保護(hù)氣體對(duì)06Cr19Ni10鋼焊接接頭組織與性能的影響

宗桓旭，許鴻吉，耿 濤，祁藝洋

（大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連116028）

保護(hù)氣體對(duì)06Cr19Ni10鋼焊接接頭組織與性能的影響

宗桓旭，許鴻吉，耿 濤，祁藝洋

（大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連116028）

通過(guò)拉伸、彎曲、硬度試驗(yàn)和金相分析，研究 06Cr19Ni10 不銹鋼在 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%和 φ（Ar）97%+φ（O2）3%兩種保護(hù)氣體下的MAG焊接頭。結(jié)果表明：兩種接頭均具有良好的拉伸和彎曲性能；兩者的顯微硬度分布大致相同，焊縫硬度最高，熱影響區(qū)硬度最低；母材基體組織為奧氏體，基體上有少量沿軋制方向分布的帶狀δ鐵素體；焊縫中心為黑色樹枝狀δ鐵素體均勻分布在白色奧氏體基體上，且晶粒細(xì)小均勻；熔合線附近為柱狀?yuàn)W氏體組織和板條狀鐵素體組織；熱影響區(qū)組織為奧氏體基體上兼有少量δ鐵素體。

06Cr19Ni10不銹鋼；MAG焊；組織與性能

0 前言

奧氏體不銹鋼具有良好的抗腐蝕性能、力學(xué)性能和工藝性能，是軌道車輛、石油化工、動(dòng)力及輕工等工業(yè)部門中常用的鋼材[1]。采用MAG方法焊接不銹鋼，其摻入的活性氣體可以克服使用純氬氣焊接時(shí)產(chǎn)生的陰極斑點(diǎn)漂移現(xiàn)象，并改善焊縫成形[2-3]。目前在奧氏體不銹鋼車輛的焊接生產(chǎn)中，常用的MAG焊保護(hù)氣體有 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%和 φ（Ar）97%+φ（O2）3%，兩者的活性氣體加入比例有所不同，因而可能影響其焊接接頭組織與性能的差異[4-5]。在此通過(guò)拉伸、彎曲、硬度、金相等試驗(yàn)，研究06Cr19Ni10鋼在這兩種保護(hù)氣體下MAG焊接頭的顯微組織和力學(xué)性能，為奧氏體不銹鋼焊接的保護(hù)氣體選擇提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)覆倪x用06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼，焊接材料為直徑φ1.0 mm的ER308實(shí)心焊絲。試驗(yàn)?zāi)覆暮秃附硬牧系幕瘜W(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、表2所示。

焊接試板尺寸為350 mm×150 mm×6 mm，采用MAG 焊多層焊工藝，分別采用 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%和 φ（Ar）97%+φ（O2）3%作為保護(hù)氣體焊接試板。試件焊后均進(jìn)行外觀（ISO17637）、滲透（ISO23277）、射線（ISO17636）檢測(cè)。要求試件平直，盡量減少變形。焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表1 試驗(yàn)?zāi)覆牡幕瘜W(xué)成分Table 1 Chemical composition of the experimental materials %

表2 焊接材料的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of the welding materials

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding process parameters

焊后按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)06Cr19Ni10的MAG焊接接頭分別進(jìn)行室溫拉伸、彎曲、硬度等力學(xué)性能試驗(yàn)。依照標(biāo)準(zhǔn)GB/T2651-2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；按GB2653-2008《焊接接頭彎曲及壓扁試驗(yàn)方法》分別進(jìn)行面彎和背彎試驗(yàn)；依照標(biāo)準(zhǔn)GB/T4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)》進(jìn)行硬度試驗(yàn)，利用FM-700型顯微硬度儀測(cè)量焊接接頭表面的維氏硬度分布，顯微硬度儀的參數(shù)設(shè)置為：載荷200 gf（1.96 N），保持時(shí)間15 s，步長(zhǎng)180 μm；采用金相顯微鏡觀察焊接接頭的母材、熱影響區(qū)、焊縫的顯微組織，金相腐蝕液為氯化鐵鹽酸溶液。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 拉伸試驗(yàn)

