焊接修復對鐵素體不銹鋼焊接接頭組織和性能的影響

劉琦，張堯，陳增有，馬清波，許鴻吉

(1.中國北車集團 齊齊哈爾車輛(集團)有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002;2.大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

鐵道車輛的輕量化是鐵道運輸現(xiàn)代化的中心議題之一.以1.4003、T4003為代表的新型鐵素體不銹鋼以其成本低廉，并具有明顯減輕車輛自重、延長車輛壽命、降低車輛的維修成本等優(yōu)點［1-2］，在國內(nèi)外的重載鐵路貨車上得到了廣泛應用.然而，由于鐵素體不銹鋼存在固有的晶粒長大敏感性，其焊接性能相對較差，給車輛的焊接生產(chǎn)帶來了一定困難［3-7］.深入研究焊修工藝及焊修次數(shù)對焊接接頭組織和性能的影響，確定合理的焊修工藝和焊修次數(shù)對我國鐵道車輛的制造水平、降低生產(chǎn)成本都具有十分重要的現(xiàn)實意義.

本文通過拉伸、彎曲、沖擊、金相與硬度試驗對不同焊修次數(shù)的T4003鐵素體不銹鋼焊接接頭的組織與性能進行了研究，確定多次修復對鐵素體不銹鋼焊接接頭組織和性能的影響規(guī)律，為實際生產(chǎn)提供依據(jù).

1 試驗材料及試樣制備

1.1 試驗材料

試驗材料為T4003鐵素體不銹鋼熱軋鋼板，焊接材料為Φ1.2 mm的ER-308L焊絲.化學成分及力學性能如表1所示［8］.

表1 試驗材料的化學成分與力學性能

1.2 試樣制備

采用熔化極混合氣體保護焊(GMAW)多層多道焊接，保護氣體為97%Ar+3%CO2，對接試板單面開60°V型坡口，尺寸均為300 mm×200 mm×6 mm，坡口間隙1～2 mm.焊后試件均進行X射線探傷.焊修時采用機械加工的方法將原有的焊縫剔除，距熔合線約留1 mm的余量.焊接工藝參數(shù)如表2所示.

表2 焊接工藝參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析討論

2.1 拉伸試驗

對不同焊修次數(shù)的T4003鐵素體不銹鋼焊接接頭進行室溫拉伸試驗.試驗按GB/T 2651－2008《焊接接頭拉伸試驗方法》和GB/T 228－2002《金屬材料－室溫拉伸試驗方法》，在島津電子萬能試驗機AG－IC上進行，其最大載荷為100 kN，速度為5 mm/min.試驗結(jié)果如表3所示，可以看出:不焊修、焊修一次、焊修二次試件的抗拉強度平均值分別為533、540、586 MPa，大于母材的抗拉強度下限值480 MPa，均滿足ISO 15614－1標準的要求.且隨著焊修次數(shù)的增加，T4003鐵素體不銹鋼焊接接頭的抗拉強度和屈服強度有所增加.

表3 焊接接頭拉伸試驗結(jié)果

2.2 彎曲試驗

對不同焊修次數(shù)的T4003鐵素體不銹鋼焊接接頭進行彎曲試驗.試驗按GB 2653－89《焊接接頭彎曲及壓扁試驗方法》和GB 232《金屬彎曲試驗方法》，在WAE-300液壓試驗機上進行，試驗分為面彎與背彎.彎曲試驗結(jié)果如表4所示，焊接接頭面彎、背彎180°時均未出現(xiàn)裂紋，表明焊接接頭彎曲性能良好.

