預變形對304L焊接組織的影響

吳珞菲，成 強，李鑄國

(1 上海交通大學 材料科學與工程學院，上海 200240;2 東南大學 材料科學與工程學院，南京 211189)

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預變形對304L焊接組織的影響

吳珞菲1，成 強2，李鑄國1

(1 上海交通大學 材料科學與工程學院，上海 200240;2 東南大學 材料科學與工程學院，南京 211189)

基于某汽車公司提出的曲面焊接設(shè)計需求，研究了變形對焊接組織的影響。選用熔化極氣體保護焊在奧氏體不銹鋼304L的T型接頭和變形鋼板上焊接，尋求合理的變形后焊接參數(shù)并觀察變形對焊接組織的影響。得到合理焊接參數(shù)為焊槍速率4mm/s，送絲速率2.5m/min，電壓17V。在T型和變形后焊接中，焊趾分別處于應(yīng)變?yōu)?%，30%的區(qū)域，觀察到變形后焊接件中熔化區(qū)和部分熔化區(qū)范圍減小，焊接接頭碳化物沉積和晶間鐵素體數(shù)量減小。304L變形后焊接獲得了更為均勻的接頭組織。

預變形；熔化極氣體保護焊；焊接工藝；微觀組織

某汽車公司在進行某種底盤設(shè)計時考慮在沖壓件的曲面進行焊接，曲面中心角為90°。由于沖壓過程中板料在模具里受力發(fā)生塑性變形，因而該問題轉(zhuǎn)化為研究在變形件上的焊接工藝可行性。本工作主要研究變形對材料焊接組織的影響，選取無變形焊接和變形后焊接兩種焊接接頭，觀察焊接接頭焊趾區(qū)域附近組織變化，并得出合理的變形焊接參數(shù)。

目前已有的變形件上的焊接研究僅限于反變形法，以控制焊后變形的產(chǎn)生[1,2]。例如，基于固有應(yīng)變理論下的熱彈塑性有限元模型[3,4]，Murakawa等[4]得出9mm板上單面焊接熱輸入為880J/mm的T型焊接(T-joint)中產(chǎn)生的角變形約為1.7°。基于此模型可進行預變形設(shè)計，從而達到抵消焊后變形的效果。然而本研究的變形件變形量較大，因而需要考慮塑性變形的影響。塑性變形宏觀表現(xiàn)為硬度和抗拉強度增大而疲勞性能變差，微觀表現(xiàn)為位錯密度增加。從熱力學角度來講，變形后晶粒形變能增加，故再結(jié)晶溫度降低[5,6]。

研究材料為奧氏體不銹鋼AISI 304L，耐腐蝕性、耐熱性好，低溫強度高，具備優(yōu)秀的沖壓、彎曲等加工性能，且易熱處理，適用焊接及不易熱處理的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于工作環(huán)境較為惡劣的化學、煤炭、石油等工業(yè)的野外露天機器，建材耐熱零件等[7,8]。由于其耐晶間腐蝕能力優(yōu)越，故是一種焊后不進行熱處理材料?；?04L的變形后焊接研究提出了一種焊接工藝新思路，并且有廣泛的應(yīng)用前景。

1 實驗材料與方法

1.1 焊接實驗母材

實驗母材為奧氏體不銹鋼AISI 304L，厚度3mm?；瘜W成分為0.02%(質(zhì)量分數(shù)，下同)C，17%～19%Cr，9%～11%Ni，1.0%Si，2.0%Mn，0.04%P，0.03%S，余量為Fe。其力學及物理性能見表1。母材微觀組織如圖1所示。其微觀組織由塊狀奧氏體晶粒和少量的碳化物顆粒組成，可能存在片狀馬氏體。其中奧氏體晶粒內(nèi)觀察到大量的孿晶。

