保護氣體對06Cr19Ni10鋼焊接接頭疲勞性能的影響

（大連交通大學材料科學與工程學院，遼寧大連116028）

0 前言

奧氏體不銹鋼因其自重輕、防腐蝕性能好、抗拉強度高、經(jīng)濟耐用、美觀安全的優(yōu)點，廣泛應用于200 km/h以下的準高速車輛[1]。采用在氬氣中加入少量活性氣體（CO2或O2）的MAG焊焊接不銹鋼，可以克服MIG和TIG焊接時陰極斑點漂移現(xiàn)象并改善焊縫成形。

車體焊接部位往往是車體結(jié)構(gòu)強度最薄弱部位，在列車服役期間容易發(fā)生疲勞斷裂失效，焊接結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性決定車體的疲勞可靠性。鐵路車輛速度的提升和運輸質(zhì)量的增加，對奧氏體不銹鋼車體焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度提出新的要求[2]。通過金相組織分析和脈動拉伸疲勞試驗，深入研究兩種保護氣氛下（φ（Ar）95%+φ（CO2）5%與 φ（Ar）97%+φ（O2）3%）06Cr19Ni10不銹鋼MAG焊對接接頭疲勞性能，為奧氏體不銹鋼MAG焊保護氣體的選擇提供理論依據(jù)。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼，焊接材料為直徑φ1.0 mm的ER308實心焊絲。試驗材料和焊接材料化學成分及力學性能分別如表1和表2所示。

表1 試驗材料和焊接材料的化學成分Table 1 Chemical composition of the experimental and welding materials %

表2 試驗材料和焊接材料的力學性能Table 2 Mechanical properties of the experimental and welding materials

1.2 試驗方法

采用MAG焊、對接方式進行焊接，焊后試板尺寸 350 mm×150 mm×3 mm，I型坡口，分別使用 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%和 φ（Ar）97%+φ（O2）3%作為保護氣體進行焊接工藝試驗。試件焊后均進行外觀（ISO17637）、滲透（ISO23277）、射線（ISO17636）檢查。要求試板平直，盡量減少變形。焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding process parameters

對焊后試板進行加工，經(jīng)過研磨、拋光后選用FeCl3溶液進行侵蝕，并在金相顯微鏡下觀察接頭的金相組織。

疲勞性能是金屬材料的重要力學性能指標，分別對兩種保護氣氛下的MAG焊接頭進行拉伸疲勞試驗。試驗設備為PLG-100型微機控制高頻疲勞試驗機，其技術規(guī)格為：靜態(tài)負荷精度±1%，動負荷平均波動度±1%，動負荷振幅波動度±2%。試驗采用的循環(huán)應力比R=0.1，指定循環(huán)壽命1×107次[3]。試驗時按常規(guī)方法進行S-N曲線測定，各S-N曲線的水平段均是通過升降法確定的指定壽命為1×107次時的中值疲勞極限強度σ0.1。加工的所有疲勞試件正反打磨，去掉余高，疲勞試件具體尺寸如圖1所示。

圖1 疲勞試驗加工件Fig.1 Work pieces of fatigue test

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 金相組織

兩種保護氣氛下的焊接接頭的顯微組織如圖2a、2b所示，兩種保護氣體下的焊縫顯微組織形態(tài)大致相同。焊縫的顯微組織基體為白色奧氏體，基體上分布黑色網(wǎng)狀和骨骼狀δ鐵素體，黑色鐵素體由共晶反應產(chǎn)生，分布在原奧氏體的胞晶或枝晶晶界[4]。通過舍夫勒圖和熔合比分析，鐵素體含量約為5%，為A-F凝固模式，少量鐵素體分布在亞晶界上，可以有效避免熱裂紋的產(chǎn)生，并提高焊縫抗晶間腐蝕和應力腐蝕的能力。熔合線顯微組織形態(tài)如圖2c、2d所示，左側(cè)為焊縫，右側(cè)為熱影響區(qū)。焊縫側(cè)奧氏體呈柱狀形態(tài)，而網(wǎng)狀和蠕蟲狀鐵素體由亞晶界向晶內(nèi)生長。熱影響區(qū)的熔合區(qū)組織是白色奧氏體基體+少量蠕蟲狀和網(wǎng)狀鐵素體，過熱區(qū)為塊狀的奧氏體+鏈狀鐵素體，鏈狀鐵素體分布在塊狀奧氏體晶界邊緣，由于焊接熱循環(huán)的影響，此處晶粒有所長大。

