不銹鋼T4003的焊接工藝性研究

李 鵬，謝 威

(比亞迪汽車(chē)工業(yè)有限公司，廣東 深圳 518118)

一直以來(lái)，純電動(dòng)客車(chē)車(chē)架的主流材料為高強(qiáng)度鋼，其在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和輕量化方面優(yōu)勢(shì)明顯。但高強(qiáng)鋼腐蝕的問(wèn)題引起客車(chē)頻繁出現(xiàn)底盤(pán)生銹現(xiàn)象，導(dǎo)致客戶(hù)意見(jiàn)很大、維修成本高昂，也不利于企業(yè)的品牌形象。

不銹鋼(比如T4003)由于具有較高的強(qiáng)度、良好的耐蝕性和耐磨性及較低的維修成本，在歐美、南非、澳大利亞等國(guó)家的汽車(chē)行業(yè)中普遍作為車(chē)架和車(chē)身骨架材料應(yīng)用[1]。本文對(duì)歐美主流的不銹鋼T4003的焊接工藝性進(jìn)行分析，為后期的生產(chǎn)應(yīng)用做好工藝儲(chǔ)備。

1 T4003不銹鋼簡(jiǎn)介

T4003為太鋼集團(tuán)開(kāi)發(fā)的超低碳經(jīng)濟(jì)型鐵素體不銹鋼，歐洲對(duì)應(yīng)牌號(hào)為1.4003，南非對(duì)應(yīng)牌號(hào)為3Cr12。T4003在強(qiáng)度、耐蝕性、耐磨性、耐久性及維護(hù)性上具有各種合金鋼的特性。此外，優(yōu)良的焊接性及加工性使其在工業(yè)制造中被廣泛應(yīng)用。T4003不銹鋼有如下優(yōu)點(diǎn)：

1) 耐蝕性。T4003耐大氣腐蝕性能優(yōu)良，比一般低碳鋼高250倍，不需對(duì)其進(jìn)行特意防腐，表面不需涂保護(hù)層。此外，T4003抗雨水沖蝕能力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于碳素鋼。

2) 經(jīng)濟(jì)性。T4003開(kāi)發(fā)成本較低，材料成本也低于奧氏體不銹鋼。另外，由于T4003耐腐蝕性?xún)?yōu)良，后期維修成本較低。

3) 加工性。焊接性良好，可使用傳統(tǒng)的焊接工藝進(jìn)行焊接。且具有較高的強(qiáng)度、優(yōu)良的塑性、韌性和成型性，硬度適中，可常規(guī)沖剪及鉆孔。

4) 力學(xué)性能。T4003力學(xué)性能與SUS304、Q345B、WL610的強(qiáng)度等級(jí)相當(dāng)。

當(dāng)然，T4003不銹鋼也有一些缺點(diǎn)：低溫塑性差、缺口敏感性高、對(duì)晶間腐蝕敏感性較高[2]。

2 焊接工藝性研究

2.1 T4003自身的焊接工藝性能

首先對(duì)母材T4003的化學(xué)成分進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)EN 10088-2[3]對(duì)各主要化學(xué)元素進(jìn)行成分檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果顯示各化學(xué)元素實(shí)測(cè)值符合標(biāo)準(zhǔn)要求。另外，T4003的碳氮含量非常低(C+N<0.03%)，使其組織狀態(tài)基本上為鐵素體組織，避免了大量的氮化物和碳化物在晶界沉淀，大大改善了其焊接性能[4]。

2.1.1 焊接接頭力學(xué)性能檢驗(yàn)

在焊絲匹配中，結(jié)合目前采用的奧氏體不銹鋼BFS600、SUS304的生產(chǎn)實(shí)情，為便于后期生產(chǎn)，此次試驗(yàn)匹配了成功應(yīng)用在BFS600、SUS304不銹鋼上的Ф1.2_ER309L實(shí)心焊絲。

在檢驗(yàn)方案上，將兩塊同樣規(guī)格的鋼板T4003采用對(duì)接焊接，焊機(jī)為松下MIG(帶脈沖)，匹配相應(yīng)的保護(hù)氣98%Ar+2%O2，要求單面焊一次成型，完成焊接后按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19869.1—2005[5]、GB/T 2651—2008[6]、GB/T 2653—2008[7]取樣，再進(jìn)行焊接接頭的橫向拉伸試驗(yàn)、橫向彎曲試驗(yàn)以及金相組織分析。

從橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果(表1)和橫向彎曲試驗(yàn)結(jié)果(表2)可知，T4003鋼板焊接性能良好，焊接工藝可行，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彎曲性能滿(mǎn)足鋼種條件要求。焊接后強(qiáng)度下降不大，可達(dá)原強(qiáng)度的90%以上。

表1 T4003母材及焊接接頭橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表2 T4003焊接接頭橫向彎曲試驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 焊接接頭金相組織分析

采用研究級(jí)倒置金相顯微鏡，對(duì)焊接接頭的熱影響區(qū)、熔合區(qū)、焊縫區(qū)進(jìn)行金相顯微組織的觀(guān)察及金相照片的攝制，檢測(cè)結(jié)果如下：

1) 母材位置顯示極細(xì)鐵素體，如圖1(a)所示。

2) 熱影響區(qū)位置組織狀態(tài)為板條狀馬氏體+極少量鐵素體，如圖1(b)所示。

3) 熔合線(xiàn)位置組織狀態(tài)顯示左/右側(cè)熔合線(xiàn)連接良好，未發(fā)現(xiàn)明顯焊接缺陷，如圖1(c)所示。

4) 焊縫位置組織狀態(tài)為奧氏體+δ鐵素體，如圖1(d)所示。

(a) 母材200× (b) 熱影響區(qū)200×

(c) 熔合線(xiàn)50× (d) 焊縫200×

圖1 T4003焊接接頭金相組織

由金相檢測(cè)結(jié)果可知，焊縫接頭金相未出現(xiàn)明顯的異?，F(xiàn)象，說(shuō)明接頭組織性能良好，焊接良好。

2.2 T4003與奧氏體不銹鋼的焊接工藝性能

T4003為鐵素體不銹鋼，而目前在客車(chē)上應(yīng)用的BFS600或SUS304屬于奧氏體不銹鋼，它們所屬類(lèi)型不同。根據(jù)客車(chē)實(shí)際結(jié)構(gòu)，由于T4003與BFS600或與SUS304可能存在相互焊接的結(jié)構(gòu)，所以其焊接工藝性也值得研究。分別對(duì)T4003與BFS600和T4003與SUS304進(jìn)行焊接試驗(yàn)。

焊接工藝采用與2.1節(jié)相同的焊接設(shè)備、焊絲、保護(hù)氣體和焊接參數(shù)。完成焊接后按照相同的標(biāo)準(zhǔn)制樣并試驗(yàn)，焊接接頭的橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，橫向彎曲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 T4003與SUS304、BFS600焊接接頭橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表4 T4003與SUS304、BFS600焊接接頭橫向彎曲試驗(yàn)結(jié)果

從表3和表4可知，T4003與SUS304和T4003與BFS600的焊接接頭性能均良好，焊接工藝可行，拉伸強(qiáng)度和彎曲性能滿(mǎn)足鋼種條件要求和設(shè)計(jì)要求(在熱影響區(qū)斷裂的判定標(biāo)準(zhǔn)不低于母材規(guī)定最小強(qiáng)度的95%[8])。對(duì)焊接接頭金相組織進(jìn)行檢測(cè)，T4003+SUS304焊接接頭金相檢測(cè)結(jié)果如下：

1) T4003側(cè)組織為板條狀馬氏體+少量鐵素體；SUS304側(cè)為奧氏體+枝晶狀、帶狀分布的δ鐵素體，如圖2(a)所示。

2) 焊縫組織狀態(tài)為奧氏體+δ鐵素體，如圖2(b)所示。

3) 兩側(cè)熔合線(xiàn)連接良好，未發(fā)現(xiàn)明顯焊接缺陷,如圖2(c)和圖2(d)所示。

(a) 熱影響區(qū)200× (b) 焊縫200×

(c) 熔合線(xiàn)50× (d) 熔合線(xiàn)50×

圖2 T4003與SUS304焊接接頭金相組織

T4003+BFS600焊接接頭金相檢測(cè)結(jié)果如下：

1) T4003側(cè)組織為板條狀馬氏體；BFS600側(cè)為奧氏體+帶狀分布的δ鐵素體，如圖3(a)所示。

2) 焊縫組織狀態(tài)為奧氏體+δ鐵素體，如圖3(b)所示。

3) 兩側(cè)熔合線(xiàn)連接良好，未發(fā)現(xiàn)明顯焊接缺陷，如圖3(c)和圖3(d)所示。

(a)熱影響區(qū)200× (b)焊縫200×

(c)熔合線(xiàn)50× (d)熔合線(xiàn)50×

圖3 T4003與BFS600焊接接頭金相組織

由金相檢測(cè)結(jié)果可知，T4003與SUS304和T4003與BFS600的焊縫接頭金相均未出現(xiàn)明顯的異?，F(xiàn)象，說(shuō)明接頭組織性能良好，焊接良好。