表1 實驗母材力學及物理性能Table 1 Mechanical and physical properties of base metal

圖1 304L鋼板微觀組織 Fig.1 Microstructure of steel plate 304L

1.2 焊接方案

實驗采用熔化極活性氣體保護焊(Metal Active-Gas， MAG)配合焊接機器人來完成焊接，以期提高焊接效率，獲得高質(zhì)量接頭。采用焊接保護氣體為96%Ar+3%CO2+1%H2(體積分數(shù))，焊絲由Castolin Eutectic公司提供，直徑1.2mm，型號Arianox 73499-12，符合歐洲標準EN ISO 14341-A:G 46 4 M G3Si1。焊絲化學成分和力學性能見表2。

表2 焊絲化學成分和力學性能Table 2 Chemical composition and mechanical properties of the welding wire

1.3 焊前預變形的確定

本工作中定義焊前預變形量為焊點距彎板上彎折區(qū)域的距離，也稱為錯開距離，簡稱d，見圖2。彎折角度為90°。采用不同d使焊接組織處于不同應(yīng)變位置，并與未變形焊接件中的各組織區(qū)域進行對比，得出變形對其的影響，有助于提出一個較為合理的焊接工藝。

圖2 錯開距離d的示意圖Fig.2 Schema of the apart distance d

圖3 冷變形90°后真應(yīng)變曲線Fig.3 Curves of true strain on the surface after 90° cold folding

由焊接組織一般分布規(guī)律可得，熱影響區(qū)距焊縫中心約為8～10mm[9]。因此試焊時取d=5mm，預計使焊趾處于最大應(yīng)變區(qū)。

1.4 焊接工藝參數(shù)的確定

實驗方案采用無變形焊接和變形后焊接。其中無變形焊接選用T型焊接，由MAG機器人完成T型角兩道焊縫的焊接。變形后焊接如圖2所示，先在錯開區(qū)域放置d厚度的鋼板，采用MAG手焊機在T型角遠離彎折的一側(cè)進行點焊固定，后采用MAG機器人在T型角靠近彎折的一側(cè)進行連續(xù)焊接。經(jīng)試焊，又對焊縫余高、是否焊透、焊道形貌[10]評價，并觀察焊縫表面是否有裂紋、是否有咬邊等明顯缺陷，確定兩種焊接接頭的合適焊接參數(shù)，見表3。

表3 304L焊接接頭工藝參數(shù)Table 3 Welding parameters of the 304L joints

1.5 焊后實驗分析及宏觀形貌

焊接件經(jīng)砂輪機切割成小樣，經(jīng)打磨和拋光后完成樣品制備。樣品經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后在BX60金相顯微鏡下觀察組織，并在SZ51宏觀顯微鏡下拍攝宏觀形貌。宏觀形貌如圖4所示。獲得焊縫平整、無咬邊、無明顯裂紋、余高小且未焊透、表面呈微凸狀的樣品。并且在d=5mm時獲得焊趾在最大應(yīng)變區(qū)，符合設(shè)計猜想。

圖4 304L樣品的宏觀形貌 (a)T型焊縫；(b)T型截面；(c)變形后焊接焊縫；(d)d=5mm截面Fig.4 Macro morphology of 304L pieces studied (a)T-joint;(b)section of T-joint;(c)weld with a prior deformation;(d)section of d=5mm

2 結(jié)果與分析

根據(jù)公式(1)和(2)，計算304L中的鉻當量和鎳當量分別為：Creq=19.5，Creq=11.6。從舍弗勒組織圖中得出，按稀釋率為50%計算，焊縫組織鉻當量和鎳當量分別為：Creq=10.43，Nieq=7.68，處于馬氏體區(qū)。而當稀釋率減至10%以下時，其焊縫組織預測由奧氏體和鐵素體組成，無馬氏體。

Creq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb

(1)

Nieq=Ni+30C+0.5Mn

(2)

2.1 T型焊接件焊接組織

對圖4(b)中304L的T型焊接樣品第二道焊縫(右)進行微觀組織觀察，觀察位置在近焊趾區(qū)域。依此可得熔化區(qū)(Fusion Zone， FZ)、部分熔化區(qū)(Partially Melted Zone， PMZ)和熱影響區(qū)(Heat Affected Zone， HAZ)。焊接接頭組織如圖5所示。

