装饰用430薄壁不锈钢方矩形管制造工艺

分析了AISI430铁素体不锈钢的焊接性,制定了合理的焊接工艺。采用先TIG焊接圆形管再挤压成型为方矩形薄壁焊管的工艺制造壁厚为0.4mm的430铁素体不锈钢方矩形管,质量稳定且具有良好的综合性能。试验同时表明,采用这种工艺制造壁厚为0.6mm的方管时,不宜选择430不锈钢,应选择其他微合金化的焊接性能较好的铁素体不锈钢。

AISI430铁素体不锈钢(1Cr17)是一种应用广泛的中铬铁素体不锈钢,具有价格低廉、耐蚀性较好、冲压加工性能好、表面光亮等优点,因此在化工设备、餐具厨具、日用办公设备、装饰材料等行业大量应用。在装饰中采用的430不锈钢管,壁厚一般在0.2～0.6mm之间,在焊管生产线上经高频感应焊或TIG焊接而成。其截面形状一般是圆形,在某些场合,出于美观的考虑或受空间限制,需使用截面为方形或矩形的不锈钢管。目前我国的方形薄壁焊管大多是采用先圆后方的工艺制造,即先将钢带焊接成圆形管后再经挤压辊挤压成方矩形管。TIG焊接的时候,由于不填充焊丝,所以430不锈钢焊接接头的力学性能较差,在受到较大冲击力或弯曲力的时候,常发生脆性断裂,一般是沿焊缝纵向开裂。笔者主要介绍制造装饰用0.4mm壁厚方矩形薄壁焊管的制造工艺。

1.AISI430不锈钢的理化性能及焊接性

AISI430铁素体不锈钢的金相组织为单相铁素体,晶粒度一般大于8级,具有较高的耐蚀性和综合力学性能。实测和标准中所规定的化学成分见表1,430不锈钢的断裂强度大于450MPa,断后延伸率大于22%,脆性转变温度在室温以上,而且对缺口敏感。由于铁素体不锈钢具有较强的尺寸效应(即材料的性能随厚度的增加而恶化),所以产品厚度一般≤4mm。

430不锈钢在焊接热循环过程中,焊接热影响区(HAZ)的组织发生变化,温度在875℃至熔点之间的区域中的一部分组织转变成γ相,在随后的快冷过程中,这部分γ相转变为马氏体,在铁素体晶界上呈不连续状分布,维氏硬度可达250～300,加之铁素体晶粒由于在焊接热循环过程中显著长大,如图1所示,这导致了HAZ脆性增加,韧性恶化。430不锈钢虽然可以焊接,但是由于以上不利因素致使其焊接工艺参数范围非常窄,制定焊接工艺比较困难。

430不锈钢化学成分中不含Ti、Mo、Nb等合金元素,这些合金元素能与钢中的其他元素形成金属间化合物,弥散分布于基体中,起到第二相强化作用的同时,还可以起到抑制铁素体晶粒显著长大的作用,所以430不锈钢的晶粒长大倾向非常严重。在不填充焊丝的情况下,焊缝和HAZ的组织和性能很差,抗静载强度和抗冲击、抗弯曲强度都非常低,受到较大的冲击或弯曲时即开裂,断口呈金属光泽,断面齐平,为典型的沿晶脆性断裂形貌。在填充奥氏体材料焊丝的情况下,焊缝组织为奥氏体柱状晶粒,具有较好的性能,HAZ则由于经受热循环后晶粒粗化导致脆化,成为接头的薄弱部位。430不锈钢在焊接时需采用小电流、高速焊并尽量减少焊道层次的焊接工艺。截面尺寸大于6mm的板、管材不宜用作焊接结构件。

2焊接及挤压成型工艺

薄壁方管一般的制造工艺流程为:钢带纵剪分条→表面清洁→挤压辊直缝圆管坯成型→TIG焊接→水冷却→打磨焊缝→挤压成型方矩形管→定尺切断→包装→成品。即在圆管生产线上增加了方矩形管挤压辊及其调节装置,其中TIG焊接和方管挤压成型是关键工序。

2.1焊接规范的选择

焊接规范参数主要包括焊接电流、电弧电压、焊接速度和保护气体流量等,各个参数之间是相互影响的。焊接工艺优化的过程就是调整各项参数的值,获得最佳的匹配,以保证焊接过程的稳定性和焊接质量。

