铁素体不锈钢的焊接方法与应用研究

铁素体不锈钢的焊接方法与应用研究

吕尔静、张彦辉、牛旭静、陈丽媛、苗佳

（河北唐山）

0 前言

1.4003铁素体不锈钢仅含少量镍，是一种超低碳经济型不锈钢。该钢具有中等耐蚀性、中等强度、耐磨性好、成本低。作为车体材料在我国轨道交通行业得到广泛应用[1-2]。然而，铁素体不锈钢具有固有的晶粒生长敏感性。过热区晶粒的快速长大会引起接头脆化，给铁素体不锈钢车体的制造和焊接维修带来一定的困难[3]。目前，铁素体不锈钢的焊接方法除MAG、TIG、PAW外，还有冷金属过渡焊接技术(Cold Metal，以下简称CMT)，它是一种改进的气体保护金属极电弧焊，因为熔滴时的电流转移几乎为0。焊接热输入大大减少，飞溅少，焊接速度快。也逐渐用于铁素体不锈钢的焊接。本研究对MAG、TIG、PAW和CMT焊接接头进行了常规力学性能试验和金相组织分析，系统比较了采用上述四种焊接方法的1.4003铁素体不锈钢的接头性能。用于我国铁道车辆的制造和焊接。维修提供了一定的理论参考依据。

1 试验材料和方法 1.1 试验材料和焊接工艺

测试材料为1.4003铁素体不锈钢（EN 10088），尺寸为300 mm × 150 mm × 3 mm。 PAW采用双面焊接，无需添加焊丝； TIG、MAG、CMT采用单层焊接，并使用ER308（AWS）奥氏体不锈钢焊丝，以获得高抗裂性的焊缝。 MAG和CMT使用φ(Ar)97%+φ(O2)3%保护气体，PSW和TIG的保护气体为纯氩气。所有接头坡口均采用I型对接坡口，PAW双面焊时不留坡口间隙。试验材料及焊丝化学成分见表1，力学性能见表2，焊接工艺参数见表3，对接接头坡口见图1，焊接工艺参数见表3。 1.4003铁素体母材的显微组织如图2所示。

表1 试验材料及焊丝主要化学成分表1和焊丝%

表2 试验材料及焊丝力学性能

表3 焊接工艺参数表3

对接连接图（tPAW 中无间隙）

图2 母材显微组织图2 母材

1.2 测试方法

焊接后，各焊接接头的外观、渗透、射线探伤应按有关标准进行。每一个通过无损检测的焊接接头均应按照《金属材料焊缝破坏性试验-横向拉伸试验》和《金属材料焊缝破坏性试验》WDW上进行拉伸试验和弯曲试验-300KN万能试验机。金相试样经研磨抛光后，用FeCl3溶液进行腐蚀，并在金相显微镜下观察接头各区域的显微组织。根据GB/T4340.1-2009《金属材料维氏硬度试验》，采用FM-700显微硬度计测量各接头的显微维氏硬度。

2 试验结果与分析 2.1 拉伸性能

各焊接接头拉伸试验结果如表4所示。按照-1：2004《金属材料焊接工艺评定-焊接工艺评定第一部分：钢的电弧焊和气焊、镍及镍合金的电弧焊》 ，焊接接头的抗拉强度不应低于母材抗拉强度的下限值。 1、4003铁素体不锈钢抗拉强度下限为，各接头抗拉强度均符合标准。横向比较焊接接头，CMT接头的拉伸性能更好。这是因为CMT具有很强的焊接桥接能力。撤回焊丝以促进熔滴的转移。焊丝断丝很少，热输入小，焊缝均匀。 [4]。试样 C-1-2 在强度较高的母材中断裂，显示出 CMT 接头焊缝和热影响区优异的拉伸性能。 MAG接头由于采用线能量输入小、焊接速度快、断裂位置位于热影响区结合面而具有良好的拉伸性能。 PAW双面焊接头抗拉强度最低，整个焊接过程热输入量大，过热区是接头最薄弱的区域，而TIG焊速度最慢，热输入量最大。最大，熔化宽度大，焊缝处接头断裂。

表4 拉伸试验结果 试验表4

2.2 弯曲性能

根据-1标准，对于伸长率大于（或等于）20%的基材，压头直径应为试样厚度的4倍。本次测试的压头直径为 12 mm。从每种焊接方法的接头处取2个面弯试样和2个背弯试样。 180°弯曲试验后，所有试件均未发现裂纹，表明这4个焊接接头塑性指标合格，所有接头均具有良好的弯曲性能。

