鐵素體不銹鋼CMT焊接接頭HAZ組織性能研究

賀舒榕，王文先，張婷婷，張昭晗

（1.太原理工大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024；2.太原城市職業(yè)技術學院，山西 太原 030027）

0 引言

與奧氏體不銹鋼相比，由于鐵素體不銹鋼不含或少含金屬Ni、Mo等價格昂貴的金屬而被逐步推廣應用。4003鐵素體不銹鋼是近年來研發(fā)出的一種超低碳、低鉻的經(jīng)濟型鐵素體不銹鋼。然而與奧氏體不銹鋼相比，鐵素體不銹鋼在焊接熱作用下晶粒極易長大，特別是接頭的HAZ（Heat Affect Zone，熱影響區(qū)）組織，從而易導致接頭的性能下降，尤其是沖擊韌性下降明 顯［1－3］。 冷 金 屬 過 渡 技 術 CMT （Cold Metal Transfer）具有熱輸入量小、無飛濺、焊接速度快、焊接質量好、焊接變形小、焊縫均勻一致等優(yōu)點［4］。因此，本文將CMT技術應用于4003鐵素體不銹鋼的焊接，并與常規(guī) MIG（Metal Inert－Gas Welding，熔化極惰性氣體保護焊）焊接頭對比，分析了接頭的成形性能、顯微組織、顯微硬度和HAZ沖擊性能，為該鋼種的實際生產(chǎn)應用提供理論依據(jù)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本文選取4003鐵素體不銹鋼板材作為試驗材料，試樣規(guī)格為200mm×100mm×6mm，填充材料選用直徑1.2mm的ER309L焊絲。4003鐵素體不銹鋼母材顯微組織見圖1，母材和填充材料的主要化學成分見表1，室溫力學性能見表2。

1.2 試驗方法

分別采用CMT和常規(guī)MIG焊工藝焊接。對接試樣加工成60°的X型坡口，保護氣體為99.99%（體積分數(shù)）的純氬，氣體流量為15L／min。通過優(yōu)化，最后采用的焊接工藝參數(shù)見表3。

2 試驗結果與討論

2.1 宏觀形貌分析

CMT和MIG焊試樣宏觀形貌如圖2所示。對比圖2（a）和圖2（b）可知，CMT試樣成形、外觀形貌均優(yōu)于MIG焊試樣。

圖1 4003鐵素體不銹鋼母材顯微組織

表1 母材和填充材料的化學成分（質量分數(shù)） %

表2 母材和填充材料室溫力學性能

表3 焊接工藝參數(shù)

2.2 顯微組織分析

分別截取CMT和MIG焊接頭試樣制備金相試樣，在金相顯微鏡下觀察，得到如圖3所示的結果。分析可知，接頭HAZ又可分為明顯的兩個區(qū)，即由粗大鐵素體組織和馬氏體組織組成的高溫熱影響區(qū)和細小鐵素體組織和馬氏體組織組成的低溫熱影響區(qū)。焊接接頭HAZ的寬度雖窄，但是對接頭性能卻起著至關重要的作用，尤其是高溫熱影響區(qū)［5］；CMT和MIG焊接接頭試樣的 HAZ寬度分別約為1.6mm和2.1 mm，其中高溫熱影響區(qū)（即粗晶區(qū)）寬度分別約為460 μm和545μm。

圖2 焊后試樣宏觀形貌

圖3 HAZ顯微組織

2.3 顯微硬度分析

分別對CMT和MIG焊接頭試樣進行維氏硬度測試，得到如圖4所示的曲線。由圖4可知，兩種工藝下的接頭顯微硬度相差不大；CMT焊接試樣顯微硬度值略高于MIG焊接試樣，這是因為CMT工藝的熱輸入較小，冷卻速度較快，形成的馬氏體數(shù)量較多；母材的顯微硬度值最低，這是因為母材的組織以鐵素體為主，而焊縫和熱影響區(qū)均存在一定數(shù)量的馬氏體組織。又因為材料的硬度值在一定程度上可以反映其強度，因此，兩組工藝接頭的強度相近。

2.4 沖擊試驗分析

分別截取CMT和MIG焊接試樣，根據(jù)國標制備1／2沖擊試樣，試樣尺寸為：5mm×55mm×10mm，沖擊試驗在室溫下進行。缺口均開在接頭的HAZ部位，兩種工藝接頭均在同等條件下做3組試樣，沖擊試驗結果見表4。由表4可知，采用CMT焊試樣的平均沖擊吸收功為70.0J，比MIG焊試樣的60.2J提高了16.28%。這主要是由于CMT焊工藝的熱輸入較MIG焊工藝的熱輸入小，接頭熱影響區(qū)的粗晶區(qū)晶粒尺寸較小，且粗晶區(qū)寬度較窄，沖擊斷裂過程中吸收的能量較大，即沖擊吸收功較大。

3 結論

（1）CMT和MIG焊接頭HAZ室溫組織組成相同，均為鐵素體和馬氏體的混合組織；CMT焊接頭的HAZ粗晶區(qū)寬度為460μm，明顯窄于MIG焊接頭的粗晶區(qū)寬度545μm。

圖4 焊接接頭顯微硬度分布曲線

表4 沖擊試驗結果

（2）CMT和MIG焊兩種工藝下接頭的顯微硬度曲線變化趨勢相同，兩者硬度值也相近，即接頭的強度相近。

（3）CMT焊接頭HAZ試樣的平均沖擊吸收功較MIG焊接頭試樣提高了16.28%。

［1］ 國旭明，柳春恕，袁進偉.鐵素體不銹鋼TIG焊接頭組織與性能研究［J］.航空材料學報，2011，31（3）：56－59.

［2］ Elsam Ranjbarnodeh，Stefanie Hanke.Effect of welding parameters on the heat－affected zone of AISI409ferritic stainless steel［J］.International Journal of Minerals Metallurgy and Materials，2012，19（10）：923－929.

［3］ 張志昌.德國40 03鐵素體不銹鋼的焊接［J］.電焊機，2008，30（11）：42－44.

［4］ 張滿，李年蓮，呂建強，等.CMT焊接技術的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.焊接，2010（12）：25－27，32.

［5］ 趙雯雯，許鴻吉，謝明，等.1.4003鐵素體不銹鋼焊接接頭的組織和力學性能［J］.大連交通大學學報，2009，30（6）：35－38.