2.1.1焊接电流

焊接电流是钨极氩弧焊最主要的参数,电弧功率与焊接电流和电弧电压成正比,而改变电弧的功率主要通过调节电流来实现。焊接过程中,增加焊接电流可以增加焊缝的熔深。在其他焊接参数不变的条件下,一定厚度的管材能够实现焊缝成形所需的焊接电流在一定的范围内,如果电流超出这个范围,就可能产生焊接缺陷。

2.1.2电弧电压

电弧电压与弧长有关,弧长增加电弧电压成正比例增加,电弧功率也随之增大。采用短弧焊时,喷嘴到工件的距离缩短热量集中,气体保护效果好,而且有利于减小电弧的磁偏吹现象。

2.1.3焊接速度

焊接速度影响焊缝熔深和熔宽,速度大小直接影响到焊缝质量的优劣。提高焊接速度,可减小焊接热输入和热影响区宽度,熔深和熔宽也减小。但是如果焊接速度选择过高,就会使氩气保护效果变差,出现未焊透和未熔合缺陷等。

2.1.4氩气流量

氩气将空气与金属熔池和钨极隔离,起保护作用。氩气流量取决于喷嘴的结构尺寸、喷嘴与工件的距离、电流和焊接速度等因素。其中喷嘴结构是最主要的因素,不同喷嘴结构(直径)的氩气流量都有其对应的最佳范围,在范围内,经过喷嘴的气流才能保证形成稳定的层流,达到最好的保护效果。

基于对430铁素体不锈钢焊接性的分析,确定了壁厚为0.4mm的430不锈钢管不填丝TIG焊接工艺参数,在该工艺参数下,可获得外观和性能优良的焊缝。

2.2结果与讨论

焊接成型后的圆管经在线冷却、打磨焊缝后,随即进行挤压加工成方矩形管。挤压成型是通过两对相互垂直的挤压辊进行的,将圆管强制成型为方矩形管。挤压辊可以根据需要调整为方形或矩形的形状。这种制造工艺具有产品尺寸精度高、焊缝质量好、方形管的直角部尖而且形状规矩等优点;缺点是生产线投资较大,直角部加工硬化程度较重。

成型后的产品焊缝外观如图2所示,焊缝成形美观,波纹细密,在挤压成型的过程中未发生开裂现象,焊缝也能经受较大的冲击力而不产生裂纹。切取尺寸为10mm×100mm的焊缝居中的试样进行90°反复折弯试验,弯曲半径为r(δ≤r≤2δ,δ为厚度),焊缝可经受2～3次的折弯(同样试验母材为4～6次)。表明焊缝和HAZ具有较好的韧性,这是由于焊接热输入非常小(只有0.014kJ/mm),且在焊后进行水冷却,所以焊缝及HAZ的晶粒长大程度较小,塑韧性的损失程度也小。

为了进一步研究这种工艺对430不锈钢管壁厚的适用范围,采用0.6mm厚430铁素体不锈钢制造方矩形管。焊接参数为电流100～110A,电压12～14V,速度为4m/min。虽然在焊接及水冷后焊缝及HAZ未发生开裂,但在圆管挤压成型过程中大部分发生脆性开裂,并伴有较大的爆裂声,产品全部报废。即使未发生开裂的部分脆性也很大,受到较大的冲击即沿焊缝纵向开裂,如图3所示。

以上结果表明,430不锈钢对焊接热输入非常敏感,在不填丝TIG焊时,允许的焊接热输入范围非常小。如果大于这一范围,焊缝和热影响区的晶粒严重粗化,性能急剧恶化。因此,430不锈钢不宜采用这种方法来制造0.6mm厚的方矩形焊管,如果需要制造0.6mm厚的铁素体不锈钢方矩形管,可考虑选用含有微合金元素的其他铁素体不锈钢如SUS443(00Cr17Cu)、SUS436(00Cr17MoNb)、SUS444(00Cr18Mo2)等。

3结论

在选择适当的焊接工艺参数的条件下,可采用TIG焊接圆管然后挤压成型的方法制造壁厚0.4mm的430铁素体不锈钢方矩形管,且具有良好的综合性能。由于430不锈钢对焊接热输入非常敏感,采用这种工艺制造0.6mm壁厚的方矩形管时,可考虑选用含有微合金元素的其他铁素体不锈钢如SUS443、SUS436和SUS444等。