熱輸入對T4003不銹鋼MAG焊接頭組織及性能的影響

向登勇 肖琳嶸 邵丹丹 趙明劍 邸赫

摘要： ?通過力學(xué)性能試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)等測試手段對不同熱輸入下的 T4003不銹鋼的MAG焊接頭進(jìn)行觀察和分析。結(jié)果表明，兩種熱輸入下的拉伸試板斷裂于母材，熱輸入為0.73 kJ/mm的焊接接頭力學(xué)性能要明顯優(yōu)于熱輸入為0.93 kJ/mm的焊接接頭。兩種焊接熱輸入下的過熱區(qū)組織均為馬氏體+鐵素體，正火區(qū)組織均為馬氏體+鐵素體， 不完全正火區(qū)組織為鐵素體。熱輸入為0.73 kJ/mm的過熱區(qū)組織晶粒度約為4級，而熱輸入為0.93 kJ/mm的過熱區(qū)組織晶粒度約為2.5級。

關(guān)鍵詞： ?熱輸入;鐵素體不銹鋼;組織;性能

中圖分類號： TG 406

Effect of heat input on microstructure and properties of T4003stainless steel MAG welded joint

Xiang Dengyong 1， Xiao Linrong 1， Shao Dandan 1， Zhao Mingjian 2， Di He 2

（1. Guangzhou Huangpu Shipbuilding Marine Engineering Company Limited， Guangzhou 511462， China; 2. Harbin Welding Institute Limited Company， Harbin 150028， China）

Abstract： ?The MAG welded joint of T4003 stainless steel with different heat input was observed and tested by mechanical property test and metallographic analysis. The results show that the mechanical properties of the welded joint with 0.73 kJ/mm heat input are better than those of the welded joint with 0.93 kJ /mm heat input. Microstructure of the overheated zone under two kinds of welding heat input is martensite + ferrite，? microstructure of the normalized zone is martensite + ferrite， and microstructure of the? incomplete normalized zone is ferrite. The difference of grain size is as follows， the grain size of the overheated zone with 0.73 kJ /mm heat input is about level 4， and that of the overheated zone with 0.93 kJ/mm heat input is level 2.5.

Key words： ?heat input; ferritic stainless steel; microstructure; performance

基金項(xiàng)目：? 能源裝備先進(jìn)焊接技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資金支持（201910312）

0 前言

目前，鐵素體不銹鋼是一種超純低碳低鉻經(jīng)濟(jì)型鐵素體不銹鋼（12%Cr鐵素體不銹鋼），具有優(yōu)良的耐氯化物腐蝕性能、耐高溫氧化性能和熱疲勞性能 [ 1-2 ]，已被廣泛應(yīng)用于鐵路車輛中。T4003不銹鋼具有超純、細(xì)晶粒以及微合金強(qiáng)化等特性，其化學(xué)成分中雜質(zhì)元素得到了有效控制 [ 3-4 ];與其它耐候鋼等鋼種相比，該鋼種具有良好的耐大氣腐蝕性能，從而具有較長的使用壽命，同時(shí)其生產(chǎn)與維護(hù)成本較低，易于實(shí)現(xiàn)輕量化。不同于單相鐵素體不銹鋼， T4003不銹鋼在焊接熱加工過程中存在相變區(qū)域，其焊接熱影響區(qū)晶粒長大和強(qiáng)度較低等問題得到一定緩解。該鋼種的焊接熱影響區(qū)由鐵素體、低碳馬氏體以及碳、氮化物組成的粗細(xì)晶粒區(qū)構(gòu)成 [ 5-6 ]，其中焊接熱影響區(qū)晶粒粗大區(qū)的性能與該區(qū)鐵素體晶粒尺寸和馬氏體含量有關(guān)。

T4003不銹鋼的焊接接頭是整個(gè)構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)，接頭部位的焊縫可通過改善填充金屬保證其性能，焊接熱影響區(qū)性能則成為影響構(gòu)件安全使用的關(guān)鍵因素 [ 7-9 ]。為了鐵素體不銹鋼的推廣和使用，焊接熱影響區(qū)（HAZ）的晶粒長大機(jī)制、力學(xué)性能問題一直是尚需深入研究的重中之重 [ 10-12 ]。文中對 T4003不銹鋼進(jìn)行不同熱輸入下MAG焊試驗(yàn)，系統(tǒng)研究焊接熱影響區(qū)的組織演變、力學(xué)性能特點(diǎn)，為其在鐵路車輛的廣泛應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐 [ 13-17 ]。

1 試驗(yàn)材料方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用T4003不銹鋼板材由鞍鋼聯(lián)眾（廣州）不銹鋼有限公司提供，厚度均為6 mm。試驗(yàn)用T4003不銹鋼板材化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2，檢驗(yàn)結(jié)果均符合TB/T 3462—2016《鐵道貨車用不銹鋼鋼板（帶）》中對其要求。焊接試驗(yàn)選用直徑為1.2 mm的ER308LSi-G奧氏體不銹鋼焊絲，其化學(xué)成分見表1，符合TB/T 2374—2008《鐵道車輛用耐大氣腐蝕鋼及不銹鋼焊接材料》中技術(shù)要求。圖1為T4003不銹鋼母材組織，為鐵素體組織。