表4 焊接接頭彎曲試驗結(jié)果

表4 焊接接頭彎曲試驗結(jié)果(續(xù)表)

2.3 沖擊試驗

對不同焊修次數(shù)的T4003鐵素體不銹鋼焊接接頭分別進行了室溫和－40℃沖擊試驗.試驗按GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》，在JB—300B 300/150沖擊試驗機上進行.沖擊試件缺口位置的確定按GB/T 2649—1989《焊接接頭機械性能試驗取樣方法》的規(guī)定進行，缺口分別開在焊縫、熱影響區(qū)和母材.沖擊功的平均值如表5所示，可以看出:焊修次數(shù)與試驗溫度對T4003鐵素體不銹鋼焊接接頭焊縫的沖擊性能影響不大;隨著試驗溫度的降低，母材的沖擊性能有所降低，熱影響區(qū)的沖擊性能明顯下降.焊修次數(shù)對焊接接頭熱影響區(qū)沖擊性能的影響規(guī)律不明顯，這可能與所開缺口的位置不同有關(guān).

表5 焊接接頭沖擊試驗結(jié)果 Akv/J

2.4 金相組織分析試驗

不同焊修次數(shù)T4003鐵素體不銹鋼焊接接頭經(jīng)加工、打磨、拋光后，使用氯化鐵飽和鹽酸溶液腐蝕［9］，并在BX51M型光學顯微鏡下觀察焊縫、熱影響區(qū)和母材的顯微組織形態(tài)如圖1所示.可以看出不同焊修次數(shù)T4003鐵素體不銹鋼焊接接頭焊縫的顯微組織(如圖1(a)所示)為奧氏體+δ鐵素體;熔合區(qū)顯微組織(如圖1(c)、1(d)、1(e))所示，圖中左側(cè)為焊縫，中間為粗晶區(qū)，右側(cè)為細晶區(qū))為鐵素體+馬氏體，且晶粒粗大;母材的顯微組織(如圖1(b)所示)為塊狀鐵素體，沿軋制方向成條狀分布.

圖1 焊接接頭顯微組織形貌

使用比較法測量T4003鐵素體不銹鋼對接接頭粗晶區(qū)的晶粒度，使用弦計算法測量馬氏體含量［10］，結(jié)果如表6所示，可以看出:焊接修復對粗晶區(qū)寬度、晶粒度與馬氏體含量的影響不大.

表6 焊接接頭粗晶區(qū)組織分析結(jié)果

2.5 硬度試驗

根據(jù)GB/T 4342—1991《金屬顯微維氏硬度標準》，在MicroHardness Tester FM-700型顯微硬度儀上分別測定了不同焊修次數(shù)焊接接頭(包括母材和熱影響區(qū))的維氏硬度分布，試驗載荷為200 gf，加載時間為15 s.焊接接頭硬度曲線如圖2所示，可以看出:不同焊修次數(shù)T4003鐵素體不銹鋼對接接頭焊縫的顯微硬度相近，約在200～250 HV之間;母材的顯微硬度大致相同，均在180～220 HV之間;焊接修復對熱影響區(qū)顯微硬度的影響不大:不焊修試件熱影響區(qū)顯微硬度約在280～340 HV之間;焊修一次試件熱影響區(qū)顯微硬度約在230～350 HV之間;焊修二次試件熱影響區(qū)顯微硬度約在250～310 HV之間.

圖2 焊接接頭硬度曲線

3 結(jié)論

(1)焊修一、二次對T4003鐵素體不銹鋼焊接接頭的抗拉、彎曲和沖擊性能均影響不大;

(2)不同焊修次數(shù)T4003鐵素體不銹鋼焊接接頭焊縫的顯微組織為奧氏體+δ鐵素體;熔合區(qū)的顯微組織為鐵素體+馬氏體，晶粒粗大;母材的顯微組織為塊狀鐵素體，沿軋制方向成條狀分布.焊接修復對焊接接頭的粗晶區(qū)寬度、晶粒度與馬氏體含量的影響不大;

(3)不同焊修次數(shù)T4003鐵素體不銹鋼對接接頭焊縫的顯微硬度相近，母材的顯微硬度大致相同，焊接修復對T4003鐵素體不銹鋼熱影響區(qū)顯微硬度的影響不大.

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