鐵路貨車用鐵素體不銹鋼焊接試驗(yàn)研究

王洪濤

摘要：本文焊接試驗(yàn)針對(duì)某鋼鐵（集團(tuán)）公司生產(chǎn)的TCS系列不銹鋼，采用多種實(shí)芯焊絲、藥芯焊絲和焊條進(jìn)行了焊接性試驗(yàn)，對(duì)比了不同焊接材料的接頭力學(xué)性能、金屬顯微組織和沖擊斷口形貌。

關(guān)鍵詞：鐵路貨車；鐵素體不銹鋼；焊接

1 鐵素體不銹鋼焊接特點(diǎn)

（1）鐵素體不銹鋼的鐵素體形成元素相對(duì)較多，奧氏體形成元素相對(duì)較少，材料淬硬和冷裂傾向較小。鐵素體不銹鋼在焊接熱循環(huán)的作用下，熱影響區(qū)晶粒明顯長(zhǎng)大，接頭的韌性和塑性急劇下降。熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大的程度取決于焊接時(shí)所達(dá)到的最高溫度及其保持時(shí)間，焊接高溫作用下，在加熱溫度達(dá)到1000℃以上的熱影響區(qū)特別在近縫區(qū)的晶粒會(huì)急劇長(zhǎng)大，焊后即使快速冷卻，也無(wú)法避免因晶粒粗大化引起的韌性急劇下降及較高的晶間腐蝕傾向。為此，在焊接鐵素體不銹鋼時(shí)，應(yīng)盡量采用小的線能量，即采用能量集中的方法，如小電流TIG、小直徑焊條手工焊等，同時(shí)盡可能采用窄間隙坡口、高的焊接速度和多層焊等措施，并嚴(yán)格控制層間溫度。

（2）鐵素體鋼本身含鉻量較高，有害元素碳、氮、氧等也較多，脆性轉(zhuǎn)變溫度較高，缺口敏感性較強(qiáng)。因此，焊后脆化現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

（3）在400℃～600℃長(zhǎng)時(shí)間加熱緩冷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)475℃脆化，使常溫韌性嚴(yán)重下降。在550℃～820℃長(zhǎng)時(shí)間加熱后，則容易從鐵素體中析出相，也明顯降低其塑、韌性。

（4）由于焊接熱循環(huán)的作用，一般鐵素體不銹鋼在熱影響區(qū)的高溫區(qū)產(chǎn)生敏化，在某些介質(zhì)中產(chǎn)生晶間腐蝕。焊后經(jīng)700～850℃退火處理，使鉻均勻化，可恢復(fù)其耐蝕性。

（5）普通高鉻鐵素體不銹鋼可采用焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊、埋弧焊焊等熔焊方法。由于高鉻鋼固有的低塑性，以及焊接熱循環(huán)引起的熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大和碳化物、氮化物在晶界集聚，焊接接頭的塑性和韌性都很低。在采用與母材化學(xué)成分相似的焊材且拘束度大時(shí)，很易產(chǎn)生裂紋。

2 TCS不銹鋼焊接的主要問(wèn)題

TCS不銹鋼的特點(diǎn)是Cr和Ni的含量較低，ω（Cr）=10.5%～12.5%，ω（Ni）=0.3%～1.0%，大大低于普通奧氏體不銹鋼（18-8），在不銹鋼中，成本低廉。TCS不銹鋼母材的力學(xué)性能良好，基本可以達(dá)到同強(qiáng)度級(jí)別的合金鋼或耐候鋼的標(biāo)準(zhǔn)。TCS不銹鋼焊接的主要問(wèn)題是焊接熱影響區(qū)中過(guò)熱區(qū)的晶粒粗化。其原因是該鋼種γ相溫度區(qū)間較窄，高溫仍然存在α相，并且溫度區(qū)間較寬，因此，隨著溫度的升高，α相的長(zhǎng)大傾向嚴(yán)重。粗晶區(qū)的寬度一般不超過(guò)1mm，但對(duì)焊接接頭的韌性影響很大。焊接熱影響區(qū)熔合線沖擊斷口形貌，中部較亮部分是熔合線母材一側(cè)斷口，晶粒粗大，為脆性斷裂；左側(cè)為母材，晶粒較細(xì)，有韌性特征；右側(cè)為焊縫，為韌性形貌。熔合線沖擊功與母材或焊縫相比，一般可下降50%以上。目前克服這一問(wèn)題的主要方法是減少焊接熱輸入，縮短焊接熱影響區(qū)在高溫處停留的時(shí)間，從而減小粗晶區(qū)寬度。但是，焊接熱輸入的減小對(duì)于保證焊接外觀質(zhì)量帶來(lái)一定難度，不利于焊接的成形。當(dāng)然，由于該鋼種的含碳量極低，并且冷卻時(shí)的γ相轉(zhuǎn)變量有限，因此，快速冷卻不會(huì)產(chǎn)生或硬化傾向，這一點(diǎn)又有利于小熱輸入焊接。