2.3 T4003與碳鋼/高強(qiáng)鋼焊接的工藝性能

T4003在客車(chē)上還可能與廣泛應(yīng)用的支架類(lèi)材料DC01碳素結(jié)構(gòu)鋼和骨架類(lèi)材料低合金高強(qiáng)度鋼如WYS700相互焊接，因此，研究和分析不銹鋼與碳鋼的異種鋼焊接技術(shù)成為企業(yè)和研究者的重點(diǎn)工作[9]。T4003與碳素鋼或高強(qiáng)鋼屬于不同類(lèi)型的鋼種，并且T4003采用MIG焊接，而碳素鋼或高強(qiáng)鋼間采用MAG焊接，屬于兩種不同的焊接工藝。所以研究T4003與DC01、WYS700間的焊接工藝性具有重要價(jià)值，分別對(duì)T4003與DC01和T4003與WYS700進(jìn)行焊接試驗(yàn)。

焊接工藝采用與前述相同的焊接設(shè)備、焊絲、保護(hù)氣體和焊接參數(shù)。完成焊接后按照相同的標(biāo)準(zhǔn)制樣并試驗(yàn)，焊接接頭的橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果、橫向彎曲試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表5和表6。

表5 T4003與DC01、WYS700焊接接頭橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果 MPa

表6 T4003與DC01、WYS700焊接接頭橫向彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表5和表6可知，T4003與DC01和T4003與WYS700的焊接接頭性能均良好，拉伸強(qiáng)度、彎曲性能均滿(mǎn)足鋼種條件要求和設(shè)計(jì)要求，焊接工藝可行。對(duì)焊接接頭金相組織進(jìn)行檢測(cè)，T4003與DC01焊接接頭金相檢測(cè)結(jié)果如下：

1) T4003側(cè)組織為針狀無(wú)碳貝氏體及少量塊狀鐵素體；DC01側(cè)為針狀無(wú)碳貝氏體及少量塊狀鐵素體，如圖4(a)所示。

2) 焊縫組織狀態(tài)為奧氏體+δ鐵素體，如圖4(b)所示。

3) 兩側(cè)熔合線(xiàn)連接良好，未發(fā)現(xiàn)明顯焊接缺陷，如圖4(c)和圖4(d)所示。

(a)熱影響區(qū)200× (b)焊縫200×

(c)熔合線(xiàn)50× (d)熔合線(xiàn)50×

圖4 T4003與DC01焊接接頭金相組織

T4003與WYS700焊接接頭金相檢測(cè)結(jié)果如下：

1) T4003側(cè)組織為針狀鐵素體，具有魏氏組織特征；WYS700側(cè)組織為針狀無(wú)碳貝氏體及少量粒狀貝氏體，如圖5(a)所示。

2) 焊縫組織狀態(tài)為奧氏體+δ鐵素體，如圖5(b)所示。

3) 兩側(cè)熔合線(xiàn)連接良好，未發(fā)現(xiàn)明顯焊接缺陷，如圖5(c)和圖5(d)所示。

(a)熱影響區(qū)200× (b)焊縫200×

(c)熔合線(xiàn)50× (d)熔合線(xiàn)50×

圖5 T4003與WYS700焊接接頭金相組織

從金相組織檢測(cè)結(jié)果可知，T4003與DC01和T4003與WYS700的焊接接頭金相組織未出現(xiàn)明顯的異常現(xiàn)象，說(shuō)明接頭組織性能良好，焊接良好。

3 結(jié) 論

T4003具有較高的強(qiáng)度和優(yōu)良的塑性、韌性和成型性，其力學(xué)性能與SUS304、Q345B、WL610的強(qiáng)度等級(jí)相當(dāng)。T4003焊接性?xún)?yōu)良，可與奧氏體不銹鋼SUS304、BFS600進(jìn)行焊接，亦可以與碳素鋼DC01、高強(qiáng)鋼WYS700進(jìn)行焊接，且焊接性?xún)?yōu)良，采用現(xiàn)有MIG焊接設(shè)備及相關(guān)工藝可滿(mǎn)足焊接要求。