焊接工藝對SUS301L不銹鋼殘余應力的影響

李曉東 ，孫曉紅 ，孟立春

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.上海交通大學，上海200240）

0 前言

SUS301L不銹鋼是由日本東急公司在304不銹鋼基礎上開發出來的一種亞穩態不銹鋼，可以通過冷軋產生形變誘發馬氏體相變，從而提高材料強度，實現輕量化的目的[1]。目前廣泛應用于軌道車輛車體的制造。根據冷軋加工變形量的不同，可將其分為 LT、DLT、ST、MT 和 HT 五類[2]。

奧氏體不銹鋼的熱膨脹系數為碳鋼的1.5倍，熱導率卻僅為碳鋼的1/3，不宜采用高熱輸入量的焊接工藝，因此點焊被廣泛應用于不銹鋼車體的焊接制造[3-4]。激光焊接和激光-電弧復合焊接技術具有焊接速度快、熱輸入量低的特點，可以減小焊接熱變形和焊接殘余應力，同時也能提高車體的氣密性，達到降噪目的。軌道交通車輛車體用SUS301L不銹鋼材料均為冷軋態，冷軋產生的馬氏體在焊接熱循環的作用下發生逆轉變，熱影響區的強度和硬度急劇降低。同時熱輸入的提高增加了接頭的組織不連續性，增大焊接殘余應力和變形。唐舵等人[5]對SUS301L-MT不銹鋼激光焊和MIG焊接頭的組織和性能進行了比較。陳洋等人[6]研究了SUS301不銹鋼的激光-MIG復合焊工藝及接頭組織和力學性能。但他們均未分析這些工藝的接頭殘余應力。劉龍璽等人[7]研究了6 mm厚激光焊和MAG焊SUS301L不銹鋼接頭的殘余應力分布，將MAG焊接頭殘余應力高于激光焊的原因歸結于熱輸入的不同，但未涉及到更厚板材的焊接殘余應力及復合焊的殘余應力。

基于以上文獻，本研究以8 mm厚SUS301L不銹鋼為研究對象，采用基于二維探測器的二維X射線衍射殘余應力分析方法，較為全面地對比分析MIG焊、激光焊和激光-MIG復合焊3種工藝所得接頭的殘余應力分布情況。

1 試驗材料和方法

試驗材料為8 mm厚SUS301L不銹鋼。材料經1 050℃加熱30 min后在水中淬火固溶，隨后進行15%的冷軋。填充材料為φ1.0 mm的ER308LSi不銹鋼焊絲。母材和焊絲的主要成分如表1所示。母材金相組織如圖1所示，母材由于冷軋加工，產生了大量板條狀形變馬氏體和機械孿晶。

表1 SUS301L-MT不銹鋼和ER308LSi焊絲成分%

圖1 母材金相組織

分別采用Transpuls Synergic 4000型焊機以及10 kW級TruDISK 10002型連續碟片激光器焊接試板。ABB機器人手臂用于實現自動焊接。為保證每種焊接工藝條件下獲得質量最佳的接頭，MIG焊采用Y型坡口，坡口角度60°、1.5 mm鈍邊，坡口間距2 mm，分兩次焊接完成。激光焊選用Ⅰ型坡口，0 mm間隙。激光-MIG復合焊為Ⅰ型坡口，間距為0.4 mm。具體焊接參數如表2所示。焊接后試板尺寸為320 mm×320 mm。

表2 焊接工藝參數

采用基于二維探測器的μ-X360殘余應力分析系統測定焊接殘余應力，通過單角度一次入射即可得到360°全方位的衍射信息，測試原理如圖2所示。對于厚度小于20 mm的焊接結構，其厚度方向的殘余應力相對較小，因此可視為平面應力狀態[8]。本研究僅測定橫向（σy）和縱向（σx）的殘余應力。測試區域為試板中部，以保證測試區域處于殘余應力穩定區內。

2 結果與分析

2.1 殘余應力測試結果

3種焊接工藝所得接頭的殘余應力測定值如表3所示。無論是縱向殘余應力還是橫向殘余應力，母材區域均為壓應力狀態，熱影響區和焊縫為拉應力。

表3 殘余應力測試結果

縱向殘余應力和橫向殘余應力的分布情況如圖3所示。縱向和橫向殘余應力的分布均呈現出近似“M”形。其中MIG焊縱向殘余應力峰值為631MPa，橫向殘余應力峰值為400 MPa；激光焊縱向殘余應力峰值為482 MPa，橫向殘余應力峰值為363 MPa；激光-MIG復合焊縱向殘余應力峰值為501 MPa，橫向殘余應力峰值為334 MPa。可以看出，MIG焊縱向和橫向殘余應力峰值最高，分別高出激光焊接頭149 MPa和37 MPa，高出激光-MIG復合焊接頭131 MPa和76 MPa。值得注意的是，所有焊接工藝條件下，縱向和橫向的應力峰值均出現在接近焊趾位置的熱影響區內。3種焊接工藝條件下焊縫的縱向殘余應力值基本相同，均約為400 MPa；焊縫橫向殘余應力則均為260 MPa。母材區域均為100 MPa的壓應力。整體來看，各測試點上的縱向殘余應力均要高于橫向殘余應力。