2.3 微观结构

各焊接接头的显微组织如图3所示。从焊缝组织的比较来看，图3a显示了MAG接头的焊缝区域。组织为大量纵横交错的黑色针状铁素体，基底为白色奥氏体。焊缝凝固时的初始析出相为针状铁素体，它沿原奥氏体晶界形核，并在原奥氏体晶界内生长。由于MAG焊速度快，奥氏体晶粒长大方向向温度梯度方向转变，呈柱状晶形态，针状铁素体具有互锁结构，能很好地阻止裂纹扩展，MAG焊缝具有良好的焊接性能。良好的机械性能。 [5]。图3c显示了CMT接头的焊缝区域。组织为大量致密骨架和网状铁素体，基体也是白奥氏体。铁素体组织分布更加均匀。图3e显示了PAW接头的焊接区域。组织为粗大的铁素体晶粒，晶粒尺寸为2～3级。这是因为PAW是双面焊，总热输入较大，焊缝区反复加热，导致铁素体体情况更为严重。成长。 PAW不填焊丝，因为它熔深大，可以直接焊穿薄板。但焊缝中的铁素体晶粒会过热并严重长大。因此，不宜采用双面焊的PAW方法而不添加焊丝来焊接1.4003铁氧体。不锈钢板。图3g显示了TIG接头的焊接区域。组织为黑色针状、条状铁素体和白色奥氏体。 TIG 的大量热量输入导致更多的母材熔化到熔池中。熔池中铁素体形成元素Cr含量增加，焊缝铁素体含量增加。同时，焊接速度慢导致奥氏体晶粒变粗。

图3 焊接接头显微组织图3

从热影响区组织对比来看，MAG、CMT、PAW、TIG热影响区的组织形貌均为块状铁素体和少量边界奥氏体（见图3b、图3d、图3f） ，图3h），虽然这些焊接方法的热输入不同，但各接头热影响区的铁素体晶粒尺寸相差不大，表明铁素体热影响区的生长趋势非常敏感。 PAW热影响区晶粒不像焊缝中心那样粗大，晶粒尺寸为4～5级。由于MAG、CMT、TIG接头表面两侧的基体组织和晶粒取向焊缝不一致，焊缝中奥氏体晶粒呈柱状排列，热影响区铁素体晶粒受热长大，且块状，无明显方向性。异质焊接接头接合面两侧的结构差异导致性能差异，这是拉伸试验中试件沿接合面断裂的原因之一。

2.4 硬度测试

四种焊接接头的硬度分布如图4所示。MAG接头焊缝硬度为300～312 HV，TIG接头焊缝硬度为283～311 HV，CMT焊缝硬度为238～265HV。 PAW焊缝硬度为198~203HV。 PAW未填充焊接材料，焊缝组织为块状铁素体，其硬度不如其他三类接头； MAG、CMT、TIG三种接头的硬度值均在靠近熔合线的粗晶区下降。这表明它是由铁素体晶粒粗化引起的。 PAW热影响区硬度保持稳定上升趋势。与焊缝相比，从热影响区到母材的晶粒逐渐细化，强度逐渐增大。 1.4003铁素体母材硬度为200~210HV，比较稳定。从过热区到母材，这四种接头的硬度分布基本遵循从低到高的规律。

图4 接头硬度分布图4 测试

3 结论

（1）3mm 1.4003铁素体不锈钢的MAG、CMT、PAW、TIG对接接头的拉伸强度均符合相关标准。拉伸试样的断裂位置大部分位于过热粗晶区。弯曲试验无裂纹。接头具有良好的拉伸、弯曲等机械性能。

(2)MAG、CMT、TIG接头焊缝组织为白色奥氏体基体上分布的黑色骨架或板条铁素体。由于PAW没有填充焊接材料，焊缝组织晶粒尺寸为2~3级块状铁素体和少量晶界奥氏体； MAG、CMT、TIG接头过热区组织为粗大块状铁素体，晶粒尺寸为2～3级，PAW接头过热区组织为块状铁素体，晶粒尺寸4～5级。

(3)硬度测试结果表明，MAG、CMT和TIG采用奥氏体不锈钢焊丝形成铁素体+奥氏体异质焊缝，具有较好的强度和硬度。从过热区到母材，随着晶粒尺寸由粗到细的变化，各接头的硬度分布呈现由低到高的规律。 1.4003铁素体不锈钢晶粒粗化对热影响区的强度和硬度产生负面影响。不良影响。

参考：

[1] 张志昌.德国4003铁素体不锈钢的焊接[J].电焊机，2008，38（11）：42-54。

[2]石庆，王志斌，王文贤，等。铁素体不锈钢/奥氏体不锈钢焊接接头的组织与性能 [J].材料热处理学报，2014，35（3）：143-148。

[3] 张耀，陈增友，马庆波，等。焊补对铁素体不锈钢焊接接头疲劳性能的影响[J].热处理技术，2013，42（3）：186-188。

[4]王孟牛.钢车身的研究[J]., 2014 (936): 1769-1774.

[5]孙贤.不锈钢焊缝金属显微组织演变及影响[J].机械制造文摘-焊接卷，2012（6）：6-10。