裝飾用430薄壁不銹鋼方矩形管制造工藝

分析了AISI430鐵素體不銹鋼的焊接性,制定了合理的焊接工藝。采用先TIG焊接圓形管再擠壓成型為方矩形薄壁焊管的工藝制造壁厚為0.4mm的430鐵素體不銹鋼方矩形管,質量穩定且具有良好的綜合性能。試驗同時表明,采用這種工藝制造壁厚為0.6mm的方管時,不宜選擇430不銹鋼,應選擇其他微合金化的焊接性能較好的鐵素體不銹鋼。

AISI430鐵素體不銹鋼(1Cr17)是一種應用廣泛的中鉻鐵素體不銹鋼,具有價格低廉、耐蝕性較好、沖壓加工性能好、表面光亮等優點,因此在化工設備、餐具廚具、日用辦公設備、裝飾材料等行業大量應用。在裝飾中采用的430不銹鋼管,壁厚一般在0.2～0.6mm之間,在焊管生產線上經高頻感應焊或TIG焊接而成。其截面形狀一般是圓形,在某些場合,出于美觀的考慮或受空間限制,需使用截面為方形或矩形的不銹鋼管。目前我國的方形薄壁焊管大多是采用先圓后方的工藝制造,即先將鋼帶焊接成圓形管后再經擠壓輥擠壓成方矩形管。TIG焊接的時候,由于不填充焊絲,所以430不銹鋼焊接接頭的力學性能較差,在受到較大沖擊力或彎曲力的時候,常發生脆性斷裂,一般是沿焊縫縱向開裂。筆者主要介紹制造裝飾用0.4mm壁厚方矩形薄壁焊管的制造工藝。

1.AISI430不銹鋼的理化性能及焊接性

AISI430鐵素體不銹鋼的金相組織為單相鐵素體,晶粒度一般大于8級,具有較高的耐蝕性和綜合力學性能。實測和標準中所規定的化學成分見表1,430不銹鋼的斷裂強度大于450MPa,斷后延伸率大于22%,脆性轉變溫度在室溫以上,而且對缺口敏感。由于鐵素體不銹鋼具有較強的尺寸效應(即材料的性能隨厚度的增加而惡化),所以產品厚度一般≤4mm。

430不銹鋼在焊接熱循環過程中,焊接熱影響區(HAZ)的組織發生變化,溫度在875℃至熔點之間的區域中的一部分組織轉變成γ相,在隨后的快冷過程中,這部分γ相轉變為馬氏體,在鐵素體晶界上呈不連續狀分布,維氏硬度可達250～300,加之鐵素體晶粒由于在焊接熱循環過程中顯著長大,如圖1所示,這導致了HAZ脆性增加,韌性惡化。430不銹鋼雖然可以焊接,但是由于以上不利因素致使其焊接工藝參數范圍非常窄,制定焊接工藝比較困難。

430不銹鋼化學成分中不含Ti、Mo、Nb等合金元素,這些合金元素能與鋼中的其他元素形成金屬間化合物,彌散分布于基體中,起到第二相強化作用的同時,還可以起到抑制鐵素體晶粒顯著長大的作用,所以430不銹鋼的晶粒長大傾向非常嚴重。在不填充焊絲的情況下,焊縫和HAZ的組織和性能很差,抗靜載強度和抗沖擊、抗彎曲強度都非常低,受到較大的沖擊或彎曲時即開裂,斷口呈金屬光澤,斷面齊平,為典型的沿晶脆性斷裂形貌。在填充奧氏體材料焊絲的情況下,焊縫組織為奧氏體柱狀晶粒,具有較好的性能,HAZ則由于經受熱循環后晶粒粗化導致脆化,成為接頭的薄弱部位。430不銹鋼在焊接時需采用小電流、高速焊并盡量減少焊道層次的焊接工藝。截面尺寸大于6mm的板、管材不宜用作焊接結構件。

2焊接及擠壓成型工藝

薄壁方管一般的制造工藝流程為:鋼帶縱剪分條→表面清潔→擠壓輥直縫圓管坯成型→TIG焊接→水冷卻→打磨焊縫→擠壓成型方矩形管→定尺切斷→包裝→成品。即在圓管生產線上增加了方矩形管擠壓輥及其調節裝置,其中TIG焊接和方管擠壓成型是關鍵工序。

2.1焊接規范的選擇

焊接規范參數主要包括焊接電流、電弧電壓、焊接速度和保護氣體流量等,各個參數之間是相互影響的。焊接工藝優化的過程就是調整各項參數的值,獲得最佳的匹配,以保證焊接過程的穩定性和焊接質量。