采用正確的焊接方法和焊接材料，對(duì)于保證該鋼種的焊接質(zhì)量極為重要，通常所用的焊接方法有氣體保護(hù)焊和焊條電弧焊，焊接材料采用奧氏體或雙相不銹鋼焊材。氣體保護(hù)焊的優(yōu)點(diǎn)是焊接速度快，

焊接效率高，熱影響也相對(duì)較小。焊接材料采用奧氏體類型，可以確保低溫時(shí)的焊縫韌性，彌補(bǔ)鑄態(tài)焊縫晶粒較粗的不足。

3 試驗(yàn)方法和結(jié)果

焊接試驗(yàn)分別采用實(shí)芯焊絲ω（Ar）97.5%+ω（CO2）2.5%氣體保護(hù)焊（MAG焊）、藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊（MAG焊）和焊條電弧焊（MMA焊）三種焊接方法，接頭形式為對(duì)接，試板厚度12mm，焊接工藝

硬度試驗(yàn)結(jié)果表明，三種焊接方法的焊接熱影響區(qū)硬度有所不同，其中電焊條下降幅度較大。焊縫硬度與母材硬度相差不大，實(shí)芯焊絲略低于母材，藥芯焊絲和電焊條略高于母材。三種焊接方法焊接接頭的拉伸和彎曲試驗(yàn)結(jié)果：抗拉強(qiáng)度Rm=450～650MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2≥345MPa（鐵道部運(yùn)裝貨車[2005]478號(hào)），d=3a，180°合格。-40℃焊縫沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)芯焊絲焊縫沖擊功較高，而藥芯焊絲和電焊條焊縫的沖擊功相對(duì)較低，其中，電焊條焊縫的沖擊功最低。三種焊材的試驗(yàn)結(jié)果均達(dá)到大于等于27J（-40℃）的母材標(biāo)準(zhǔn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果顯示，實(shí)芯焊絲采用噴射過(guò)渡時(shí)，焊接電弧較為穩(wěn)定，但由于電弧較長(zhǎng)，焊接時(shí)電弧易產(chǎn)生一定的漂移，角焊時(shí)寬度不易控制。藥芯焊絲保護(hù)氣體采用CO2，熔滴為細(xì)顆粒過(guò)渡，焊縫表面成形較好。電焊條焊接時(shí)的熔滴過(guò)渡也是細(xì)顆粒過(guò)渡，成形良好，余高較小。實(shí)芯焊絲、藥芯焊絲或電焊條三種方法比較。從焊縫力學(xué)性能上看，實(shí)芯焊絲由于焊縫夾雜物含量低，低溫韌性較好，但焊接工藝性能相對(duì)較差；從焊接工藝性能上看，藥芯焊絲由于電弧穩(wěn)定，焊縫成形較好，但夾雜物的存在，使低溫沖擊韌性下降。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）采用奧氏體焊接材料焊接TCS鐵素體不銹鋼，實(shí)芯焊絲ω（Ar）97.5%+ω（CO2）2.5%氣體保護(hù)焊（MAG焊）、藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊（MAG焊）和焊條電弧焊（MMA焊）三種方法，焊接接頭力學(xué)性能均能滿足使用要求。

（2）相比之下，實(shí)芯焊絲的焊縫的韌性較高，雖然焊接工藝性能稍差，因此更適合焊接TCS鐵素體不銹鋼。藥芯焊絲和電焊條的焊接工藝性能稍好，但焊縫的韌性處于較低水平，因此，總體性能不如實(shí)芯焊絲。

（3）焊縫斷口分析表明，實(shí)芯焊絲的焊縫夾雜物含量較低，藥芯焊絲焊縫夾雜物明顯增加，電焊條的焊縫夾雜物相對(duì)最多。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭淮北，葉曉寧，張雪峰，等.12%Cr鐵素體不銹鋼粗晶區(qū)組織轉(zhuǎn)變和晶粒長(zhǎng)大及析出相分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2011，32（6）：37-40.

（作者單位：中車齊齊哈爾車輛有限公司）