王學(xué)東，李偉，崔曉東，武鵬博，姜澎，王士山，王立志

1.北京金威焊材有限公司 天津 301906

2.國家鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心焊接技術(shù)研究院 天津 301906

3.中冶建筑研究總院有限公司 北京 100088

4.哈爾濱焊接研究院有限公司 黑龍江哈爾濱 150028

1 序言

奧氏體不銹鋼因具有良好耐蝕性、優(yōu)良的強(qiáng)度和塑韌性，同時在高溫和低溫環(huán)境下仍具有優(yōu)異的使用性能，而廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、海洋工程、食品、醫(yī)療器械及建筑等領(lǐng)域[1，2]。伴隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和煉鋼工藝、加工制造水平的大幅提升，截止2021年，我國不銹鋼產(chǎn)量已達(dá)到3000萬t，占全球總量的60%左右，其中Cr-Ni系奧氏體不銹鋼占我國不銹鋼總產(chǎn)量的50%以上。

Cr-Ni系奧氏體不銹鋼中鎳含量較高，鎳原料的成本占到不銹鋼成本的50%左右，而我國鎳資源遠(yuǎn)不能滿足不銹鋼行業(yè)的需求，大部分需要依賴進(jìn)口。因此，開發(fā)節(jié)鎳型或無鎳型的Cr-Ni系不銹鋼，以替代奧氏體不銹鋼的應(yīng)用，符合資源節(jié)約型社會發(fā)展的需求，同時也符合國家節(jié)能、綠色、環(huán)保的發(fā)展理念，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[3-5]。節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼是一種以錳、氮部分代替鎳得到的一種亞穩(wěn)型奧氏體不銹鋼。該不銹鋼具有良好的強(qiáng)度、塑性和耐蝕性，在常規(guī)使用環(huán)境下其耐蝕性可與SUS304不銹鋼相媲美。截至目前，節(jié)鎳型不銹鋼材料主要有：Cr系鐵素體與馬氏體不銹鋼、Cr-Mn-N奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼。典型的節(jié)鎳型不銹鋼牌號有SUS420J2馬氏體不銹鋼、SUS430鐵素體不銹鋼、SUS201 Cr-Mn-N奧氏體不銹鋼、SUS329J1雙相不銹鋼等[6]。

由于高氮節(jié)鎳奧氏體不銹鋼中的氮含量較高，因此焊接過程中會造成氮的逸出和氮?dú)饪仔纬傻痊F(xiàn)象，除此之外，對于高氮節(jié)鎳不銹鋼焊接材料，較高的氮含量必然導(dǎo)致焊接時氮化物的析出并影響材料的組織和性能。有研究結(jié)果表明，由于氮的析出，在其周圍會形成貧氮區(qū)，從而誘導(dǎo)α相形成，這種析出相對材料韌性和耐蝕性會造成不利影響[7]。因此，對高氮節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼焊接工藝及接頭組織性能的研究具有實(shí)際應(yīng)用意義。本文研制了一種Cr-Mn-N-Ni系節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼焊絲及其配套燒結(jié)埋弧焊劑，在保證焊接工藝性能的前提下，探討了熔敷金屬的力學(xué)性能和耐蝕性。

2 埋弧焊絲合金體系的設(shè)計

在節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼中，一般含有鉻、鎳、氮、銅、錳等主要元素，現(xiàn)對各元素作用分別作簡要說明[8]。

2.1 鉻的影響

鉻是不銹鋼獲得耐蝕性的主要合金元素，對耐蝕性起著決定作用，且對于氧化性環(huán)境特別有效。鋼中添加鉻后會在鋼的表面形成（Fe，Cr）2O3的致密氧化物膜，起到強(qiáng)烈的鈍化作用；鉻是鐵素體形成元素，是穩(wěn)定鐵素體組織的主要合金元素，鉻也是金屬間化合物（σ相）的重要成分，而金屬間化合物的存在，可提高不銹鋼的脆化傾向。

