不同焊接方法下1.4003鐵素體不銹鋼焊接接頭組織與性能

魯二敬，張艷輝，鈕旭晶，陳麗園，苗 佳

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035）

0 前言

1.4003鐵素體不銹鋼僅含少量的鎳，是一種超低碳的經濟型不銹鋼。該鋼具有中等的抗蝕性、適度的強度、良好的耐磨性以及較低的成本，作為貨車車體材料廣泛應用于我國軌道交通運輸行業[1-2]。但鐵素體不銹鋼存在固有的晶粒長大敏感性，過熱區晶粒急劇長大會引起接頭脆化，給鐵素體不銹鋼車體制造與焊接維修帶來一定的困難[3]。目前，鐵素體不銹鋼的焊接方法除了MAG、TIG、PAW外，冷金屬過渡焊技術（Cold Metal Transfer，以下簡稱CMT）作為一種改進型熔化極氣體保護焊，因其熔滴過渡時電流幾乎為0，焊接熱輸入大幅度降低，飛濺少、焊接速度快，也逐步應用于鐵素體不銹鋼的焊接。本研究分別對MAG、TIG、PAW、CMT焊接接頭進行常規力學性能試驗和金相顯微組織分析，系統對比1.4003鐵素體不銹鋼采用上述4種焊接方法所得到的接頭性能，為我國鐵道車輛制造和焊接維修提供一定的理論參考依據。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料和焊接工藝

試驗材料為1.4003鐵素體不銹鋼（EN 10088），尺寸300 mm×150 mm×3 mm。PAW采用雙面焊，不填加焊絲；TIG、MAG、CMT為單層焊，采用ER308（AWS）奧氏體不銹鋼焊絲，目的是得到高抗裂性能的焊縫。MAG、CMT 采用 φ（Ar）97%+φ（O2）3%保護氣體，PSW、TIG的保護氣體為純氬。所有接頭坡口均采用I型對接坡口，PAW雙面焊接時不留坡口間隙。試驗材料和焊絲的化學成分如表1所示，力學性能如表2所示。焊接工藝參數如表3所示，對接接頭坡口示意如圖1所示，1.4003鐵素體母材顯微組織如圖2所示。

表1 試驗材料和焊絲的主要化學成分Table 1 Chemical composition of material and wire %

表2 試驗材料和焊絲的力學性能Table 2 Mechanical properties of material and wire

表3 焊接工藝參數Table 3 Welding parameters

圖1 對接接頭坡口（PAW焊接時不留間隙）Fig.1Groove of butt join（tNo gap in PAW welding）

圖2 母材顯微組織Fig.2 Microstructure of base metal

1.2 試驗方法

焊后依照相關標準對各焊接接頭進行外觀、滲透、射線檢測，對通過無損檢測的各焊接接頭分別依照ISO4136《金屬材料焊縫的破壞性試驗—橫向拉伸試驗》和ISO5173《金屬材料焊縫的破壞性試驗—彎曲試驗》在WDW-300KN萬能試驗機上進行拉伸試驗和彎曲試驗。研磨、拋光金相試樣后，使用FeCl3溶液浸蝕，在金相顯微鏡下觀察接頭各區域的顯微組織。并根據GB/T4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗》，利用FM-700型顯微硬度儀測量各接頭的顯微維氏硬度。

2 試驗結果與分析

2.1 拉伸性能

各焊接接頭拉伸試驗結果如表4所示。根據ISO15614-1：2004《金屬材料焊接工藝評定－焊接工藝評定第一部分：鋼的弧焊和氣焊、鎳及鎳合金的弧焊》中規定，焊接接頭的抗拉強度不得低于母材抗拉強度的下限值。1.4003鐵素體不銹鋼抗拉強度下限值為450 MPa，各接頭抗拉強度均符合標準。橫向對比各焊接接頭，CMT接頭抗拉性能較好，這是因為CMT的焊接搭橋能力很強，通過焊絲回抽促進熔滴過渡，焊絲的爆斷很少，且熱輸入小，焊縫均勻一致[4]。C-1-2試件斷裂在強度較好的母材，顯示了CMT接頭焊縫和熱影響區優良的抗拉性能。MAG接頭拉伸性能良好，因其采用小線能量輸入、快速焊，斷裂位置位于熱影響區結合面處。PAW雙面焊接頭抗拉強度最低，整個焊接過程中熱輸入量較大，過熱區為接頭最薄弱區域，而TIG焊接速度最慢，熱輸入最大，熔寬大，接頭在焊縫處斷裂。

表4 拉伸試驗結果Table 4 Result of tensile test

2.2 彎曲性能

按照ISO15614-1標準，延伸率大于（或等于）20%的母材，壓頭直徑應為試樣厚度的4倍，本試驗壓頭直徑為12 mm。每種焊接方法的接頭取2個面彎試件和2個背彎試件。經過180°彎曲試驗后，所有試件均未發現裂紋，說明這4種焊接接頭的塑性指標合格，所有接頭均具有良好的彎曲性能。

