体不锈钢在焊接热循环作用下，热影响粗晶区晶粒的急剧长大将严重降低热影响粗晶区的韧性，通常的铁素体焊丝韧性很差，韧脆转变温度一般在室温(25℃)以上，如ER430等。这类铁素体焊丝只有在对焊接接头不作很高要求时才用。因此，为了改善焊接接头的韧性性能，采用具有良好低温韧性的奥氏体不锈钢焊丝进行焊接，可以在一定程度上改善焊接接头的整体韧性，这也是奥氏体不锈钢焊丝在铁素体不锈钢钢材焊接中获得应用的主要原因。

另外，由于奥氏体焊接材料中含有昂贵的金属Ni，不但增大用户的使用成本，而且由于焊接材料成分体系与母材成分的巨大差别将使得焊接接头极易发生电偶腐蚀而降低接头的使用寿命。因此在铁路货车运媒等潮湿酸性环境中容易发生电偶腐蚀的情况下所用的铁素体不锈钢，如12％Cr铁素体不锈钢，需要一种具有更好的性价比和抗电偶腐蚀能力的铁素体不锈钢焊接材料。

发明内容

为了解决铁素体不锈钢以及马氏体和铁素体双相不锈钢长期使用奥氏体焊接材料进行焊接时存在的上述问题，本发明提供一种不锈钢焊接材料，不仅具有与奥氏体焊接材料等同的接头韧性，而且是更经济的低铬不锈钢焊接材料。

本发明的不锈钢焊接材料，其化学成分(重量％)为：C 0～0.03％，Mn 0.5～1.0％，Si 0.5～1.0％，Cr 12.5～14.5％，Ti 0.2～0.3％，Ni 5.5～6.5％，S 0～0.015％，P 0～0.02％，其余为Fe及其他不可避免的杂质元素。

本发明还提供一种不锈钢焊丝盘条，其化学成分(重量％)为：C0～0.03％，Mn 0.5～1.0％，Si 0.5～1.0％，Cr 12.5～14.5％，Ti 0.2～0.3％，Ni5.5～6.5％，S 0～0.015％，P 0～0.02％，其余为Fe及其他不可避免的杂质元素。

本发明又提供一种不锈钢焊丝，其化学成分(重量％)为：C 0～0.03％，Mn 0.5～1.0％，Si 0.5～1.0％，Cr 12.5～14.5％，Ti 0.2～0.3％，Ni 5.5～6.5％，S 0～0.015％，P 0～0.02％，其余为Fe及其他不可避免的杂质元素。

本发明还提供不锈钢焊接材料、盘条以及焊丝在铁素体不锈钢以及双相不锈钢(马氏体和铁素体)的焊接中的用途。特别是在铁路货车车体制造中得到越来越广泛应用的12％Cr铁素体不锈钢中的用途。

本发明的焊接材料、焊丝及其盘条采用Fe-Cr-Ni合金系统，在严格控制S、P元素含量的基础上，适当加入少量的Ti元素，将化学成分(质量％)控制为：C0～0.03％，Mn0.5～1.0％，Si0.5～1.0％，Cr12.5～14.5％，Ti0.2～0.3％，Ni5.5～6.5％，S0～0.015％，P0～0.02％，余者为Fe，以及其他不可避免的杂质元素。

C是金属强化元素有效元素之一，一定量C元素是必不可少的，但是C含量不能太多，过剩的C固溶在马氏体基体中形成孪晶马氏体而严重降低熔敷金属的韧性。因此本发明的焊接材料中碳含量控制为0～0.03％。

Cr：是不锈钢焊接材料中最为重要的元素之一，是抗腐蚀性能的保证。为与12％Cr基体具有等同的抗腐蚀性能而加入一定量的Cr元素，同基材相比，Cr的加入量稍高，这是由于焊缝组织在凝固过程中是一个非平衡状态的铸造过程，和基体的连铸、热轧得到的组织不同。因此Cr含量控制在12.5～14.5％。

Ni是奥氏体形成元素，是改善金属的低温韧性元素之一。因此为了保证其熔敷金属具有一定的塑韧性，成分体系中需加入适当含量的Ni元素；过低的Ni元素含量对熔敷金属韧性改善不显著，过高则不但会提高焊丝的成本，也会在熔敷金属中形成过量的残余奥氏体，不利熔敷金属韧性性能。因此本发明中将Ni控制在5.5～6.5％。

Ti：研究表明，细晶强化是唯一的对强度和韧性均有贡献的强化方式。为了进一步提高熔敷金属韧性，可使韧性良好的低碳板条马氏体组织进一步细化，为此本发明加入一定的Ti。由于N和Ti具有极强的结合力，且TiN颗粒能稳定地存在于1535℃的液态钢水中，为同是体心立方的铁素体形核提供核心，从而最终细化组织晶粒。Ti含量过低，形成的异质形核核心太少，起不到细化晶粒的作用。由于Ti是非常活泼的元素，极易氧化，Ti含量过多，将在冶炼过程中容易形成较难去除的夹渣，影响铸坯的质量和元素的收得率。因此本发明中将Ti控制在0.2～0.3％。