06Cr19Ni10不銹鋼焊接接頭的室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。兩組拉伸試樣均斷在焊縫處，根據(jù)GB/T 4237-2007標(biāo)準(zhǔn)，06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼的抗拉強(qiáng)度應(yīng)大于等于515 MPa，而兩種保護(hù)氣體下對(duì)接接頭拉伸試樣中抗拉強(qiáng)度最小為592 MPa（見(jiàn)表4），均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，具有良好的拉伸性能。但從兩者的抗拉強(qiáng)度平均值看，φ（Ar）97%+φ（O2）3%組的拉伸性能更好。

表4 焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Result of tensile test

兩種保護(hù)氣體下接頭的拉伸斷口掃描觀察結(jié)果如圖1所示。

圖1 拉伸試樣斷口形貌Fig.1 Fracture morphology of tensile samples

進(jìn)行破斷分析時(shí)，根據(jù)斷裂面三個(gè)區(qū)的形態(tài)和在斷口所占比例可粗略評(píng)價(jià)構(gòu)件的性能，判斷材料的韌性。纖維區(qū)和剪切唇越大，則材料的塑性、韌性越好。這兩組試件的宏觀斷口的放射區(qū)面積都很小，纖維區(qū)已毗鄰剪切唇區(qū)，觀察全貌可知二者的韌性均良好。

兩種保護(hù)氣體下接頭的拉伸斷口形貌較相似，以 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%的斷口為例，在全貌（見(jiàn)圖1a）下可以觀察到明顯的區(qū)域性。斷口中央為纖維區(qū)，其特征是凹凸不平、無(wú)光澤且呈暗灰色；放射區(qū)面積較小，放射元呈現(xiàn)挺直的纖維狀，方向與裂紋擴(kuò)展方向一致；剪切唇區(qū)平滑發(fā)亮。在拉伸斷口的中心區(qū)域（見(jiàn)圖1b），有大量細(xì)小韌窩。接頭斷口屬于明顯的韌性斷裂，也說(shuō)明二者的韌性良好。

2.2 彎曲試驗(yàn)

06Cr19Ni10不銹鋼焊接接頭的彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。按照ISO 15614-1標(biāo)準(zhǔn)，延伸率大于或等于20%的母材，壓頭直徑應(yīng)為試樣厚度的4倍，本試驗(yàn)中所用壓頭直徑為20 mm。機(jī)械加工的冷彎試樣經(jīng)過(guò)180°面彎和背彎后，均未發(fā)現(xiàn)裂紋，因此，兩種保護(hù)氣體下的焊接接頭彎曲性能良好。

表5 彎曲試驗(yàn)結(jié)果（試樣尺寸250 mm×20 mm×5 mm）Table 5Result of bending test（250 mm×20 mm×5 mm）

2.3 硬度試驗(yàn)

兩種保護(hù)氣體下接頭硬度分布對(duì)比曲線如圖2所示。

保護(hù)氣體為 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%的接頭焊縫硬度為268～282 HV；熔合線處硬度為250 HV；熱影響區(qū)為250～261 HV；母材硬度為258～263 HV。

保護(hù)氣體為 φ（Ar）97%+φ（O2）3%的接頭焊縫硬度為258～263 HV；熔合線處硬度為253 HV；熱影響區(qū)硬度為253～260 HV；母材硬度為256～260 HV。

圖2 對(duì)接接頭的硬度分布Fig.2 Hardness test result for welded joint

由圖2可知，兩種保護(hù)氣體下的接頭硬度變化趨勢(shì)相似。焊縫硬度值最高，熱影響區(qū)硬度最低，母材硬度介于焊縫與熱影響區(qū)之間。這是由于不銹鋼焊接時(shí)熱輸入量較低，且焊絲向焊縫添加Si、Mn等元素，使得焊縫中心晶粒均勻細(xì)小，提高了硬度。而熱影響區(qū)δ鐵素體晶粒有所長(zhǎng)大，導(dǎo)致熱影響區(qū)硬度最低。