2.2 鎳的影響

鎳是擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素，在不銹鋼中鎳與鉻配合，可獲得穩(wěn)定單相奧氏體組織，使鋼具有更好的耐蝕性、良好綜合力學(xué)性能和焊接性能，提高鋼的高溫強(qiáng)度和抗氧化性能。鎳能使合金表面鈍化，擴(kuò)大鋼在酸中的鈍化范圍，但不能改善鋼對稀硝酸的耐蝕性，它能提高不銹鋼抗硫酸、鹽酸等腐蝕介質(zhì)的性能，是耐蝕鋼的主要合金元素。

2.3 碳的影響

碳是奧氏體形成元素，對提高奧氏體鋼耐熱性有重要作用，但對不銹鋼的耐蝕性不利，因為碳是一種強(qiáng)烈的碳化物形成元素，在不同溫度下碳與鉻能形成多種化合物，如 Cr23C6、Cr7C3、（Fe，Cr）23C6等。這些鉻碳化合物最容易在晶界處生成，使晶界出現(xiàn)貧鉻現(xiàn)象，即減少了晶界上鉻的有效含量，導(dǎo)致鋼的耐蝕性降低，產(chǎn)生晶間腐蝕。

2.4 錳的影響

錳與鎳一樣是奧氏體形成元素，錳可以擴(kuò)大γ相區(qū)，使γ-α轉(zhuǎn)變線向低溫方向移動。在低溫時，錳可以有效地穩(wěn)定奧氏體，阻止奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。

2.5 銅的影響

不銹鋼中銅對氧的親和力小，在生成鐵磷的過程中，銅通過滲透進(jìn)入晶界，在鐵磷層下富集，形成低熔點(diǎn)鐵銅共晶，導(dǎo)致表面裂紋的產(chǎn)生。當(dāng)鉻含量較高時，如奧氏體的鉻鎳鋼中，薄且附著良好的鐵磷層抑制了銅的這一不利影響。

2.6 硅的影響

作為不銹鋼的一種合金元素，當(dāng)加入wSi＝1%～3%時，可提高抗氧化性；硅可以形成多種鐵的硅化物，這些硅化物有使組織脆化的傾向；硅在凝固時會發(fā)生偏析形成低熔點(diǎn)固晶，對焊縫金屬中熱裂紋的產(chǎn)生也有重要影響，為此，通常要求wSi＜1%。

2.7 氮的影響

氮是強(qiáng)烈的奧氏體形成和穩(wěn)定元素，在奧氏體不銹鋼中利用氮來部分取代鎳，或與錳元素結(jié)合來完全取代鎳，可以更加穩(wěn)定奧氏體組織，在顯著提高不銹鋼強(qiáng)度的同時不損害其韌性，而且能夠提高不銹鋼的局部耐腐蝕能力（如晶間腐蝕、點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕等）。同時，氮在自然界大量存在，成本低廉，近年來高氮低鎳奧氏體不銹鋼的研究已成為一個十分活躍的前沿領(lǐng)域。

綜合考慮各合金元素對焊接工藝性能及不銹鋼性能影響，設(shè)計一種Cr-Mn-N-Ni不銹鋼埋弧焊絲，型號為JW-ER1803，其主要化學(xué)成分見表1。

表1 JW-ER1803焊絲主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3 埋弧焊劑渣系的設(shè)計

堿度是焊劑中堿性氧化物與酸性氧化物的比值。提高焊劑的堿度，既能減少焊縫金屬中的硫、磷含量，還能降低焊縫金屬的氧含量，使焊縫金屬的沖擊韌度提高[9]。

焊劑的配方設(shè)計應(yīng)兼顧焊接工藝性能和焊縫金屬的內(nèi)在性能。不銹鋼合金元素含量高，焊接時具有易燒損的特點(diǎn)，因此在配方設(shè)計時要重點(diǎn)考慮上述因素，控制焊劑熔渣的堿度，提高焊縫純凈度，故選用中性渣系，保證焊縫金屬中合金元素含量，從而提高焊縫金屬的綜合性能。

針對不銹鋼焊絲中合金元素含量高、易氧化燒損和熱裂傾向大的特點(diǎn)，埋弧焊劑JWF603選用氧化性小、堿度適宜的CaF2-MgO-CaO-SiO2焊劑渣系，通過調(diào)整多種復(fù)合氧化物原材料配比，優(yōu)化焊劑的焊接工藝性能，并加入適量的長石、云母等含有易電離穩(wěn)弧元素原材料進(jìn)行調(diào)整。通過大量對比試驗，確定出焊劑配方中礦物成分的配比，并添加適量合金元素，從而確定JWF603焊劑配方，見表2。