Mn：是熔敷金属具有一定强度的保证，同时Mn也具有在熔池过程中脱硫和脱氧的作用。本发明中Mn控制在0.5～1.0％。

Si：一方面有助于熔池阶段熔池的流动性得到改善，另一方面也有助于与氧结合形成夹渣物上浮，从而降低熔池中氧的含量。本发明汇总Si控制在0.5～1.0％。

图1是Schaeffle相图组织预测图。对于本发明的不锈钢焊接材料，按照其化学成分，利用schaeffle相图进行组织预测的结果见图1，从图中可见本发明的不锈钢焊接材料为马氏体和铁素体(M+F)组织，而传统ER308L为奥氏体和铁素体(A+F)组织，其中铁素体含量在该两种焊接材料中占有少量比例(分别为5％和9％左右)。

基于上述各合金元素作用的原理，设计的本发明的铁素体不锈钢焊接材料、焊丝盘条及焊丝，不仅达到等同已有焊接材料的性能，同时具有良好的性价比。本发明的不锈钢焊接材料可以解决铁素体类不锈钢以及马氏体+铁素体双相不锈钢的焊接材料问题，也就是长期使用奥氏体焊接材料进行焊接，由于奥氏体焊接材料中含有昂贵的金属Ni，不但增大用户的使用成本，而且由于焊接材料成分体系与母材成分的巨大差别使得焊接接头极易发生电偶腐蚀而降低接头的使用寿命。

本发明的不锈钢焊接材料、焊丝及盘条可以通过常规的不锈钢焊接材料、焊丝及盘条的制造工艺得到。例如：

盘条流程可以是：

VOD(真空冶炼)→模铸(如30kg)→锻造(如48×48mm的)方型板坯→加热(如1050℃)→轧制→(如

的)盘条→酸洗→入库。

焊丝流程可以是：

盘条加热至(如1050℃)→拉拔→退火→拉拔→酸洗→退火→拉拔成(如

的)焊丝→检验→包装→入库。

本发明还提供不锈钢焊接材料及焊丝在铁素体不锈钢及马氏体和铁素体双相不锈钢中的用途，特别是在12％Cr铁素体不锈钢中的应用以及铁路货车车体制造中的用途。

另一方面，本发明还提供不锈钢焊丝的焊接方法。本发明的上述成分的焊丝在铁素体不锈钢及马氏体和铁素体双相不锈钢中，适合在保证5～7kJ/cm的热输入前提下进行。特别适合用于12％Cr铁素体不锈钢进行焊接。

优选地，采用熔化极气体保焊的焊接工艺。

更优选地，熔化极气体保焊的焊接工艺采用小电流大焊速，控制层间温度在120℃以下。

最优选地，焊接电流为210～230A，焊接电压在24～26V，焊接速度为400～600mm/min，层间温度小于120℃。

基于本发明的焊丝提出的一种不锈钢焊接材料的焊接工艺，同已有铁素体焊接材料相比，本发明焊丝不用焊前预热以及焊后热处理，可保证焊缝不会产生裂纹。使焊接生产更加容易可行，降低劳动生产成本。

本发明焊接材料可以广泛应用在铁素体不锈钢及双相不锈钢(马氏体+铁素体组织)等钢种的焊接中，特别是12％Cr铁素体不锈钢及铁路货车车体制造中。

附图说明

图1是Schaeffle相图组织预测。

图2是本发明的焊接材料的金相组织图。

图3是现有技术的ER308L的金相组织图。

图4是本发明焊接材料和ER308L焊丝焊接接头性能对比，其中WM代表焊缝，FL代表熔合线。

图5是本发明焊接材料的焊丝形成的焊缝金属的断口形貌。

图6是现有技术的ER308L焊丝形成的焊缝金属的断口形貌。

具体实施方式

按照本发明的成分范围，通过冶炼、轧制和拉拔等如下工序制造的三个实施例的不锈钢焊丝成分见表1，焊丝的直径为1.2mm。

VOD(真空冶炼)→模铸(30kg)→锻造48×48mm的方型板坯→加热1050℃→轧制→

的盘条→酸洗→入库。

盘条加热至1050℃→拉拔→退火→拉拔→酸洗→退火→拉拔成的焊丝→检验→包装→入库。

表1

序号	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Ti
									1#	0.017	0.69	0.82	0.013	0.008	13.16	5.92	0.29
2#	0.018	0.64	0.80	0.012	0.005	14.23	6.36	0.22
									3#	0.015	0.72	0.88	0.016	0.007	12.83	6.06	0.26