圖3 殘余應力分布

2.2 分析討論

焊接過程中焊接件受到不均勻加熱并使焊縫區熔化，與焊接熔池毗鄰的高溫區材料的熱膨脹則受到周圍冷態材料的制約，產生不均勻的壓縮塑性變形。在冷卻過程中，已發生壓縮塑性變形的這部分材料同樣受到周圍金屬的制約而不能自由收縮，并在一定程度上受到拉伸而卸載。同時，熔池凝固，焊縫金屬冷卻收縮也因受到制約而產生收縮拉伸力和變形[7]。從焊接線能量的角度考慮，MIG焊具有最高的焊接線能量，引起的加熱不均勻性也將更為突出，因此其引起的焊接殘余應力也最高。

由于3種焊接方式的熱輸入量不同，焊縫區的寬度也不同，焊縫區寬度的排序為MAG（20 mm）＞激光-MAG（12 mm）激光＞MAG 焊縫區（10 mm）。3種焊接方法中焊縫區的最低應力點均出現在焊縫中心處。平板對接焊接頭中的焊縫及近焊縫區域經歷過高溫的區域中存在縱向殘余拉應力。奧氏體不銹鋼材料的熱導率僅為碳鋼的1/3，熱膨脹系數卻達到碳鋼的1.5倍[3]，因此奧氏體不銹鋼的焊接殘余應力通常較高，甚至達到材料的屈服強度[9]。由于焊縫為鑄態，熱影響區經歷焊接熱循環后，強度雖有所降低，但仍然高于焊縫，當殘余應力值超過屈服強度時，將發生局部塑性變形從而釋放應力，殘余應力值最高不超過局部的屈服強度。因此，3種焊接接頭的殘余應力分布呈現“M”形。

對于母材區域，為了平衡焊縫和熱影響區內的殘余拉應力，母材內呈現出壓應力。同時由于母材經歷了15%的軋制發生馬氏體轉變，其本身也存在一定的壓應力。

3 結論

（1）3種焊接工藝條件下縱向和橫向殘余應力均呈“M”形分布，焊縫和熱影響區為拉應力，母材區域為壓應力。

（2）MIG焊接頭的縱向殘余應力峰值為631MPa，橫向殘余應力峰值為400MPa。

（3）激光焊和激光-MIG復合焊的殘余應力值基本相同，縱向峰值490MPa，橫向峰值360MPa。

（4）3種焊接工藝條件下的殘余應力峰值均出現在接近焊趾位置的熱影響區內。

參考文獻：

[1]劉偉，李強，焦德志，等.冷軋301L奧氏體不銹鋼的變形和應變硬化行為[J].金屬學報，2008，44（7）：775-780.

[2]王洪瀟，史春元，王春生，等.鐵道客車用SUS301L不銹鋼非熔透型激光搭接焊工藝[J].熱加工工藝，2009，38（19）：136-139.

[3]趙延強，韓曉輝，劉永剛，等.SUS301L不銹鋼激光-脈沖MIG復合焊接的熔滴過渡及接頭組織性能研究[J].熱加工工藝，2017（5）：78-81.

[4]Fu Z H，Gou G Q，Xiao J，et al.The effect of temperature on the SCC behavior of AISI301L stainless steel welded joints in 3.5%NaCl solution[J].International Journal of Modern Physics B，2017，31（16-19）：1744048.

[5]唐舵，王春明，田曼，等.SUS301L-HT不銹鋼激光焊接與MIG 焊接對比試驗研究[J].中國激光，2015，42（7）：90-97.

[6]陳洋，吳世凱，肖榮詩.SUS301L不銹鋼CO2激光-MIG復合焊接頭組織性能研究[J].中國激光，2014，41（1）：65-70.

[7]劉龍璽，鐘元木，馬傳平，等.地鐵用SUS301L奧氏體不銹鋼激光焊接頭殘余應力研究[J].熱加工工藝，2013，42（13）：186-188.

[8]張彥華.焊接結構原理[M].北京：航空航天大學出版社，2011.

[9]方洪淵.焊接結構學[M].北京：機械工業出版社，2008.