圖5 304L的T型焊接接頭組織 (a)熔化區(qū)和部分熔化區(qū)；(b)部分熔化區(qū)；(c)熱影響區(qū)；(d)觀測位置示意圖Fig.5 Microstructure of T-joint of 304L (a)FZ and PMZ;(b)PMZ;(c)HAZ;(d)observed point shown in the macroscopy

圖5(a)的熔化區(qū)內(nèi)可觀察到三個區(qū)域，焊料區(qū)、近焊料區(qū)的類馬氏體過渡層和富碳奧氏體區(qū)，其中后兩者定義為熔化區(qū)過渡層。由于此區(qū)域中鉻鎳含量較低，且越靠近熔合線其含量越低。通過圖5推測熔化區(qū)組織由奧氏體+馬氏體或者馬氏體組成。

焊料區(qū)包含大量的焊料，與母材熔合少，主要為鐵素體和馬氏體。類馬氏體過渡層[7,11]在圖中呈寬約50μm黑色條狀，由細小的板條馬氏體、孿晶馬氏體、貝氏體和碳化物等組成。其成因有三：(1)由于焊縫和母材成分的差異，焊縫含碳量較母材高，且不含鉻不含鎳，故在熔化后形成濃度梯度，造成碳元素由焊縫向母材遷移，鎳鉻元素由母材向焊縫遷移，且文獻[5]指出碳的強烈擴散是形成該區(qū)域的根本原因；(2)該區(qū)域處于熔化區(qū)邊緣，因而高溫停留時間較短，冷卻速率較快；(3)在此區(qū)域雖然存在一定程度的母材和焊料的混合，但由于處于熔化區(qū)邊緣，液態(tài)金屬溫度較低而流動性較差，因而母材與焊料不能充分混合。由于馬氏體轉(zhuǎn)變溫度受元素含量和冷卻速率影響。隨碳含量和鎳含量增加，轉(zhuǎn)變溫度降低。而冷卻速率極大影響了馬氏體形核。故在母材和焊料區(qū)之間存在某個溫度區(qū)域，其中含某一臨界值的碳含量和鎳含量，使之達到轉(zhuǎn)變溫度發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。由文獻推測，該層中的碳化物主要是M23C6，其中M代表Cr和一小部分Fe。碳化物的沉淀主要由碳元素和鉻元素遷移形成，并且沉淀會造成周圍區(qū)域貧鉻。該區(qū)域高硬度但韌性低，容易造成構(gòu)件失效，會降低結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

富碳奧氏體層中生成枝晶間鐵素體(區(qū)域?qū)捈s120μm)。按WRC-1992舍弗勒組織圖[12]以及計算公式(3)和(4)，可得304L修正后的鉻當量和鎳當量為：Creq=18，Nieq=10.7。其中鐵素體含量預測為8%，凝固模式為鐵素體-奧氏體FA模式。然而，在此區(qū)域內(nèi)，其凝固模式為奧氏體-鐵素體AF模式。原因是：(1) 在熔化初期該區(qū)域中合金元素向焊縫遷移；(2) 馬氏體過渡層中含鉻碳化物析出導致周圍區(qū)域貧鉻；(3) 熔化初期碳濃度差引起碳擴散和馬氏體形成后期碳由馬氏體擴散到奧氏體，造成該區(qū)域富碳。三方面原因造成該區(qū)域貧鉻富碳富鎳，故有助于奧氏體初生，并在凝固過程中在晶間析出鐵素體。

Creq=Cr+Mo+0.7Nb

(3)

Nieq=Ni+35C+20N+0.25Cu

(4)

