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奥氏体焊材下cr13型马氏体不锈钢焊接方法研究（可编辑）
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奥氏体焊材下Cr13型马氏体不锈钢焊接方法研究
毛允娴
（中国南方电网有限责任公司调峰调频发电公司)
摘 要：采用TIG焊、MIG焊和MAG焊三种焊接方法对水轮机抗磨板用Cr13型马氏体不锈钢板对接接头分别进行了焊接试验，焊接材料为奥氏体焊材，焊接接头经过RT探伤后，通过力学性能、金相和显微硬度试验分析不同焊接方法对焊接接头性能的影响。试验表明，针对奥氏体焊材下的Cr13型马氏体不锈钢采用TIG焊可得到较好综合性能的焊接接头，MAG焊次之，而MIG焊不满足要求。
关键词：TIG焊；MIG焊；MAG焊；Cr13
Research on the welding methods of cr13-type martensitic stainless steel based on Austenite Weld Metal
MAO Yunxian
(Power Generation Company，China Southern Power Grid Corporation ,LTD,China )
Abstract: the cr13-type martensitic stainless steel for the facing plate of hydraulic turbine using TIG,MIG and MAG three welding methods were investigated. The welding material is Austenite Weld Metal. Welding joints after RT detection, analyze the different effect of welding methods on the welding joint performance by mechanical properties ,metallographic and micro-hardness tests. The tests show that, using TIG welding method，the welding joint will obtain the better comprehensive properties, and MAG welding method takes second place, but MIG welding method can’t meet the requirement.
Key words: TIG welding; MIG welding; MAG welding; Cr13
0 序言
抽水蓄能电站是大型火电或核电机组长期稳定经济运行的保障。其设备的安全可靠性尤为重要。然而，水蓄能机组水轮机的导水机构过流表面存在活动导叶与上下抗磨板之间表面磨损的严重问题，且在摩擦以及空蚀的影响下不断加剧，严重影响机组的正常运行。抗磨板因体积大、拆卸困难和安装要求高，顶盖若整体运回制造厂重新加工制造并安装，工期无法控制而影响检修进度，因此一般采取补焊修复工艺对磨损部位进行检修[1~2]。
抗磨板一般采用Cr13型马氏体不锈钢材质，马氏体不锈钢具有良好的耐汽蚀和耐磨损性及抗断裂性能，其焊接常见的问题是焊接冷裂纹与热影响区脆化。因抗磨板面积大，如国内某电厂顶盖抗磨板由4块外径4875mm，内径3929mm，厚30mm板组成，现场无法采取热处理措施，因此拟采用Cr-Ni奥氏体型填充金属，将获得奥氏体组织的焊缝，具有良好的塑性和韧性，降低焊接接头的内应力，同时奥氏体组织能溶入较多的固溶氢，可减少出现冷裂纹的可能，用奥氏体焊材焊接马氏体不锈钢时可不对其进行焊前预热和焊后热处理[3~6]。且抗磨板补焊修复难点主要为钢板变形控制及表面平整度要求，在常温下采用Cr-Ni奥氏体型填充金属不会对其使用性能有影响。
由于对抗磨板的焊接需要在施工现场进行焊接安装，受到安装现场各种因素限制，经常采用气体保护焊方法[7]。因此，本文针对δ＝12 mm 的Cr13型马氏体不锈钢，采TIG焊、MIG焊和MAG焊3 种焊接方法，分别对同种规格的钢板进行对焊对比试验，并对焊接接头进行了RT探伤检测、力学性能试验、金相试验和显微硬度试验研究，分析焊接方法对 Cr13型马氏体不锈钢焊接接头性能的影响，并结合现场实际工况选择最佳的焊接方法，确保Cr13型马氏体不锈钢抗磨板修复质量。
1 试验材料与焊接规范
1.1 试验用母材和焊材
试验采用δ=12mm 的Cr13型马氏体不锈钢板，对钢板的化学成分检测，其检验结果如表1。 TIG焊试验采用ER309L氩弧焊丝(φ2.5)，MIG焊和MAG焊试验采用E309LT1-1药芯焊丝(φ1.2)。