表2 JWF603焊劑基礎(chǔ)配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

焊劑熔渣的物理特性對焊接質(zhì)量影響很大，如熔渣的熔點(diǎn)、黏度、表面張力等。若熔渣熔點(diǎn)過高、熔渣凝固過早，焊接過程產(chǎn)生的氣體來不及從熔池表面穿過熔渣表面逸出，從而滯留在熔池和熔渣界面，則焊道表面就會出現(xiàn)壓坑，渣殼相應(yīng)位置上還會出現(xiàn)孔洞；若熔渣的熔化溫度過低，則熔渣流動性又會過大，這兩種情況均會嚴(yán)重影響焊縫成形[9]。

提高焊劑中CaF2比例，調(diào)整高熔點(diǎn)組分和低熔點(diǎn)組分的比例，可降低熔渣的熔點(diǎn)和黏度，但CaF2過多會影響焊接電弧的穩(wěn)定性，因此需要在焊劑中添加少量穩(wěn)弧劑來穩(wěn)弧。

配方中用表面張力較小的組分來替代表面張力較大的組分，并添加多種復(fù)合氧化物，如長石、云母等，有利于降低焊劑的表面張力和界面張力，從而改善焊劑的浸潤性，使焊道平整美觀。

MgO為堿性氧化物，可提高焊劑熔渣堿度，適量加入時可改善焊劑透氣性，隨著MgO含量的增加，可減少焊道表面壓坑；高溫液態(tài)MgO表面張力較低，可增強(qiáng)焊接熔渣的鋪展性能。

SiO2為酸性氧化物，若加入量過多，則會使熔渣堿度降低，提高焊縫金屬的含氧量，進(jìn)而惡化焊縫金屬的力學(xué)性能；過多的SiO2會提高焊劑熔渣的黏度，使焊道紋路變粗。

CaO為堿性氧化物， 一般以復(fù)合氧化物組分加入熔池反應(yīng)區(qū)，對焊縫金屬脫S、P 有利。但CaO屬于離子鍵， 離子之間有較強(qiáng)的鍵結(jié)合力，使得熔渣與液態(tài)金屬間界面張力增大，導(dǎo)致熔滴粗大，并且含量過多時，易出現(xiàn)粘渣現(xiàn)象。

4 焊接工藝性能試驗研究

4.1 焊劑焊接工藝試驗

試驗板材為SUS304不銹鋼，規(guī)格尺寸為300mm×150mm×16mm；設(shè)計單邊V形坡口；焊接材料采用JW-ER1803埋弧焊絲及JWF603埋弧焊劑組合，使用優(yōu)化后的焊接參數(shù)分別進(jìn)行了平焊、V形坡口焊接工藝試驗，具體情況如圖1、圖2所示。

由圖1可看出， JW-ER1803焊絲與JWF603焊劑配合施焊，焊接工藝性能良好，脫渣性能優(yōu)異，焊道成形美觀。由圖2可看出，V形坡口焊道成形和脫渣均優(yōu)良。

圖1 平焊焊接工藝

圖2 V形坡口焊道成形

4.2 熔敷金屬性能試驗

（1）熔敷金屬化學(xué)成分 熔敷金屬化學(xué)成分分析試樣的制備按照GB/T 25777—2010《焊接材料熔敷金屬化學(xué)分析試樣制備方法》中的規(guī)定進(jìn)行制樣、取樣，用德國布魯克直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，其結(jié)果見表3。

表3 熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（2）熔敷金屬的組織結(jié)構(gòu)分析 不銹鋼的微觀顯微組織較為復(fù)雜，根據(jù)合金成分不同，這些相的形態(tài)、數(shù)量、尺寸和分布有所差異，但相的種類基本相同。JW-ER1803焊絲與JWF603焊劑組合，其熔敷金屬金相顯微組織如圖3所示。由圖3可知，該組織為鑄態(tài)組織，構(gòu)成比較細(xì)小，主要由大量的奧氏體和少量的鐵素體組成。