圖5(b)所示，部分熔化區(qū)由奧氏體基體和蠕蟲狀鐵素體組成(區(qū)域?qū)捈s400μm)。在熔化初期，原奧氏體局部液化，造成鉻在晶界偏析，降低了熔點從而導致晶界液化。而在凝固過程中，在晶界形成了富鉻的鐵素體。由于接近熔化區(qū)底部，在該區(qū)域中出現(xiàn)了部分的胞晶凝固現(xiàn)象。在T型焊接中，該區(qū)域?qū)挾扔删嚯x第一道焊縫的距離決定。并且由于重力作用，導致局部液化的區(qū)域在熔化過程中較易沿重力方向擴展。故在熔池底部-焊趾方向的邊緣上，蠕蟲狀鐵素體生長方向與焊縫呈一定角度。

圖6顯示在304L的T型焊接中，第一道焊縫邊緣過渡層變窄，鐵素體區(qū)變窄，熱影響區(qū)奧氏體晶粒粗大。由于第一道焊縫受第二道焊縫熱影響，重新加熱后，增加該區(qū)域高溫停留時間，使合金元素擴散更充分，增強焊縫中鎳的含量從而過渡層部分消除[5,13]。通過回火可以減少熔化區(qū)的組織缺陷，減少晶間脆相和裂紋萌生的可能。此外，相較熱影響區(qū)而言，圖5(c)熱影響區(qū)中奧氏體晶粒粗大并不明顯。

圖6 304L第一道焊道邊緣微觀組織Fig.6 Microstructure near the fusion zone of the first welded on 304L

圖7 150A熱輸入下的第二道焊縫附近微觀組織Fig.7 Microstructure of the second weld under an input energy at 150A

此外，通過對試焊樣品截面微觀組織觀察可得，在熱輸入不同的情況下，熔化區(qū)內(nèi)類馬氏體過渡層尺寸及枝晶間鐵素體區(qū)尺寸變化不明顯，而部分熔化區(qū)內(nèi)蠕蟲狀鐵素體區(qū)尺寸隨熱輸入減小而明顯減小，例如，圖7為在150A電流下焊接的樣品上的第二道焊縫的微觀組織，觀察位置與圖5(d)中相似，蠕蟲狀鐵素體區(qū)尺寸約為200μm。故可以觀察變形后焊接中熔化區(qū)過渡層尺寸是否有變化，來定性描述變形的影響。

由于在焊接過程中存在熱擴散，故各個區(qū)域中元素偏析不同造成組織不同，焊后接頭中存在較為嚴重的殘余應(yīng)力，疲勞性能較差。雖然通過焊后熱處理可以部分減少熔化區(qū)的組織差異，但是部分熔化區(qū)的鐵素體重新分解和熱影響區(qū)奧氏體晶粒粗大也引入了新的問題。

2.2 預變形焊接件焊接組織

2.2.1 預變形母材

304L母材彎折后，在彎折區(qū)宏觀表現(xiàn)出磁性。觀察到奧氏體中出現(xiàn)板條狀馬氏體，系奧氏體形變誘導馬氏體。并且形變量大的區(qū)域馬氏體含量比其他區(qū)域含量高。圖8是最大形變量區(qū)域觀察到的馬氏體。馬氏體經(jīng)形變誘導產(chǎn)生的原因可能是因為形變之后位錯堆積，進而促進馬氏體生長。

圖8 最大形變量區(qū)域觀測到的馬氏體Fig.8 Martensites observed in the area of maximum deformation

圖9 304L變形后焊接觀察位置示意圖Fig.9 Observed points shown in the macroscopy on 304L welded with a prior deformation

2.2.2 預變形焊接組織

304L變形后以d=5mm進行焊接，焊接電流為128A，小于T型焊接時焊接電流(180A)。其一側(cè)焊趾處于最大形變區(qū)，符合設(shè)計猜想。圖9為304L變形后焊接觀察位置示意圖，其中A點在無變形一側(cè)， B點在變形一側(cè)，且在最大變形區(qū)。通過A點的金相觀察，并通過與T型焊接組織對比，確定焊接電流對組織的影響。圖10是相應(yīng)觀察位置的金相組織。

