T4003鐵素體不銹鋼T形接頭MAG焊工藝研究

付傲 戴紅 周坤 方乃文 李丹暉

摘要：采用MAG焊方法焊接厚度為6 mm的T4003鐵素體不銹鋼T形接頭，并通過射線探傷、宏觀與微觀金相、硬度試驗、X 射線衍射、高速攝像等測試手段對其進行評價分析。結(jié)果表明，T形接頭焊縫成形良好，未見氣孔、裂紋、未熔合、夾渣等缺陷;焊接接頭組織沒有明顯硬化現(xiàn)象，焊縫微觀組織為γ固溶體+δ鐵素體，過熱區(qū)組織為馬氏體+鐵素體，晶粒度約為3級;焊接過程為粗滴過渡，飛濺較少，電弧形態(tài)基本保持不變，焊接過程穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：鐵素體不銹鋼;T形接頭;MAG焊;焊接工藝

中圖分類號：TG 442

Abstract：The Tjoint of T4003 ferritic stainless steel with thickness of 6 mm was welded by MAG process and then analyzed and evaluated by Xray detector， macro and micro metallography， hardness test， Xray diffraction （XRD）， highspeed camera etc. methods. The results showed that Tjoint without porosity， crack， lack of fusion and inclusion etc. defects was obtained and had good formality. Welds microstructure was γsolid solution + δferrite without apparent hardening of the phenomenon. Overheated HAZ microstructure was martensite+ferrite with level 3 grain size. Welding process was the coarse drop transition with less spatter， basically same arc and stable welding process.

Key words：ferritic stainless steel;Tjoint;MAG welding;welding process

0?前言

近年來，由于鎳資源日趨緊張、含鎳奧氏體不銹鋼價格不斷攀升等因素，而鐵素體不銹鋼作為一種不含或含鎳少的不銹鋼，與奧氏體不銹鋼相比，其價格更為低廉[1-3]，在很多領(lǐng)域?qū)⒅饾u代替奧氏體不銹鋼。隨著真空冶煉技術(shù)的發(fā)展，碳氮總含量小于0.015%的成分設(shè)計變得容易實現(xiàn)[4]，這使得鐵素體不銹鋼應(yīng)用范圍不斷擴大，特別是在鐵路貨車箱體制造領(lǐng)域。然而，焊接性是限制鐵素體不銹鋼應(yīng)用的最大障礙之一，其熱影響區(qū)僅有少量甚至沒有γ相變，晶粒劇烈長大，沖擊性能將劇烈降低[5-7]。所以，引入奧氏體形成元素擴大α+γ兩相區(qū)，形成更多奧氏體來阻礙鐵素體長大，是解決這一問題的有效方法。

阮強等人[8]采用ER309LSi奧氏體不銹鋼焊絲焊接T4003鐵素體不銹鋼，通過研究發(fā)現(xiàn)T4003鐵素體不銹鋼的高溫熱影響區(qū)組織為70%馬氏體+鐵素體，晶粒尺寸為30 μm，獲得良好的焊接接頭，這不僅與 C，N元素含量低有關(guān)，更重要是由Mn，Ni奧氏體元素誘導(dǎo)高溫熱影響區(qū)中產(chǎn)生大量低碳馬氏體，從而阻礙鐵素體晶粒長大所致。張勇等人[9]采用ER309焊絲焊接T4003鐵素體不銹鋼，結(jié)果表明，由于T4003鐵素體不銹鋼中Ti和Mn元素含量偏低，導(dǎo)致T4003 鐵素體不銹鋼的晶粒長大傾向較明顯。焊接接頭存在較大的熱影響區(qū)，熱影響區(qū)的組織比母材晶粒明顯粗大。魯二敬等人[10]通過拉伸試驗、彎曲試驗、硬度試驗和金相組織分析，研究MAG焊方法焊接的3 mm厚T4003鐵素體不銹鋼對接接頭的力學(xué)性能和顯微組織。結(jié)果表明，采用奧氏體不銹鋼焊絲的 MAG焊接頭，其焊縫組織均為板條狀或網(wǎng)狀鐵素體和奧氏體，接頭硬度較高，鐵素體晶粒的粗化對接頭的強度和硬度有不利影響。

相關(guān)學(xué)者在T4003鐵素體不銹鋼對接接頭的研究較多，但在T形接頭領(lǐng)域研究較少，而T形接頭往往在重要結(jié)構(gòu)中有較多應(yīng)用。文中對T4003鐵素體不銹鋼的T形接頭進行了焊接性研究，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。

1?試驗材料與方法

1.1?試驗材料

試驗選用T4003鐵素體不銹鋼板材，規(guī)格為150 mm×300 mm×6 mm。焊前通過機械加工的方法去除試板的氧化皮，同時使用酒精清洗待焊區(qū)域附近的油污。焊接試驗選用選用直徑為1.2 mm的ER308LSiG奧氏體不銹鋼焊絲。T4003鐵素體不銹鋼母材及ER308LSiG焊絲化學(xué)成分見表1，母材和焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能見表2。圖1為T4003母材微觀組織形貌，為鐵素體組織。

1.2?T4003鐵素體不銹鋼與國內(nèi)外同類材料比較

選擇國內(nèi)外幾種與T4003鐵素體不銹鋼為同類材料進行沖擊試驗，其沖擊韌性比較結(jié)果，如圖2所示。試驗結(jié)果表明，T4003鐵素體不銹鋼的沖擊韌性最好，這是由于當C，N元素含量一定時，隨著Cr元素含量降低，會抑制σ相析出，同時降低了脆性敏感性，從而增加了沖擊韌性;又由于其Ni含量較高，可以擴大a+γ相區(qū)，有利于冷卻過程中馬氏體的產(chǎn)生，從而使T4003鐵素體不銹鋼沖擊韌性明顯優(yōu)于其它材料。

