不同保護氣體對無磁鋼20Mn23AlV焊接接頭組織及力學性能的影響

陳麗園 郭瑞青 郝曉衛(wèi) 侯金柱 孫逸凡

摘要：采用φ（Ar）97%+φ（CO2）3%和φ（Ar）97.5%+φ（CO2）2.5%兩種保護氣體對厚12 mm的20Mn23AlV無磁鋼板進行焊接，對比不同保護氣體下20Mn23AlV無磁鋼焊接接頭的顯微組織及力學性能。結果表明：采用φ（Ar）97.5%+φ（CO2）2.5%保護氣體焊接的試板焊縫表面成形更優(yōu)，焊縫內部氣孔少;兩種保護氣體下的焊接接頭都具有良好的塑性、韌性及抗拉強度，φ（Ar）97.5%+φ（CO2）2.5%保護氣體下的接頭的抗拉強度略大，焊縫組織為白色的奧氏體基體+δ鐵素體。綜合來看，采用φ（Ar）97.5%+φ（CO2）2.5%保護氣體更為合理，滿足無磁鋼焊接生產要求。

關鍵詞：無磁鋼20Mn23AlV;焊接接頭;力學性能;保護氣體

中圖分類號：TG444+.72 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）04-0086-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.17

0 ? ?前言

20Mn23AlV無磁鋼屬Fe-Mn-Al-C系列奧氏體，其組織穩(wěn)定、塑性好、韌性高、加工硬化傾向大、受熱膨脹系數(shù)大、磁導率低而電阻率高，在磁場中的渦流損耗極小，現(xiàn)已廣泛應用于許多電氣產品中。無磁鋼焊接時的收縮應力及收縮率比碳鋼大，產生熱裂紋的傾向也大，并且含有Al元素，故容易出現(xiàn)氣孔。目前還沒有針對無磁鋼的成熟的焊接工藝及專用焊接材料，通常采用不銹鋼焊接材料。ER307Si不銹鋼焊絲錳含量高，故裂紋敏感度低，適用于無磁鋼等難以焊接的鋼材[1-5]。文中采用MAG焊，分別在φ（Ar）97%+φ（O2）3%和φ（Ar）97.5%+φ（CO2）2.5%保護氣體下對厚度12 mm的20Mn23AlV無磁鋼板進行焊接，對比兩種焊接接頭的顯微組織及力學性能，以期為20Mn23AlV無磁鋼板焊接提供參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗母材為20Mn23AlV無磁鋼，焊絲選用的是ER307Si。母材及焊絲的化學成分和力學性能分別如表1、表2所示。

1.2 焊接工藝試驗

焊接設備采用Panasonic YD-350GM3焊機，MAG焊，坡口形式為12V，60°坡口，鈍邊2 mm。焊接位置為平焊，保護氣體選用φ（Ar）97%+φ（O2）3%和φ（Ar）97.5%+φ（CO2）2.5%，氣體流量為18 L/min。由于無磁鋼20Mn23AlV電阻率大、熱導率低，故焊接時焊縫金屬流動性差。另外，焊接氣相中的氫能大量溶解于液態(tài)Al，且易導致焊縫出現(xiàn)氣孔。故采用脈沖、大電流、快速焊接，每一道焊縫必須足夠薄，層間必須打磨、清理干凈，避免氣孔產生。焊接工藝參數(shù)如表3所示，坡口形式如圖1所示。

1.3 試驗方法

試板焊接完成后根據(jù)ISO 15614-1《金屬材料焊接工藝規(guī)程和評定—焊接工藝試驗—第一部分：鋼的電弧焊和氣焊以及鎳及其合金的電弧焊》標準要求進行相關檢測。首先進行無損檢測（外觀檢測、滲透檢測、射線檢測），然后進行拉伸（ISO 4136）、彎曲（ISO 5173）、金相、硬度（ISO 9015）等破壞性試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 無損檢測試驗

不同保護氣體焊接接頭試板外觀及RT檢測結果如圖2所示。由圖2a、2b可知，采用φ（Ar）97.5%+φ（CO2）2.5%保護氣體的試板焊縫表面成形更優(yōu)，這是由于O2含量多，極易和Mn、Al等元素發(fā)生氧化反應，使表面發(fā)黑，氧化物、夾雜增多。由圖2c、2d可知，采用φ（Ar）97%+φ（O2）3%保護氣體的試板焊縫內部存在大量氣孔，而采用φ（Ar）97.5%+φ（CO2）2.5%保護氣體的試板焊縫內部氣孔較少。