圖10 304L焊趾金相組織 (d=5mm) (a)無變形一端微觀組織全貌；(b)無變形一端部分熔化區(qū)；(c)變形一端微觀組織全貌Fig.10 Microstructure in the weld toe on 304L (d=5mm) (a)full view on the side without prior deformation; (b)PMZ on the side without prior deformation;(c)full view on the side with a prior deformation

在未變形的A點(見圖10(a),(b))，觀察到熔化區(qū)中的類馬氏體過渡層和富碳奧氏體區(qū)，以及部分熔化區(qū)的蠕蟲狀鐵素體及奧氏體基體。類馬氏體過渡層尺寸約60μm，富碳奧氏體區(qū)寬約120μm，蠕蟲狀鐵素體區(qū)寬約120μm。與圖 5中區(qū)域?qū)挾葘Ρ?，前兩者尺寸變化不明顯，而蠕蟲狀區(qū)尺寸隨熱輸入減小而變小，與T型焊接接頭組織寬度分析結(jié)果相似。部分熔化區(qū)奧氏體基體上的晶間液化，在接近熱影響區(qū)并未觀察到明顯的奧氏體晶粒粗化。

在變形最大區(qū)B點(見圖 10(c))，類馬氏體過渡層碳化物沉積減少，沉積較多在靠近母材一側(cè)，可見明顯的板條狀馬氏體組織，呈白色帶狀。原富碳奧氏體區(qū)生成枝晶數(shù)減少。部分熔化區(qū)內(nèi)蠕蟲狀鐵素體沿彎折方向生長，且觀察不到明顯的粗化奧氏體晶粒。類馬氏體過渡層尺寸變化不明顯，寬約50μm，原富碳奧氏體層和蠕蟲狀鐵素體區(qū)尺寸減小，寬分別約50μm和80μm。

2.3 預變形對焊接組織的影響

由未變形焊接件和變形后焊接件各區(qū)域現(xiàn)象對比可得，焊接后，預變形區(qū)域和未變形區(qū)域有相同的組織出現(xiàn)：熔化區(qū)中的類馬氏體過渡層和富碳奧氏體層、部分熔化區(qū)中的奧氏體基體、蠕蟲狀鐵素體區(qū)和熱影響區(qū)。但在焊前預變形區(qū)域，原富碳奧氏體層和蠕蟲狀鐵素體區(qū)尺寸減小，前者區(qū)域內(nèi)枝晶數(shù)減小，后者生長沿彎折方向。類馬氏體過渡層雖然寬度變化不明顯，但其中碳化物沉積減小，較多集中在靠近母材一側(cè)。熱影響區(qū)中均觀察不到明顯的奧氏體晶粒粗化。

雖然在預變形母材中觀察到馬氏體組織，但由于馬氏體受熱易分解，故在本課題中不討論其對變形后焊接組織的可能影響。

由文獻[14]可得，對于不銹鋼，其具有較低的堆垛層錯能，較高的冷加工程度易造成在滑移面上的位錯堆積，位錯密度的增加使合金元素擴散速率增大，因而在一定區(qū)域內(nèi)鉻鎳元素呈現(xiàn)均質(zhì)化。因而在變形后焊接時：(1) 對于類馬氏體過渡層，在具有相同冷卻速率和碳鎳元素含量的凝固區(qū)域內(nèi)，鉻元素含量比無變形焊接時低，所以碳化物沉積率減小，并較多出現(xiàn)在靠近母材一側(cè)；(2) 在原富碳奧氏體區(qū)，變形后焊接時合金元素的均質(zhì)化使此處鎳鉻元素含量均比無變形焊接時低，且鎳元素含量減小幅度更大，故凝固模式有由奧氏體-鐵素體AF模式向共晶轉(zhuǎn)變的趨勢，因而區(qū)域內(nèi)枝晶數(shù)減少；(3) 對于蠕蟲狀鐵素體區(qū)，由于位錯沿彎折方向堆積，使鉻元素在部分熔化區(qū)擴散受阻并在位錯處堆積，造成沿彎折方向的晶間液化，故在凝固時表現(xiàn)為沿此方向的蠕蟲狀鐵素體生長。位錯堆積造成鉻元素擴散受阻，使其擴散路徑變短，因而該區(qū)域?qū)挾葴p小。此外，該區(qū)域的減小表示晶間液化比例降低，從而降低了結(jié)晶裂紋的可能性。而奧氏體區(qū)域?qū)挾葴p小的可能原因是彎折后熔覆面積變大造成熔化區(qū)液體流動性變大，與母材混合更充分，使奧氏體區(qū)寬度減小。