1.2 焊接工藝試驗(yàn)

采用MAG焊工藝方法進(jìn)行焊接，對接焊試板尺寸為400 mm×150 mm×6 mm。根據(jù)前期鐵素體不銹鋼焊接試驗(yàn)研究成果，設(shè)計(jì)對接焊試板坡口為60° V形坡口，根部保持一定間隙，保證背面焊透成形。圖2為對接試板坡口示意圖。試驗(yàn)編號1為兩層兩道焊，編號2為單層單道焊，具體焊接工藝參數(shù)見表3。

1.3 試驗(yàn)方法

對焊接接頭進(jìn)行解剖，焊接接頭性能試樣尺寸、取樣方法和試驗(yàn)方法參照GB/T 25774.2—2016《鋼的單面單道焊和雙面單道焊焊接接頭力學(xué)性能試樣的制備及檢驗(yàn)方法》、GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》、GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》、GT/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》、GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》及相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行。沖擊試樣尺寸為55 mm×10 mm×5 mm，缺口分別開在焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)（圖3）。圖中以熔合線為原點(diǎn)向母材方向?yàn)椤?”，向焊縫方向?yàn)椤?”，t=+0.5 mm，t′=-0.3 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

2.1.1? 沖擊試驗(yàn)

在焊縫中心、熔合線、t=+0.5 mm與t′=-0.3 mm共4個(gè)位置取沖擊試樣，每個(gè)位置取樣數(shù)為3個(gè)，試驗(yàn)結(jié)果取3個(gè)數(shù)的平均值，試驗(yàn)溫度為-40 ℃。表4為沖擊試驗(yàn)的結(jié)果。由表4可知，兩種熱輸入下焊縫中心沖擊吸收能量基本一致，并且均為4個(gè)位置的最高值。0.73 kJ/mm接頭試板熔合線位置的沖擊吸收能量最低，而0.93 kJ/mm的出現(xiàn)在+0.5 mm位置，并且熔合線位置及-0.3 mm位置的沖擊吸收能量也很低，且這些位置的沖擊吸收能量都遠(yuǎn)低于0.73 kJ/mm的數(shù)值。雖然兩種熱輸入下的沖擊吸收能量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但是熱輸入為0.73 kJ/mm的沖擊吸收能量要好于0.93 kJ/mm。

2.1.2? 硬度試驗(yàn)

使用顯微硬度計(jì)測定了兩種熱輸入下T4003不銹鋼焊接接頭的硬度，圖4為打點(diǎn)位置示意圖。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，兩種熱輸入下焊接接頭的顯微硬度呈現(xiàn)的變化趨勢相近，并且熔合線、+0.5 mm及+1.0 mm位置附近的硬度值都較高。除+0.5 mm位置外，0.93 kJ/mm熱輸入下的硬度值均略大于0.73 kJ/mm。

2.1.3? 拉伸、彎曲試驗(yàn)

焊接接頭的拉伸試驗(yàn)按照GB/T 2651—2008進(jìn)行，面彎及背彎試驗(yàn)按照GB/T 2653—2008進(jìn)行，壓頭為12 mm，彎曲角度為180°。T4003不銹鋼焊接接頭拉伸、彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表5，兩種熱輸入下焊接接頭的抗 拉強(qiáng)度均為600 MPa左右，斷裂位置均位于母材，彎曲試驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

2.2 宏觀形貌

由上述可知，熱輸入為0.73 kJ/mm焊接的接頭綜合力學(xué)性能要優(yōu)于0.93 kJ/mm，因此對0.73 kJ/mm的接頭進(jìn)行了宏觀形貌觀察。圖6 為不同焊接熱輸入下的焊接接頭宏觀形貌。由圖6可知，接頭結(jié)合良好，未見氣孔、裂紋、未熔合、夾渣等缺陷。

2.3 微觀組織分析

圖7為熱輸入0.73 kJ/mm的T4003不銹鋼焊 接接頭金相組織。分析結(jié)果表明：焊縫組織為γ-固溶體+δ-鐵素體;過熱區(qū)組織為馬氏體+鐵素體+多邊形黃塊狀夾雜物（Ti的化合物），晶粒度約為4級;正火區(qū)組織為馬氏體+鐵素體+多邊形黃塊狀夾雜物;不 完全正火區(qū)組織為鐵素體+多邊形黃塊狀夾雜物。

圖8為熱輸入0.93 kJ/mm下的T4003不銹鋼焊接接頭微觀組織形貌。分析結(jié)果表明：焊縫組織為γ-固溶體+δ-鐵素體;過熱區(qū)組織為馬氏體+鐵素體+多邊形黃塊狀夾雜物（Ti的化合物），晶粒度約為2.5級;正火區(qū)組織為馬氏體+鐵素體+多邊形黃塊狀夾雜物;不完全正火區(qū)形貌組織為鐵素體+多邊形黃塊狀夾雜物。由圖7～8可以看出，隨著熱輸入的增大，晶粒也變得粗大。