表1 试验所用母材化学成分检验结果
材质牌号
化学成分（%）
C
Mn
Si
S
P
Ni
Cr
Mo
0Cr13
0.033
0.28
0.46
≤0.005
0.014
0.11
13.63
≤0.005
1.2 焊接工艺参数
焊接试验对接接头的坡口形式为V形，坡口形式如图1。试验采用多层多道焊，施焊时稍有摆动，打底焊道清理方法为机械加工、砂轮机打磨，层间焊道清理方法为砂轮机打磨。三组焊接试验均对层间温度进行监控，采用远红外温度计监测将温度控制在150℃以下，不进行预热和焊后热处理。焊接工艺参数见表2，其中TIG焊、MIG焊和MAG焊对应的焊接试样编号分别为01、02、03，MAG焊保护气体配比为10%CO2+90%Ar。
图1 焊接接头坡口形式
焊接方法
极性
焊接电流（A）
焊接电压（V）
焊速（mm/min）
保护气体流量（L/min）
平均焊接热输入（J/mm）
TIG
直流正接
115～120
9～12
70～90
15
12.34
MIG
直流正接
205～215
23～24
130～180
15
25.47
MAG
直流反接
175～195
24～26
170～240
15
18.05

表2 各焊接方法对应的规范参数
1.3 焊接接头试验
上述试验得到三组焊接试板，如图2所示。
（a）01焊接接头
（b）02焊接接头
（c） 03焊接接头

图2 试验所得焊接接头试板
上述试板焊接完后，对得到的三组焊接接头进行RT检测。试板的试验项目还包括焊接接头拉伸试验、冲击试验、金相观察和显微硬度试验。
2 试验结果及分析
2.1 焊接接头无损检测
对于三个试样的焊缝进行射线无损检验，其检验结果如表3所示：
表3 焊接试样射线探伤结果
试件编号
焊接方法
无损检验
焊接缺陷
备注
01
TIG焊
合格
—
—
02
MIG焊
不合格
未焊透
L=30mm
03
MAG焊
合格
—
—
由表3检测结果看出，TIG焊和MAG焊RT检验合格，MIG焊检测不合格，在02号焊缝中发现了未焊透的缺陷。MIG焊是利用氩气作为保护介质，氩气对电弧的冷却作用较小，电弧电压较低。纯Ar焊接不锈钢时，焊缝金属润湿性差，且电弧不稳定，电弧横截面上能量梯度分布增大，多层多道焊时，容易在焊层之间形成未焊透现象。
2.2 焊接接头宏观金相

（a）01试样
（b）02试样

（c）03试样
图3 焊接接头宏观金相
对三组焊接接头采用线切割方法进行宏观金相取样，其宏观金相如图3所示。由宏观金相形貌可观察到，MIG焊的02试样焊层之间出现了明显的未焊透的现象。TIG焊和MAG焊试样焊缝成形良好，没有发现明显的焊接缺陷。由于MAG焊热输入大，焊接热影响区宽度明显大于TIG焊，由无损检测结果可知各试样未出现焊接裂纹，在未出现焊接裂纹的情况下，热影响区越宽，粗化组织越多，对接头的力学性能越不利，且焊接变形也越大[8~9]。
2.3 焊接接头微观组织
图4 微观金相及断口取样示意图
如图4，采用非标准取样方法对焊接接头进行取样，保证微观组织位置与断口相对应。本试验利用线切割方法对焊接接头进行取样，线切割在垂直焊缝方向留2mm用来作微观金相和对应的断口分析。选用三氯化铁盐酸水溶液和苦味酸溶液对接头试样进行腐蚀，采用Olympus PMG3型金相显微镜观察试样的显微组织。采用TIG焊、MIG焊和MAG焊3种焊接方法得到焊接接头焊缝区和热影响区的金相组织如图5所示。
（a）01试样焊缝
（b）01试样热影响区
（c）02试样熔合线
（d）02试样热影响区
(e)03试样焊缝
（f）03试样热影响区
图5 焊接接头显微组织
由图5（a）、（c）、（e）可知，各试样的焊缝组织都为铁素体均匀分布在奥氏体基体中，焊材为ER309L奥氏体焊材，铁素体形态各异，如针状、蠕虫状和胞状等，这是由于在焊接冷却条件下，焊缝凝固不是个平衡结晶过程，各处成分和组织状态不均匀造成。
由图5（b）、（d）、（f）可看出，各试样熔合线附近的热影响区由于处于过热的状态，晶粒有明显粗化，其中01试样晶粒度等级为3级，02试样热影响区晶粒大小相差较大，晶粒度为1～3级，碳化物聚集长大，且粗大的碳化物生长到铁素体晶粒内，对焊缝性能带来不好的影响。03试样的热影响区晶粒度为3级，相比02试样，01和03试样热影响区晶粒较均匀细小，且热影响区的宽度明显比MIG焊小。
2.4 焊接接头力学性能
由于MIG焊的02号试样无损检测不合格，故仅对TIG焊和MIG焊的01、03号焊接试样进行了拉伸和冲击试验。把焊接接头制成拉伸的标样，利用WE-100液压式万能试验机和JB-30A摆捶式冲击试验机测试焊接接头的力学性能,如表4为所测试样的力学性能。
表4 焊接接头强度和冲击韧性
试样编号
抗拉强度/MPa
断口状况
冲击韧性（KV2/J）
焊缝
HAZ
01
466/463
母材断，有分层
165.3