3 結(jié)論

(1)304L變形后焊接件中可使用的MAG焊接參數(shù)為焊槍速率4mm/s，送絲速率2.5m/min，電壓17V，可獲得平整、無明顯缺陷、余高小且焊透的焊縫。

(2)在采用焊絲Castolin Eutectic Arianox 73499-12焊接樣品中，無變形焊接接頭在熔化區(qū)出現(xiàn)了過渡層：類馬氏體過渡層和奧氏體區(qū)，部分熔化區(qū)出現(xiàn)蠕蟲狀鐵素體，熱影響區(qū)奧氏體未見明顯粗化。過渡層中組織不同造成性能差異，疲勞性能較差，此區(qū)域有較大的安全隱患。對比同一T型試焊樣品的兩道焊縫，得出焊后熱處理可以減小熔化區(qū)尺寸。對比不同焊接參數(shù)下的T型試焊樣品，得出部分熔化區(qū)內(nèi)蠕蟲狀鐵素體區(qū)尺寸隨熱輸入減小而明顯減小，而熔化區(qū)內(nèi)過渡層尺寸變化不明顯。

(3)在變形后焊接接頭中觀察到類似的微觀組織，但是有明顯區(qū)別：熔化區(qū)過渡層寬度減小，其表現(xiàn)為奧氏體區(qū)寬度減小，并且類馬氏體過渡層中碳化物沉積減少，奧氏體區(qū)中枝晶數(shù)減少；部分熔化區(qū)寬度減小，即蠕蟲狀鐵素體區(qū)寬度減小，且其生長方向沿彎折方向。結(jié)合各組織形貌的成因和變形影響，得出其主要成因是位錯堆積造成合金元素擴散速率增大，從而使各焊接組織區(qū)域變窄。

(4)在304L應(yīng)變30%的焊接件中，相對于無應(yīng)變焊接時，熔化區(qū)和部分熔化區(qū)寬度減小，碳化物沉積和鐵素體沉積減少，焊接接頭組織更為均勻，證明了變形件上焊接的可行性。

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(本文責編：解 宏)

Effect of Prior Deformation on Welding Microstructure of Steel 304L

WU Luo-fei1，CHENG Qiang2，LI Zhu-guo1

(1 School of Materials Science and Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;2 School of Materials Science & Engineering,Southeast University,Nanjing 211189,China)

This subject was raised by an automotive company. Based on the welding design on the curved surface, the effect of prior deformation on the weld structure was studied. Metal active-gas welding was used on the T-joint and pre-deformed plates of austenitic stainless steel 304L to find the proper welding parameters and observe the effect of prior deformation on the microstructure. The proper parameters acquired are: the speed of the torch is 4mm/s, the speed of delivery of welding wire is 2.5m/min and the voltage is 17V. In the T-joint and pre-deformed joint, the weld toes are in the zone with strain of 0% and 30%. In the pre-deformed welding specimen, it was observed that the fusion zone and partially melted zone are narrowed, carbide precipitation and ferrites are found less. In all, the microstructure in the pre-deformed weld joints on 304L is more uniform.

prior deformation；metal active-gas；welding process；microstructure

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000051

TG457.11

A

1001-4381(2017)01-0007-07

2015-01-10；

2016-04-20

李鑄國(1972—)，男，教授，博士生導師，從事專業(yè)為激光焊接與表面工程，聯(lián)系地址：上海市閔行區(qū)東川路800號上海交通大學材料學院E樓203室(200240)，E-mail: lizg@sjtu.edu.cn