2.4 焊接接頭晶間腐蝕結(jié)果

試樣經(jīng)清洗后裝入盛有按GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》中E法配制的硫酸-硫酸銅-銅屑腐蝕溶液的燒杯中，連續(xù)煮沸16 h。 取出試樣后，使用回轉(zhuǎn)直徑為5 mm的壓頭，以焊縫中心為彎曲中心，將焊縫近上表面作為檢驗(yàn)面彎曲成180°。在顯微鏡下放大10倍對彎曲面進(jìn)行觀察，兩種熱輸入試樣均未見晶間腐蝕傾向，如圖9～10所示。

3 結(jié)論

（1）熱輸入為0.73 kJ/mm的焊接接頭拉伸性能要略優(yōu)于熱輸入為0.93 kJ/mm的接頭，拉伸試樣均斷裂于母材，且彎曲試驗(yàn)均合格，說明兩種焊熱輸入均適用于 T4003不銹鋼的MAG焊接。熱輸入為0.73 kJ/mm的焊接接頭沖擊性能要明顯高于0.93 kJ/mm，說明焊接熱輸入對焊接接頭沖擊韌性影響較大。

（2） 當(dāng)焊接熱輸入由0.73 kJ/mm增大至0.93 kJ/mm時(shí)， T4003不銹鋼的MAG焊接頭的過熱區(qū)組織晶粒變得粗大，且焊接接頭硬度整體分布也有增大的趨勢。?? [HT5H]參考文獻(xiàn)

[1]? Villaret V， Deschaux-Beaume F，Bordreuil C， et al. Characterization of gas metal arc welding welds obtained with new high Cr-Mo ferritic stainless steel filler wires[J]. Materials & Design，2013，51：474-483.

[2] Villaret V， Deschaux-Beaume F， Bordreuil C， et al.Influence of filler wire compositionon weld microstructures of a 444 ferritic stainless steel grade [J].Journal of Materials Processing Technology， 2013， 213： 1538-1547.

[3]? 張勇，覃作祥，許鴻吉，等.經(jīng)濟(jì)型鐵素體不銹鋼焊接接頭組織與耐蝕性能[J].焊接學(xué)報(bào)， 2012， 33（12）： 18-22.

[4] 龔利華，張波，王賽虎.超級雙相不銹鋼焊接接頭的耐蝕性能[J].焊接學(xué)報(bào)， 2010，31（7）： 59-62，116.

[5]? Pekkarinena J， Kujanp V. The effects of laser welding parameters on the microstructure of ferritic and duplex stainless steels welds [J]. Physics Procedia， 2010， 5：517-523.

[6] Lakshminarayanan A K，Balasubramanian V. An assessment of microstructure， hardness， tensile and impact strength of riction stir welded ferritic stainless steel joints [J]. Materials and Design， 2010， 31： 4592-4600.

[7] 龔利華，戚霞.焊接及熱處理工藝對0Cr18Ni9Ti不銹鋼耐蝕性的影響[J]. 金屬熱處理，2009，51（6）：90-93.

[8] 張勝寒，陳小芹，宋曉芳，等.熱處理對0Cr18Ni9Ti不銹鋼孔蝕的影響[J]. 熱處理，2004，25（4）：26-28.

[9] 唐文珅，楊新岐，李勝利，等.焊接參數(shù)對鐵素體不銹鋼攪拌摩擦焊接頭組織及性能的影響[J].材料工程，2019，59（5）：115-121.

[10] 邵毅，李彥默，劉晨曦，等.低碳鐵素體不銹鋼高頻直縫電阻焊管退火工藝優(yōu)化[J].金屬學(xué)報(bào)，2019，64（11）：1367-1378.

[11] 楊瑞成，胡天雷，孟威，等.00Cr12Ti不銹鋼焊接接頭性能分析[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，36（4）：13-16.

[12] 唐文珅，楊新岐，李勝利，等.鐵素體不銹鋼攪拌摩擦焊工藝及缺陷形成機(jī)理[J].焊接學(xué)報(bào)，2019，40（6）：28-35.

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

[14]? 邵澤斌，陳海濤，郎宇平，等.熱加工對430鐵素體不銹鋼“金粉”現(xiàn)象的影響[J].材料工程，2013，53（3）：61-66.

[15] 李欣，馬濤，曹玉鵬，等.超純鐵素體不銹鋼的組織和性能研究進(jìn)展[J].熱加工工藝，2019，22：11-15.

[16] 沈中芳，段豪劍，張立峰.超純鐵素體不銹鋼B439M 200 mm×1260 mm連鑄板坯中TiN夾雜物的分布[J].特殊鋼，2016（3）：46-49.

[17] 翟瑞銀，鄭宏光，何慎，等.439鐵素體不銹鋼的研制[J].寶鋼技術(shù)，2009（1）：60-64.

收稿日期： ?2019-05-09

向登勇簡介： ?1984年出生，學(xué)士，工程師;主要從事船舶建造工作;hpslxhg@csschps.com。