2.3 顯微組織

各焊接接頭的顯微組織如圖3所示。從焊縫的組織對比來看，圖3a為MAG接頭焊縫區，組織為大量縱橫交錯分布的黑色針狀鐵素體，基底為白色奧氏體。焊縫凝固初始析出相為針狀鐵素體，沿原奧氏體晶界形核并向原奧氏體晶界內部生長。由于MAG焊速快，奧氏體晶粒生長方向變為溫度梯度方向，呈柱狀晶形態，且針狀鐵素體為連鎖結構，能夠很好地阻止裂紋擴展，MAG焊縫具有良好的力學性能[5]。圖3c為CMT接頭焊縫區，組織為大量密集的骨架狀與網狀鐵素體，基底同樣為白色奧氏體。鐵素體組織的分布更加均勻。圖3e為PAW接頭焊縫區，組織為粗大鐵素體晶粒，晶粒度2～3級，這是因為PAW為雙面焊，總熱輸入較大，且焊縫區重復加熱導致鐵素體長大情況較嚴重。PAW不填加焊絲是由于其熔深大，可直接焊透薄板，但焊縫鐵素體晶粒過熱長大很嚴重，因此不宜采用雙面焊不填加焊絲的PAW方法焊接1.4003鐵素體不銹鋼薄板。圖3g為TIG接頭焊縫區，組織為黑色針狀和條狀鐵素體與白色奧氏體。TIG熱輸入大，使得更多母材熔入熔池，熔池中鐵素體形成元素Cr含量增加，焊縫鐵素體含量升高，同時焊接速度較慢導致奧氏體晶粒變得粗大。

圖3 焊接接頭的顯微組織Fig.3 Microstructure of welded joints

從熱影響區的組織對比來看，MAG、CMT、PAW、TIG熱影響區顯微組織形態均為塊狀鐵素體與少量邊界奧氏體（見圖 3b、圖 3d、圖 3f、圖 3h），盡管這幾種焊接方法的熱輸入大小有所不同，但各接頭熱影響區鐵素體晶粒度相差不大，說明熱影響區鐵素體長大傾向非常敏感。PAW熱影響區晶粒沒有焊縫中心粗大，晶粒度4～5級。因MAG、CMT、TIG焊縫的結合面兩側基底組織與晶粒取向并不一致，焊縫奧氏體晶粒排列呈柱狀，熱影響區鐵素體晶粒受熱長大，呈塊狀且沒有明顯的方向性。異質焊接接頭結合面兩側組織差異導致性能差異，是拉伸試驗中試件沿結合面斷裂的原因之一。

2.4 硬度試驗

4種焊接接頭的硬度分布如圖4所示。MAG接頭焊縫硬度300～312 HV，TIG接頭焊縫硬度283～311 HV，CMT焊縫硬度238～265HV。PAW焊縫硬度198～203HV。PAW沒有填加焊接材料，焊縫組織為塊狀鐵素體，硬度不及其他3種接頭的焊縫；MAG、CMT、TIG 3種接頭在靠近熔合線的粗晶區硬度值均有下滑，這是鐵素體晶粒粗化所致。PAW熱影響區硬度則保持穩定上升趨勢，相較焊縫，其熱影響區至母材是晶粒逐漸細化的過程，強度逐漸升高。1.4003鐵素體母材硬度為200～210 HV，較為穩定。從過熱區到母材，這4種接頭的硬度分布基本遵循由低到高的規律。

圖4 接頭的硬度分布Fig.4 Hardness test result of welded joints

3 結論

（1）3 mm 1.4003鐵素體不銹鋼的 MAG、CMT、PAW、TIG對接接頭抗拉強度均符合相關標準，拉伸試樣斷裂位置大多位于過熱粗晶區，彎曲試驗均沒有裂紋產生，接頭的拉伸和彎曲等力學性能良好。

（2）MAG、CMT、TIG 接頭焊縫組織均為黑色骨架狀或板條狀鐵素體分布在白色奧氏體基體上，PAW因未填加焊接材料，焊縫組織為晶粒度2～3級的塊狀鐵素體和少量邊界奧氏體；MAG、CMT、TIG接頭過熱區組織均為粗大塊狀鐵素體，晶粒度2～3級，PAW接頭過熱區為塊狀鐵素體，晶粒度4～5級。

（3）硬度試驗結果表明，MAG、CMT、TIG 采用奧氏體不銹鋼焊絲，形成鐵素體+奧氏體的異質焊縫，強度和硬度較好。從過熱區到母材，隨著晶粒度由粗大轉變為細小，各接頭硬度的分布遵循由低到高的規律，1.4003鐵素體不銹鋼晶粒粗化對熱影響區的強度、硬度均有不利影響。

參考文獻：

[1]張志昌.德國4003鐵素體不銹鋼的焊接[J].電焊機，2008，38（11）：42-54.

[2]石青，王志斌，王文先，等.鐵素體不銹鋼/奧氏體不銹鋼焊接接頭的組織和性能[J].材料熱處理學報，2014，35（3）：143-148.

[3]張堯，陳增有，馬慶波，等.焊接修復對鐵素體不銹鋼焊接接頭疲勞性能的影響[J].熱加工工藝，2013，42（3）：186-188.

[4]Wang Wenquan，Meng Qingliang，Niu Liyuan.StudyonCMT welding of stainless steel railway vehicle body[J].Advanced Materials Research，2014（936）：1769-1774.

[5]孫咸.不銹鋼焊縫金屬的組織演變及其影響[J].機械制造文摘-焊接分冊，2012（6）：6-10.