圖3 熔敷金屬金相顯微組織

（3）熔敷金屬試板的制備 按GB/T 17854—2018《埋弧焊用不銹鋼焊絲-焊劑組合分類要求》中相關(guān)要求對熔敷金屬試板進(jìn)行制備，試板裝配及取樣位置如圖4所示，焊接參數(shù)見表4。

表4 制備熔敷金屬試板所用焊接參數(shù)

圖4 試板裝配及取樣位置示意

（4）熔敷金屬力學(xué)性能試驗 JW-ER1803焊絲和JWF603焊劑組合用于焊接同材質(zhì)成分的節(jié)鎳型不銹鋼板，以期替代ER308焊絲和SUS304不銹鋼，其熔敷金屬力學(xué)性能參照GB/T 17584—2018中SF308FB-S308的要求。

采用Q355鋼板作為母材，用JW-ER1803焊絲TIG焊熔敷兩層隔離層后進(jìn)行試板焊接，制作熔敷金屬拉伸和沖擊試件，拉伸和沖擊試驗結(jié)果見表5。

表5 熔敷金屬力學(xué)性能

熔敷金屬拉伸試樣300倍和500倍視野下的斷口形貌如圖5所示，采圖位置為拉伸試樣斷口中心。從圖5可看出，大量由撕裂唇包圍的小且深的韌窩，分布均勻，具有典型的穿晶斷裂特征，呈微孔聚合韌性斷裂，且塑性變形較為充分。

圖5 拉伸斷口形貌

－196℃沖擊斷口形貌如圖6所示。從圖6a可看出，斷口沒有明顯的剪切唇區(qū)和纖維區(qū)，放射區(qū)占較大面積。從圖6b可看出，雖然斷口放射區(qū)可觀察到少量等軸韌窩的存在，但主要由較多河流花樣組成，且絕大部分為粗糙的解理面，并有部分撕裂棱存在，組織呈柱狀晶形貌，屬于脆性斷裂，說明JW-ER1803+JWF603熔敷金屬－196℃沖擊性能較差。

圖6 －196℃沖擊斷口形貌

室溫沖擊斷口形貌如圖7所示。從圖7a可看出，斷口分為典型的3個區(qū)域：剪切唇區(qū)、纖維區(qū)和放射區(qū)，其中纖維區(qū)面積較大，呈平坦?fàn)?。從圖7b可看出，纖維區(qū)斷裂形貌呈韌窩狀，是韌性斷裂，且韌窩較大，說明JW-ER1803+JWF603熔敷金屬室溫沖擊性能優(yōu)良。

圖7 室溫沖擊斷口形貌

（5）熔敷金屬彎曲性能 熔敷金屬按GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》中要求進(jìn)行彎曲試樣的制備和檢測，具體試驗結(jié)果見表6，彎曲試樣如圖8所示。

圖8 彎曲試樣

表6 熔敷金屬彎曲試驗

（6）熔敷金屬晶間腐蝕性能 熔敷金屬按GB/T4334—2020《金屬和合金的腐蝕 奧氏體及鐵素體-奧氏體（雙相）不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》中方法E進(jìn)行晶間腐蝕試驗，在加有銅屑的硫酸-硫酸銅溶液中經(jīng)16h連續(xù)煮沸后，彎曲180°檢測，表面無裂紋，試樣如圖9所示。

圖9 晶間腐蝕試樣

5 結(jié)束語

1）研制的JWF603焊劑選用CaF2-MgO-CaOSiO2堿性渣系，與JW-ER1803焊絲組合施焊，電弧燃燒穩(wěn)定，焊接工藝性能良好，窄坡口焊接脫渣優(yōu)異，焊道成形美觀。

2）JW-ER1803焊絲與JWF603焊劑組合，熔敷金屬晶間腐蝕性能良好，力學(xué)性能優(yōu)異，熔敷金屬室溫下抗拉強(qiáng)度可達(dá)775MPa，伸長率可達(dá)35%，室溫沖擊吸收能量≥130J，－60℃沖擊吸收能量≥80J。

3）節(jié)鎳型JW-ER1803不銹鋼焊絲與JWF603焊劑組合綜合性能優(yōu)良，可用于使用要求較低、工況簡單的不銹鋼焊接領(lǐng)域，節(jié)約了生產(chǎn)制造成本，具有很好的應(yīng)用前景。