2.4 金相組織

焊接接頭的顯微組織如圖3所示，兩種保護(hù)氣體下接頭的顯微組織形態(tài)大致相同。以φ（Ar）95%+φ（CO2）5%作保護(hù)氣體時(shí)接頭的顯微組織為例，母材的顯微組織形態(tài)如圖3a所示，母材基體組織為奧氏體，其上有少量沿著軋制方向分布的帶狀δ鐵素體。焊縫顯微組織形態(tài)如圖3b所示，焊縫的基體為柱狀?yuàn)W氏體，其上均勻分布黑色的樹枝狀δ鐵素體。熱影響區(qū)顯微組織形態(tài)如圖3c所示，大量δ鐵素體分布在奧氏體基體上，由于熱輸入量較低，熱影響區(qū)的奧氏體晶粒并未發(fā)生明顯長(zhǎng)大，而δ鐵素體晶粒尺寸有所長(zhǎng)大，與奧氏體相比，鐵素體結(jié)構(gòu)致密度小，原子在晶界處擴(kuò)散需要激活能低，因此晶粒更容易長(zhǎng)大。熔合線附近區(qū)域顯微組織形態(tài)如圖3d所示，熔合線非常明顯，其左側(cè)為焊縫，右側(cè)為熱影響區(qū)，由于冷卻速度快，此處形態(tài)為柱狀?yuàn)W氏體組織和板條狀鐵素體組織，且晶體排布方向較雜亂，因此對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能有不利影響。

3 結(jié)論

（1）兩種保護(hù)氣體下的母材基體組織為奧氏體，少量沿著軋制方向的黑色帶狀δ鐵素體分布其上；焊縫中心組織為黑色樹枝狀δ鐵素體均勻分布在白色柱狀?yuàn)W氏體上，晶粒均勻細(xì)小；熱影響區(qū)組織為奧氏體和少量帶狀δ鐵素體；熔合線附近為排布雜亂的柱狀?yuàn)W氏體組織和板條狀鐵素體組織。

圖3 焊接接頭的顯微組織Fig.2 Microscopic structure of welded joints

（2）兩種保護(hù)氣體下的對(duì)接接頭試樣拉伸后斷于焊縫處；面彎、背彎均未發(fā)現(xiàn)裂紋。兩種接頭都滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，具有良好的拉伸和彎曲性能。

（3）兩種保護(hù)氣體下的接頭硬度變化趨勢(shì)相似。焊縫硬度值最高，熱影響區(qū)硬度最低，母材硬度介于焊縫與熱影響區(qū)之間。

[1]姚明哲，楊志勇，馬秋紅，等.不銹鋼軌道車輛的特點(diǎn)[J].裝備機(jī)械，2015（3）：10-13.

[2]李剛卿，韓曉輝.不銹鋼車體的焊接工藝及發(fā)展[J].機(jī)車車輛工藝，2004（1）：1-4.

[3]魏小華.保護(hù)氣氛對(duì)06Cr19Ni10鋼焊接接頭組織和力學(xué)性能的影響[J].電焊機(jī)，2015，45（10）：151-153.

[4]丁成鋼，史春元，楊蔚.SUS304不銹鋼MAG焊接頭組織與性能[J].熱加工工藝，2006，35（15）：19-20.

[5]龔明.城市軌道車輛不銹鋼車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2010.

Effect of different protective atmosphere on microstructure and properties of 06Cr19Ni10 steel welded joints

ZONG Huanxu，XU Hongji，GENG Tao，QI Yiyang
（School of Materials Science and Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China）

Microstructures and properties of 06Cr19Ni10 stainless steel welded joints that welded by MAG φ（Ar）95%+φ（CO2）5%and φ（Ar）97%+φ（O2）3%welding method are studied by tensile tests，bending tests，hardness tests and metallographic analysis.The results show that two types of joints have good tensile and bending properties，and have similar microhardness distribution trend；The weld center has the highest hardness and the heat affected zone has the minimum hardness；The microstructure of base metal is austenitic，and a few of banded δ ferrite distribute along the rolling direction；In the weld center，the black dendritic δ ferrite uniformly distribute on the white austenite matrix and the grains are fine and uniform；There are columnar austenite and lath shaped ferrite near the fusion line；The microstructure of the heat affected zone is austenitic matrix and a small amount of δ ferrite.

06Cr19Ni10 stainless steel；MAG welding；microstructure and property

TG457.11

A

1001-2303（2017）10-0046-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.09

本文參考文獻(xiàn)引用格式：宗桓旭，許鴻吉，耿濤，等.保護(hù)氣體對(duì)06Cr19Ni10鋼焊接接頭組織與性能的影響[J].電焊機(jī)，2017，47（10）：46-49.

2017-07-12

宗桓旭（1992—），男，碩士研究生，主要從事軌道交通關(guān)鍵材料焊接的研究。E-mail：m18841123974@163.com。