保護氣體對1.4003不銹鋼焊接接頭組織和疲勞性能的影響

于 巖，宗桓旭，魯二敬，桂洪利，張艷輝

（1.中國中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山063035；2.大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧大連116028）

保護氣體對1.4003不銹鋼焊接接頭組織和疲勞性能的影響

于 巖1，宗桓旭2，魯二敬1，桂洪利1，張艷輝1

（1.中國中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山063035；2.大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧大連116028）

CO2與O2作為MAG焊接時常用的活性氣體，對1.4003不銹鋼接頭的金相組織與疲勞性能有不同的影響。通過金相組織分析和脈動拉伸疲勞試驗，研究兩種保護氣氛下1.4003鋼MAG焊接頭的組織和疲勞性能。結果表明：兩種接頭焊縫組織的基體均為奧氏體，基體上分布δ鐵素體；當保護氣體為φ（Ar）95%+φ（CO2）5%時，中值疲勞強度為 312.5 MPa；當保護氣體為 φ（Ar）97%+φ（O2）3%時，中值疲勞強度為302.5MPa。兩種保護氣體的疲勞試件斷裂位置主要集中在熱影響區，均有明顯的啟裂源，擴展區疲勞紋清晰，終斷區形態為韌窩型韌性斷口。

1.4003不銹鋼；MAG焊接頭；金相組織；疲勞性能

0 前言

采用不銹鋼車體可以顯著降低車輛自重、增加載重、節約能源、減少維護成本，對鐵路車輛具有長遠可觀的經濟效益[1]。相比于昂貴的鉻鎳奧氏體不銹鋼等材料，鐵素體不銹鋼材料因其成本低廉、防腐蝕性能好、美觀安全等優點，廣泛應用于準高速車輛[2]。車體的焊接部位往往是車體結構強度最薄弱部位，在列車服役期間最容易發生疲勞斷裂失效，而焊接結構的疲勞可靠性決定了車體的疲勞可靠性。鐵路車輛速度的提升和運輸質量的增加，對鐵素體不銹鋼車體焊接結構的疲勞強度提出了新的要求。采用MAG焊接鐵素體不銹鋼，可以克服MIG和TIG焊接時陰極斑點漂移現象并改善焊縫成形。目前生產實踐中常用保護氣體有φ（Ar）95%+φ（CO2）5%和 φ（Ar）97%+φ（O2）3%，研究這兩種保護氣體下的1.4003鐵素體不銹鋼MAG焊接接頭的疲勞性能有利于企業改善生產質量、降低生產成本。在此通過金相組織分析和脈動拉伸疲勞試驗，研究這兩種保護氣體對1.4003不銹鋼MAG焊對接接頭疲勞性能的影響，為生產實踐中保護氣體的選擇提供理論參考。

1 試驗材料及方法

1.1試驗材料

試驗母材為歐洲標準EN10088—1.4003鐵素體不銹鋼，試板尺寸300 mm×300 mm×3 mm，焊接材料為直徑φ1.0 mm的ER308實心焊絲。試驗材料的化學成分和力學性能分別如表1、表2所示。

表1 母材和焊絲的化學成分Table 1 Chemical composition of base metal and wire %

表2 母材和焊絲的力學性能Table 2 Mechanical properties of base metal and wire

1.2 試驗方法

采用 MAG 焊，I型坡口，分別使用 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%和 φ（Ar）97%+φ（O2）3%為保護氣體進行焊接工藝試驗。焊后依據標準對試件進行外觀（ISO17637）、滲透（ISO23277）、射線（ISO17636）檢測。要求試板平直，盡量減少變形。焊接工藝參數如表3所示。

表3 焊接工藝參數Table 3 Welding process parameters

焊后對焊接試板進行金相試樣加工，研磨、拋光后選用FeCl3溶液浸蝕金相試樣，采用BX51M金相顯微鏡觀察兩種保護氣體下接頭的顯微組織形態。

分別對兩種保護氣氛下的MAG焊接頭進行脈動拉伸疲勞試驗。試驗設備為PLG-100型微機控制高頻疲勞試驗機，其技術規格為：靜態負荷精度±1%，動負荷平均波動度±1%，動負荷振幅波動度±2%。試驗采用的循環應力比R=0.1，指定循環壽命取1×107次。試驗過程中，當疲勞裂紋尺寸足夠大導致載荷加不上去時，自動卸載停振，并記錄循環次數。

試驗時按常規方法測定S-N曲線，按每一應力水平取1個試件確定S-N曲線的高應力段，各SN曲線的水平段均是通過升降法確定的指定壽命為1×107次時的中值疲勞極限強度σ0.1。所有疲勞試件經正反打磨，去掉余高。

2 試驗結果及分析

2.1 金相組織

兩種保護氣氛下的焊縫組織如圖1a、1b所示，形態大致相同。根據舍夫勒組織圖和熔合比可知，焊縫為F-A結晶模式，組織為白色奧氏體基體分布著黑色板條狀鐵素體和網狀鐵素體。以這種模式凝固時，首先析出鐵素體，使得凝固的晶粒邊界存在奧氏體+鐵素體兩項混合組織，有效避免了焊接凝固裂紋的產生[3]。熔合區如圖1c、1d所示，熔合線較明顯；圖片左上角為熱影響區，由于受到焊接熱循環的影響，晶粒嚴重長大，組織均為粗大多邊形鐵素體，晶粒度2～3級，且鐵素體基體上分布著少量黑色點狀碳化物；圖片右下角為焊縫邊緣，該處組織均為黑色鐵素體分布在白色奧氏體基體上，鐵素體形態以板條狀為主，由于焊縫邊緣處冷卻速度較快，所以晶粒呈明顯的柱狀晶分布。