2.1.1焊接電流

焊接電流是鎢極氬弧焊最主要的參數,電弧功率與焊接電流和電弧電壓成正比,而改變電弧的功率主要通過調節電流來實現。焊接過程中,增加焊接電流可以增加焊縫的熔深。在其他焊接參數不變的條件下,一定厚度的管材能夠實現焊縫成形所需的焊接電流在一定的范圍內,如果電流超出這個范圍,就可能產生焊接缺陷。

2.1.2電弧電壓

電弧電壓與弧長有關,弧長增加電弧電壓成正比例增加,電弧功率也隨之增大。采用短弧焊時,噴嘴到工件的距離縮短熱量集中,氣體保護效果好,而且有利于減小電弧的磁偏吹現象。

2.1.3焊接速度

焊接速度影響焊縫熔深和熔寬,速度大小直接影響到焊縫質量的優劣。提高焊接速度,可減小焊接熱輸入和熱影響區寬度,熔深和熔寬也減小。但是如果焊接速度選擇過高,就會使氬氣保護效果變差,出現未焊透和未熔合缺陷等。

2.1.4氬氣流量

氬氣將空氣與金屬熔池和鎢極隔離,起保護作用。氬氣流量取決于噴嘴的結構尺寸、噴嘴與工件的距離、電流和焊接速度等因素。其中噴嘴結構是最主要的因素,不同噴嘴結構(直徑)的氬氣流量都有其對應的最佳范圍,在范圍內,經過噴嘴的氣流才能保證形成穩定的層流,達到最好的保護效果。

基于對430鐵素體不銹鋼焊接性的分析,確定了壁厚為0.4mm的430不銹鋼管不填絲TIG焊接工藝參數,在該工藝參數下,可獲得外觀和性能優良的焊縫。

2.2結果與討論

焊接成型后的圓管經在線冷卻、打磨焊縫后,隨即進行擠壓加工成方矩形管。擠壓成型是通過兩對相互垂直的擠壓輥進行的,將圓管強制成型為方矩形管。擠壓輥可以根據需要調整為方形或矩形的形狀。這種制造工藝具有產品尺寸精度高、焊縫質量好、方形管的直角部尖而且形狀規矩等優點;缺點是生產線投資較大,直角部加工硬化程度較重。

成型后的產品焊縫外觀如圖2所示,焊縫成形美觀,波紋細密,在擠壓成型的過程中未發生開裂現象,焊縫也能經受較大的沖擊力而不產生裂紋。切取尺寸為10mm×100mm的焊縫居中的試樣進行90°反復折彎試驗,彎曲半徑為r(δ≤r≤2δ,δ為厚度),焊縫可經受2～3次的折彎(同樣試驗母材為4～6次)。表明焊縫和HAZ具有較好的韌性,這是由于焊接熱輸入非常小(只有0.014kJ/mm),且在焊后進行水冷卻,所以焊縫及HAZ的晶粒長大程度較小,塑韌性的損失程度也小。

為了進一步研究這種工藝對430不銹鋼管壁厚的適用范圍,采用0.6mm厚430鐵素體不銹鋼制造方矩形管。焊接參數為電流100～110A,電壓12～14V,速度為4m/min。雖然在焊接及水冷后焊縫及HAZ未發生開裂,但在圓管擠壓成型過程中大部分發生脆性開裂,并伴有較大的爆裂聲,產品全部報廢。即使未發生開裂的部分脆性也很大,受到較大的沖擊即沿焊縫縱向開裂,如圖3所示。

以上結果表明,430不銹鋼對焊接熱輸入非常敏感,在不填絲TIG焊時,允許的焊接熱輸入范圍非常小。如果大于這一范圍,焊縫和熱影響區的晶粒嚴重粗化,性能急劇惡化。因此,430不銹鋼不宜采用這種方法來制造0.6mm厚的方矩形焊管,如果需要制造0.6mm厚的鐵素體不銹鋼方矩形管,可考慮選用含有微合金元素的其他鐵素體不銹鋼如SUS443(00Cr17Cu)、SUS436(00Cr17MoNb)、SUS444(00Cr18Mo2)等。

3結論

在選擇適當的焊接工藝參數的條件下,可采用TIG焊接圓管然后擠壓成型的方法制造壁厚0.4mm的430鐵素體不銹鋼方矩形管,且具有良好的綜合性能。由于430不銹鋼對焊接熱輸入非常敏感,采用這種工藝制造0.6mm壁厚的方矩形管時,可考慮選用含有微合金元素的其他鐵素體不銹鋼如SUS443、SUS436和SUS444等。