1.3?試驗方法

焊接試驗采用焊接電源型號為奧地利福尼斯TPS4000焊機。表3為T4003鐵素體不銹鋼T形接頭焊接時采用的焊接工藝參數(shù)。為了保證焊腳長度差，焊槍與試板間成45°，其相對位置關(guān)系，如圖3所示。T形接頭采用單道焊接，在立板的兩側(cè)各焊接一道。T形接頭焊接完成后依據(jù)GB/T 3323—2005《金屬熔化焊焊接接頭射線照相》進行無損檢測。焊接接頭性能試樣尺寸要求、取樣方法和試驗方法等參照GB/T 19869.1—2005《鋼、鎳及鎳合金的焊接工藝評定試驗》、GB/T 26955—2011《金屬材料焊縫破壞性試驗 焊縫宏觀和微觀檢驗》、GB/T 2654—2008 《焊接接頭硬度試驗方法》標準執(zhí)行，并對該焊接工藝條件下的T4003鐵素體不銹鋼T形接頭的組織及性能進行分析。

2?試驗結(jié)果與分析

2.1?T形接頭射線探傷結(jié)果

T形焊接接頭經(jīng)射線探傷后發(fā)現(xiàn)無任何不良缺陷，其具體射線探傷結(jié)果，如圖4所示。

2.2?T形接頭硬度試驗結(jié)果分析

圖5為T4003鐵素體不銹鋼的T形焊接接頭硬度測試打點位置。圖6為T4003鐵素體不銹鋼的T形焊接接頭硬度分布。相對于母材而言，T形焊接接頭熔合區(qū)和熱影響區(qū)位置硬度較高，但沒有明顯硬化傾向。盡管焊縫處的晶粒比母材的粗大，但是由于在熔合區(qū)形成了馬氏體組織，馬氏體是硬脆相，相比較于母材的鐵素體、焊縫區(qū)域的γ固溶體+δ鐵素體，仍表現(xiàn)出較高的硬度。

2.3?T形焊接接頭宏觀和微觀組織分析

圖7為T4003鐵素體不銹鋼T形焊接接頭宏觀形貌。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，在上述焊接參數(shù)下進行焊接得到的接頭結(jié)合良好，未見氣孔、裂紋、未熔合、夾渣等缺陷。圖8為T4003鐵素體不銹鋼T形接頭微觀組織形貌。焊縫區(qū)組織為γ固溶體+δ鐵素體;過熱區(qū)組織為馬氏體+鐵素體，晶粒度約為2～3級;正火區(qū)組織為馬氏體+鐵素體+少量δ鐵素體;不完全正火區(qū)組織為鐵素體+少量δ鐵素體。T4003鐵素體不銹鋼由于具有較高的鎳當量，奧氏體相區(qū)較寬，高溫鐵素體相區(qū)間被壓縮，焊接過程中鐵素體晶粒來不及長大就發(fā)生相變，有效阻礙晶粒長大，所以焊縫區(qū)晶粒尺寸僅為40 μm，如圖 8a所示。Ti元素在液相和N元素反應(yīng)析出TiN相，C元素則會在冷卻時保留在馬氏體中或者在鐵素體晶內(nèi)形成Nb和Ti的碳化物，這樣避免碳氮化合物在晶界析出，同時馬氏體板條狀束位向各不相同，這對提高焊接接頭沖擊韌性十分有效。

2.4?X射線衍射結(jié)果分析

采用XRD測試手段對T形焊接接頭中的焊縫中心及過熱區(qū)位置進行測試，其測試結(jié)果，如圖9所示。從圖9可以發(fā)現(xiàn)，焊縫區(qū)組織為γ固溶體+δ鐵素體;過熱區(qū)組織為馬氏體+δ鐵素體，其中馬氏體含量約占90%以上，這與微觀組織分析相吻合。

2.5?電弧形態(tài)

圖10為在焊接電流為230 A、電弧電壓為21.4 V下的電弧形態(tài)。整個電弧形態(tài)呈鐘罩形，且形態(tài)穩(wěn)定。a時刻，熔滴開始形成，熔滴尺寸略大于焊絲直徑;b～c時間段內(nèi)熔滴不斷長大，且偏離焊絲軸向并繞焊絲末端旋轉(zhuǎn)，同時電弧也隨熔滴的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生偏轉(zhuǎn)和形態(tài)的變化;d～e 時間段為熔滴脫離焊絲，開始向熔池發(fā)生過渡階段，以粗滴形式過渡并伴有少量飛濺;f 時刻，熔滴進入熔池，下一個熔滴過程即將開始發(fā)生過渡[11]。

3?結(jié)論

（1）T4003鐵素體不銹鋼T形焊接接頭接頭結(jié)合良好，未見氣孔、裂紋、未熔合、夾渣等缺陷。T形接頭的焊縫組織為γ固溶體+δ鐵素體;過熱區(qū)組織為馬氏體+鐵素體;正火區(qū)組織為馬氏體+鐵素體+少量δ鐵素體;不完全正火區(qū)組織為鐵素體+少量δ鐵素體。

（2）T形焊接接頭熔合線和熱影響區(qū)位置硬度較高，但沒有明顯硬化傾向，盡管焊縫處的晶粒比母材的粗大，但是由于在熔合區(qū)形成了馬氏體組織，馬氏體是硬脆相，相比較于母材的鐵素體、焊縫區(qū)域的γ固溶體+δ鐵素體，仍表現(xiàn)出較高的硬度。

（3）T4003鐵素體不銹鋼T形焊接接頭的焊接過程為粗滴過渡形式，飛濺較少，電弧形態(tài)基本保持不變，焊接過程穩(wěn)定。

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