圖1 焊接接頭的顯微組織Fig.1 Microstructure of welded joints

2.2 疲勞試驗結果及分析

疲勞試件宏觀斷口如圖2所示。觀察兩種不同保護氣氛下接頭的疲勞試件宏觀斷口發現，所有試件斷裂位置均在熱影響區，且裂紋都是從熱影響區一側的邊緣啟裂。觀察金相組織可知，焊縫鐵素體組織細小，增加了焊縫內晶粒的位錯密度，單位面積內晶界數量也遠多于過熱區，在疲勞試驗施加載荷方向上，過熱區晶粒粗大，難以抵抗多次拉伸載荷的作用，因此，疲勞裂紋極易產生在熱影響區的過熱粗晶區。

圖2 疲勞試件宏觀圖片Fig.2 Macrophotograph of fatigue specime

通過升降法確定不同保護氣下的1.4003鐵素體不銹鋼MAG接頭指定壽命為1×107次循環下的疲勞極限。保護氣氛為 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%的疲勞試驗應力水平3級，有效試樣數11個，子樣對4個；保護氣氛為 φ（Ar）97%+φ（O2）3%的疲勞試驗應力水平4級，有效試樣數12個，子樣對4個。二者疲勞極限升降如圖3所示。

圖3 不同保護氣體下的疲勞極限升降Fig.3 Fatigue limit lift figure with different protective atmosphere

用升降法計算兩種焊接接頭的中值疲勞強度。

保護氣體為 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%時：

保護氣體為 φ（Ar）97%+φ（O2）3%時：

采用保護氣體為 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%時的MAG焊接接頭中值疲勞強度比采用φ（Ar）97%+φ（O2）3%高10 MPa，疲勞性能更好。兩種保護氣氛下接頭脈動拉伸疲勞的中值S-N曲線對比如圖4所示，兩種焊接接頭的疲勞強度較為接近，φ（Ar）95%+φ（CO2）5%下接頭的疲勞性能更好。

圖4 不同保護氣體下疲勞中值S-N曲線對比Fig.4 Fatigue median S-N curve contrast with different protective atmosphere

在JSM-6360LV型掃描電鏡上進行疲勞斷口微觀形貌分析，如圖5所示。兩種保護氣氛下疲勞斷口的啟裂區、擴展區、終斷區的掃描照片較為相似，以 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%的疲勞斷口為例，由啟裂區（見圖5a）可知，試件斷口處無夾雜、夾渣等焊接缺陷，有明顯的啟裂源；擴展區（見圖5b）疲勞紋清晰，疲勞紋大小隨疲勞循環次數的增加而增大；終斷區（見圖5c）斷口形貌有大量韌窩。

3 結論

（1）兩種保護氣體下接頭的焊縫組織均為白色奧氏體基體上分布板條狀和網狀鐵素體；過熱區組織均為粗大的多邊形鐵素體，晶粒度2～3級，鐵素體基體上分布著少量黑色碳化物。

（2）1.4003鐵素體不銹鋼MAG焊對接接頭指定壽命為 1×107次的中值疲勞極限強度 σ0.1：φ（Ar）95%+φ（CO2）5%保護氣體下為 312.5MPa，φ（Ar）97%+φ（O2）3%保護氣體下則為 302.5 MPa。φ（Ar）95%+φ（CO2）5%下接頭疲勞性能更好。

圖5 疲勞試件斷口形貌Fig.5 Fracture appearance of welding specimen

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Effect of protective atmosphere on microstructure and fatigue performance of 1.4003 stainless steel welded joints

YU Yan1，ZONG Huanxu2，LU Erjing1，GUI Hongli1，ZHANG Yanhui1
（1.CRRC TANGSHAN Co.，Ltd.，Tangshan 063035，China；2.School of Materials Science and Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China）

The oxygen and carbon dioxide are available active gas and both are applied to MAG，and have different influence on the mechanical properties and microstructure of stainless steel.Through pulsating tensile fatigue test and microstructure analysis，studied that the microstructure and fatigue performance of MAG welding butt joint of 1.4003 steel under two kind of protective atmospheres.The results show that，the microstructure of base metal of two welds are both austenitic，and the δ ferrite are on the matrix；the median fatigue strength of φ（Ar）95%+φ（CO2）5%is 312.5 MPa，the median fatigue strength of φ（Ar）97%+φ（O2）3%is 302.5 MPa.The fracture location of specimen is mainly concentrated in the heat affected zone.The crack starter location is obvious on the crack initiation zone，the fatigue beach on the extending zone is vivid，the final broken zone is the toughness fracture of dimple type.

1.4003 stainless steel；MAG welded joint；microstructure；fatigue performance

TG406

A

1001-2303（2017）10-0067-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.14

本文參考文獻引用格式：于巖，宗桓旭，魯二敬，等.保護氣體對1.4003不銹鋼焊接接頭組織和疲勞性能的影響[J].電焊機，2017，47（10）：67-70.

2017-07-08

于 巖（1987—），男，碩士，主要從事軌道交通車輛焊接工藝的研究工作。E-mail：yuytielang@126.com。

宗桓旭（1992—），男，碩士研究生，主要從事軌道交通關鍵材料的連接的研究。E-mail：m18841123974_1@163.com。