2.2 疲勞試驗結(jié)果及分析

圖2 焊接接頭的顯微組織Fig.2 Microscopic structure of welded joints

疲勞試件宏觀圖片如圖3所示。φ（Ar）97%+φ（O2）3%保護氣體下所有疲勞試件斷裂位置全部位于熱影響區(qū)，φ（Ar）95%+φ（CO2）5%保護氣體下疲勞試件有2個斷于母材，其他9個斷于熱影響區(qū)。裂紋都是從試件一側(cè)的邊緣啟裂，觀察金相組織可知，焊縫組織中的網(wǎng)狀鐵素體分布在亞晶界上，增大了奧氏體晶體內(nèi)部位錯密度，限制了裂紋的產(chǎn)生與擴展，且奧氏體柱狀晶生長方向與疲勞試驗施加載荷方向一致，此方向上奧氏體柱狀晶有著較好的力學性能。而過熱區(qū)晶粒較大，難以抵抗多次拉伸載荷作用，因此疲勞裂紋極易產(chǎn)生在熱影響區(qū)[5-6]。

圖3 疲勞試件宏觀圖片F(xiàn)ig.3 Macrophotograph of fatigue specimen

通過升降法確定在不同保護氣氛中06Cr19Ni10不銹鋼接頭指定壽命為1×107次循環(huán)下疲勞極限。對保護氣氛為 φ（Ar）97%+φ（O2）3%的疲勞試驗，應力水平3級，有效試樣數(shù)12個，子樣對4個；對保護氣氛為 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%的疲勞試驗，應力水平3級，有效試樣數(shù)11個，子樣對4個。兩者疲勞極限升降圖如圖4所示（×為斷裂；○為未斷裂）。

圖4 不同保護氣體下疲勞極限升降Fig.4 Fatigue limit lift figure with different protective atmosphere

由升降法計算出兩種焊接接頭的中值疲勞強度分別為

對比兩種焊接接頭脈動拉伸疲勞的中值S-N曲線，如圖5所示。兩種保護氣體下焊接接頭的疲勞強度十分接近，說明在 φ（Ar）97%+φ（O2）3%與 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%兩種保護氣體下的 MAG 焊接頭都具有良好的疲勞性能。

2.3 疲勞斷口掃描分析

圖5 不同保護氣體下疲勞中值S-N曲線對比Fig.5 Fatigue median S-N curve contrast with different protective atmosphere

采用JSM-6360LV型掃描電鏡掃描分析斷口微觀形貌，兩者的疲勞裂紋啟裂區(qū)、擴展區(qū)、終斷區(qū)的掃描照片均較為相似，以 φ（Ar）97%+φ（O2）3%的斷口形貌為例，如圖6所示。由圖6a可知，啟裂區(qū)并沒有夾雜、夾渣等焊接缺陷，有明顯啟裂源，放大啟裂區(qū)可以清晰地看到擴展紋；擴展區(qū)（見圖6c）疲勞紋清晰，疲勞紋大小隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加而增大；終斷區(qū)（見圖6d）密集分布著大量淺韌窩。

圖6 疲勞試件斷口形貌Fig.6 Fracture appearance of welding specimen

3 結(jié)論

（1）φ（Ar）97%+φ（O2）3%和 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%兩種保護氣體下接頭的焊縫基體組織均為白色奧氏體+少量黑色網(wǎng)狀和骨骼狀δ鐵素體；熔合線處焊縫組織均為白色奧氏體+黑色網(wǎng)狀和蠕蟲狀鐵素體；熱影響區(qū)組織均為塊狀黑白色相間的奧氏體和少量黑色鏈狀δ鐵素體。

（2）06Cr19Ni10不銹鋼MAG焊對接接頭指定壽命為1×107次的中值疲勞極限強度σ0.1分別為：φ（Ar）95%+φ（CO2）5%作保護氣體時為 300 MPa，φ（Ar）97%+φ（O2）3%作保護氣體時則為 302.5 MPa。二者疲勞性能十分相近。兩者疲勞試件斷口形貌表明，啟裂區(qū)無缺陷，有明顯裂紋源，擴展區(qū)疲勞紋清晰，終斷區(qū)有大量淺韌窩。

[1] 姚明哲.不銹鋼軌道車輛的特點[J].裝備機械，2015（3）：10-13.

[2] 魏小華.保護氣氛對06Cr19Ni10鋼焊接接頭組織和力學性能的影響[J].電焊機，2015，45（10）：151-153.

[3] 鈕旭晶，許鴻吉，劉春寧，等.一、二次補焊時高速列車用鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響[J].電焊機，2011，41（11）：44－46

[4]孫咸.不銹鋼焊縫金屬的組織演變及其影響[J].機械制造文摘—焊接分冊，2012（6）：6-10.

[5] 高中穩(wěn)，劉磊，李明娜，等.304不銹鋼高溫焊接殘余應力研究[J].石油化工設備，2015，44（5）：25-29.

[6]劉慶東.國產(chǎn)304鋼及其焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能研究[D].遼寧：東北大學，2009.