52.7
03
468/466
母材断，有分层
63.3
46.7
TIG焊和MAG焊的焊接接头抗拉强度基本一样，这是由于焊接材料和母材化学成分相近。所有焊接试样均断裂于母材，说明焊材的强度级别比母材要高。01和03号试样的焊缝韧性均大于HAZ，焊缝区含有大量奥氏体组织，韧性良好，而热影响区晶粒严重粗化，对材料的冲击韧性不利。 由表3可知，01号试样的焊缝韧性远大于03号试样，由图4(a1)、(a2)可知，01号试样焊缝中铁素体含量高于03号试样，接近于铁素体和奥氏体双相组织的焊缝微观组织有助于提高焊缝金属的韧性。TIG焊由于热输入较小，焊缝金属晶粒长大受到抑制，冲击韧性较好。
2.5 焊接接头显微硬度
采用HXS-1000A 型数显显微硬度仪，在三组焊接试样沿垂直熔合线方向选取点对其进行显微硬度测试，所加载荷为100g，加载时间为5s。各个测试点的距离为200μm，每个试样有22个测试点。三个焊接接头显微硬度的测试结果折线图如图6所示。其中距离为负值表示在母材区，正值表示在焊缝区。
图6 焊接试样熔合线附近显微硬度分布
三个试样焊缝金属的硬度在220～250HV之间，母材硬度在170～220HV之间，焊缝金属的硬度比母材大，由于焊缝有均匀分布的铁素体枝晶，对焊缝金属有强化作用。
02试样在距熔合线2～3mm距离内区域，硬度较之另外2个试样要高40～50HV，说明MIG焊热影响区宽度大，晶粒粗化明显，且有碳化物的聚集。而其TIG焊和MAG焊试样在距熔合线2～3mm距离内硬度在170～190HV之间，说明这2个试样的热影响区宽度较小。MIG焊接的02试样的硬度分布波动很大，且在距熔合线距离为1mm时有一个硬度峰值，接近380HV，说明该处出现了成分和组织极不均匀的现象。
3 结论
（1）RT无损检测结果显示MIG焊接头焊缝有未焊透的缺陷，TIG焊和MAG焊接头RT检测合格，与宏观金相结果相对应。
（2）微观金相分析可知，奥氏体焊材下Cr13型马氏体不锈钢焊缝组织为铁素体分布在奥氏体中。各试样的热影响区晶粒有明显粗化，其中MIG焊晶粒粗化程度最大，且热影响区宽度大于TIG焊和MAG焊试样。由宏观金相可知，TIG焊热影响区宽度比MAG要小，对焊接接头性能有利，可减小接头的变形。
（3）TIG焊和MAG焊的焊接接头抗拉强度基本一样，且焊材的强度级别比母材要高。另外TIG焊试样的焊缝韧性远大于MAG焊试样。
（4）TIG焊得到的焊接接头未发现焊接缺陷，热影响区宽度较MAG焊小，且焊缝韧性远大于MAG焊，综合性能较好，建议选择TIG焊作为蓄能机组水轮机抗磨板的补焊修复方法。
参 考 文 献.
[1] 孙波. 水轮机导叶控制环抗磨板磨损原因分析及改进[J]. 华中电力,2021,06:72-74.
[2] 李林. 天荒坪电站导叶抗磨板磨损处理[J]. 云南水力发电,2007,01:94-96.
[3] 李亚江等编著.合金结构钢及不锈钢的焊接[M].北京市：化学工业出版社.2021.
[4] 赵勇桃,董俊慧,赵莉萍,王玉峰,等. 1Cr13马氏体不锈钢与1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢焊接接头组织及性能研究[A]. 中国体视学学会材料科学分会.第二届全国背散射电子衍射（EBSD）技术及其应用学术会议暨第六届全国材料科学与图像科技学术会议论文集[C].中国体视学学会材料科学分会:,2007:6.
[5] 齐春华,陈宇,苏立伟. 1Cr13(马氏体)不锈钢的焊接[J]. 水利科技与经济,2006,06:404-405.
[6] Li C X, Bell T. Corrosion properties of plasma nitrided AISI 410 martensitic stainless steel in 3.5% NaCl and 1% HCl aqueous solutions[J]. Corrosion science, 2006, 48(8): 2036-2049.
[7] 刘成玉,许先果,赵建华,刘占户. 长输管道焊接方法的选择与应用[J]. 电焊机,2007,11:56-59.
[8] Toyada M, Mochizuki M, Shintomi T. Analytical study on deformation and strength in HAZ-softened weld joints of fine-grained steels[J]. Braithwaite B. The 54th Annual assembly of the international institute of welding, 2002, 10.
[9] 熊建平,陈文静,屈金山,吕华勇. 16Mn钢MAG焊接头热影响区尺寸与性能分析[J]. 西华大学学报(自然科学版),2021,02:85-87+101.