2.2 拉伸試驗

使用EV45.305電子拉伸試驗機分別對采用兩種保護氣體的20Mn23AlV無磁鋼對接試板焊接接頭進行拉伸試驗，結果如表4所示。兩種試板的焊接接頭抗拉強度均高于母材（≥530 MPa），都具有良好的抗拉強度。

2.3 彎曲試驗

根據(jù)標準ISO 15614-1《金屬材料焊接工藝的規(guī)范和評定—焊接工藝試驗—第 1 部分：鋼的電弧焊和氣焊以及鎳及其合金的電弧焊》，采用2個面彎試樣，2個背彎試樣，試驗環(huán)境溫度為23 ℃。試驗結果表明：不同保護氣體條件下，焊接接頭彎曲試件都經(jīng)過180°的彎曲變形，并且在試件的外表面和側面均未發(fā)現(xiàn)裂紋，說明采用不同保護氣體得到的焊接接頭均滿足標準要求，都具有良好的塑性和延展性。彎曲試驗結果如表5所示。

2.4 硬度試驗

試驗采用EV800數(shù)字式維氏硬度計，硬度試樣母材和焊接接頭區(qū)域步長選用500 μm，載荷為500 gf，加載15 s。焊接接頭硬度分布如圖3所示，可以看出，兩種保護氣體條件下獲得的焊接接頭的硬度分布相差不大，焊縫的硬度最高，母材次之，熱影響區(qū)最低。這是由于焊縫顯微組織由奧氏體、骨骼狀δ鐵素體組成，晶粒均勻細小，故硬度值高;熱影響區(qū)組織形態(tài)與母材相同，都是單一的奧氏體，只是晶粒受熱長大，所以熱影響區(qū)的硬度低于母材。

2.5 金相試驗

采用兩種保護氣體焊接的20Mn23AlV無磁鋼焊接接頭區(qū)顯微組織如圖4所示。由圖4a、4b可知，焊縫的顯微組織由奧氏體和骨骼狀δ鐵素體組成，δ鐵素體分布于奧氏體基體中?？梢钥闯?，不同保護氣體對20Mn23AlV無磁鋼焊縫的組織形態(tài)影響不大。圖4c、4d為20Mn23AlV無磁鋼熔合區(qū)顯微組織。熱影響區(qū)組織與焊縫組織以一條清晰的熔合線為分界線，熔合線右側為焊縫區(qū)，組織在垂直于熔合線方向先以柱狀晶的形式向焊縫中心區(qū)域生長，熔合線左側為熱影響區(qū)，組織為晶粒粗大的奧氏體和呈帶狀分布的鐵素體組織。采用φ（Ar）97.5%+φ（CO2）2.5%保護氣體的接頭的熔合區(qū)寬度較窄、晶粒較小。不同保護氣體對20Mn23AlV無磁鋼熔合區(qū)的組織形態(tài)影響不大。這是因為20Mn23AlV無磁鋼是單一奧氏體組織，沒有組織轉變，除了過熱區(qū)晶粒有所長大外，熱影響區(qū)組織形態(tài)與母材相同。

3 結論

（1）采用φ（Ar）97.5%+φ（CO2）2.5%保護氣體焊接的試板焊縫表面成形良好，且氣孔相比φ（Ar）97%+φ（O2）3%保護氣體的減少。

（2）φ（Ar）97.5%+φ（CO2）2.5%保護氣體所獲焊接接頭的抗拉強度略大于φ（Ar）97%+φ（CO2）3%保護氣體的，彎曲試驗均合格、未出現(xiàn)裂紋。

（3）兩種保護氣體下焊接接頭的硬度分布相差不大，焊縫的硬度最高，母材次之，熱影響區(qū)最低。

（4）不同保護氣體對20Mn23AlV無磁鋼焊縫的組織形態(tài)影響不大，焊縫的顯微組織由奧氏體和骨骼狀δ鐵素體組成，δ鐵素體分布于奧氏體基體中;采用φ（Ar）97.5%+φ（CO2）2.5%保護氣體焊接的接頭熔合區(qū)寬度較窄，晶粒較小。

參考文獻：

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收稿日期：2020-07-25;修回日期：2021-01-10

作者簡介：陳麗園（1984—），女，碩士，高級工程師，主要從事焊接工藝及研究工作。E-mail：c-l-yuan@163.com。

通訊作者：孫逸凡（1996—），男，在讀碩士，主要從事軌道交通關鍵材料連接的研究。E-mail：1377748054@qq.com。