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

(哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱150028)

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(kuò)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(kuò)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(qiáng)等人［8］采用ER309L-Si 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?zé)嵊绊憛^(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?zé)嵊绊憛^(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(qiáng)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(jìn)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(jī)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ER308LSi-G奧氏體不銹鋼焊絲。T4003 鐵素體不銹鋼母材及ER308LSi-G 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。

表1 母材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 母材力學(xué)性能

圖1 T4003 鐵素體不銹鋼微觀組織形貌

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(jìn)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(dāng)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(kuò)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。

圖2 幾種鐵素體不銹鋼沖擊韌性比較

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(jī)。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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行分析。

表3 T 形接頭焊接工藝參數(shù)

圖3 焊接時焊槍與試板相對位置關(guān)系

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。

圖4 T 形焊接接頭射線探傷結(jié)果

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。

圖5 T 形接頭硬度打點位置

圖6 T 形接頭顯微硬度分布曲線

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(jìn)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(dāng)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。

圖7 T 形接頭宏觀形貌

圖8 T 形焊接接頭微觀組織

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(jìn)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。

圖9 T 形焊接接頭的XRD 圖譜

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(jìn)入熔池，下一個熔滴過程即將開始發(fā)生過渡［11］。

圖10 T 形焊接接頭的焊接電弧形態(tài)

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。