图2是本发明的不锈钢焊接材料的金相组织图。图3是现有技术的ER308L的金相组织图。

从图2及图3可见，本发明焊接材料的组织为低碳马氏体+少量铁素体两相组织，ER308L焊丝的组织为奥氏体+少量铁素体两相组织。该结果与Schaeffle相图预测结果吻合。

然后用上述得到的焊丝，采用熔化极气体保焊的焊接工艺(GMAW方法)与TCS345不锈钢(即12％Cr铁素体不锈钢)进行焊接，得到的焊接接头熔敷金属(WM)和最薄弱区域熔合线(FL)-40℃的冲击功见图4。从图4可见，同样工艺条件下，本发明焊丝的焊缝和熔合线-40℃冲击功与ER308L相当。5×10×55mm试样的冲击功(-40℃A_kV)约10J(-40℃)。

本发明焊丝和ER308L焊丝焊缝金属的断口形貌观察见图5和图6，其中，图5是本发明焊接材料的焊丝形成的焊缝金属的断口形貌。图6是现有技术的ER308L焊丝形成的焊缝金属的断口形貌。

从图中可见本发明焊丝和ER308L焊丝焊缝金属均是典型韧窝状韧性断口。结合前面两种焊接材料的组织预测以及金相分析可以得出本发明焊丝韧窝的主体组织为低碳板条马氏体，而ER308L韧窝的主体组织为奥氏体，本发明焊丝的实例值均达到或者超过ER308L焊丝的冲击功25J。

本发明的不锈钢焊接材料具有与奥氏体焊接材料等同的接头韧性，断口形貌观察也表明本发明焊接材料断口为韧窝状，属于典型的韧性材料断口。本发明的焊接材料不仅达到等同已有焊接材料的性能，同时具有良好的性价比。

本发明的焊接材料具有与奥氏体ER308L焊丝等同低温韧性的性能；与ER308L相比，由于Cr、Ni含量的降低，成本的降低使本焊丝具有良好的性价比；此外，元素含量的降低也促使焊丝的腐蚀电位下降，使得焊接接头发生异种钢电偶腐蚀的倾向大大降低。

本发明焊接材料可以广泛的应用在铁素体不锈钢及双相不锈钢(马氏体+铁素体组织)等钢种的焊接中。

同ASME SFA-5.9中ER308L相比，本发明在元素及成分控制上具有显著的不同，二者之间的对比见表2。表2是本发明的焊接材料与现有技术的ER308L的成分对比。

表2

C

Mn

Si

S

P

Cr

Ni

Mo

Ti

ER308L

≤0.03

1.0-2.5

0.3-0.65

≤0.03

≤0.03

19.5-22

9-11

≤0.75

本发明

≤0.03

0.5-1.0

0.5-1.0

≤0.015

≤0.02

12.5-14.5

5.5-6.5

0.2-0.3

本发明焊接材料在良好的性价比前提下，可代替奥氏体不锈钢材料(ER308L)与低Cr不锈钢(如12％Cr铁素体不锈钢)进行焊接，焊接接头不但具有与奥氏体焊接材料等同的韧性性能，且能有效降低或延缓电偶腐蚀的发生。因此，本发明的焊丝可以广泛地应用在铁素体不锈钢和马氏体+铁素体双相不锈钢等钢种的熔化极气体保护焊(GMAW)焊接中，替代通常采用的奥氏体焊接材料，降低生产使用成本。应用领域包括铁路货车车辆、矿山机械、建筑以及家电等行业。

以上通过实施例对本发明进行了较为详细的说明，但不仅仅限于这些实施例，在不脱离本发明构思的前提下，还可以有更多变化的或改进的实施例，而且这些变化和改进都属于本发明的范围。

Claims (9)

1.一种不锈钢焊接材料，其重量百分比化学成分为：C 0～0.03％，Mn 0.5～1.0％，Si 0.5～1.0％，Cr 12.5～14.5％，Ti 0.2～0.3％，Ni 5.5～6.5％，S 0～0.015％，P 0～0.02％，其余为Fe及其他不可避免的杂质元素。

2.如权利要求1所述的不锈钢焊接材料，其特征在于，焊接材料是焊丝。

3.如权利要求1所述的不锈钢焊接材料，其特征在于，焊接材料是焊丝盘条。

4.如权利要求1～3中任一所述的不锈钢焊接材料在铁素体不锈钢以及马氏体和铁素体双相不锈钢焊接中的用途。

5.如权利要求4所述的不锈钢焊接材料在12％Cr铁素体不锈钢焊接中的用途。

6.如权利要求1～5中任一所述的不锈钢焊接材料的焊接方法，其特征在于，该不锈钢焊接材料或焊丝适合在热输入为5～7kJ/cm的条件下进行。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的焊接方法是熔化极气体保焊的焊接工艺。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，焊接电流为210～230A，焊接电压在24～26V，焊接速度为400～600mm/min，层间温度小于120℃。

9.如权利要求6～8中任一所述的方法，其特征在于，焊前无预热，焊后无热处理。

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