铁素体不锈钢形接头焊工艺研究

　　付傲戴红周坤方乃文李丹晖
　　摘要：采用MAG焊方法焊接厚度为6mm的T4003铁素体不锈钢T形接头，并通过射线探伤、宏观与微观金相、硬度试验、X射线衍射、高速摄像等测试手段对其进行评价分析。结果表明，T形接头焊缝成形良好，未见气孔、裂纹、未熔合、夹渣等缺陷；焊接接头组织没有明显硬化现象，焊缝微观组织为固溶体铁素体，过热区组织为马氏体铁素体，晶粒度约为3级；焊接过程为粗滴过渡，飞溅较少，电弧形态基本保持不变，焊接过程稳定。
　　关键词：铁素体不锈钢；T形接头；MAG焊；焊接工艺
　　中图分类号：TG442
　　Abstract：TheTjointofT4003ferriticstainlesssteelwiththicknessof6mmwasweldedbyMAGprocessandthenanalyzedandevaluatedbyXraydetector，macroandmicrometallography，hardnesstest，Xraydiffraction（XRD），highspeedcameraetc。methods。TheresultsshowedthatTjointwithoutporosity，crack，lackoffusionandinclusionetc。defectswasobtainedandhadgoodformality。Weldsmicrostructurewassolidsolutionferritewithoutapparenthardeningofthephenomenon。OverheatedHAZmicrostructurewasmartensiteferritewithlevel3grainsize。Weldingprocesswasthecoarsedroptransitionwithlessspatter，basicallysamearcandstableweldingprocess。
　　Keywords：TMAGweldingprocess
　　0前言
　　近年来，由于镍资源日趋紧张、含镍奥氏体不锈钢价格不断攀升等因素，而铁素体不锈钢作为一种不含或含镍少的不锈钢，与奥氏体不锈钢相比，其价格更为低廉〔13〕，在很多领域将逐渐代替奥氏体不锈钢。随着真空冶炼技术的发展，碳氮总含量小于0。015的成分设计变得容易实现〔4〕，这使得铁素体不锈钢应用范围不断扩大，特别是在铁路货车箱体制造领域。然而，焊接性是限制铁素体不锈钢应用的最大障碍之一，其热影响区仅有少量甚至没有相变，晶粒剧烈长大，冲击性能将剧烈降低〔57〕。所以，引入奥氏体形成元素扩大两相区，形成更多奥氏体来阻碍铁素体长大，是解决这一问题的有效方法。
　　阮强等人〔8〕采用ER309LSi奥氏体不锈钢焊丝焊接T4003铁素体不锈钢，通过研究发现T4003铁素体不锈钢的高温热影响区组织为70马氏体铁素体，晶粒尺寸为30m，获得良好的焊接接頭，这不仅与C，N元素含量低有关，更重要是由Mn，Ni奥氏体元素诱导高温热影响区中产生大量低碳马氏体，从而阻碍铁素体晶粒长大所致。张勇等人〔9〕采用ER309焊丝焊接T4003铁素体不锈钢，结果表明，由于T4003铁素体不锈钢中Ti和Mn元素含量偏低，导致T4003铁素体不锈钢的晶粒长大倾向较明显。焊接接头存在较大的热影响区，热影响区的组织比母材晶粒明显粗大。鲁二敬等人〔10〕通过拉伸试验、弯曲试验、硬度试验和金相组织分析，研究MAG焊方法焊接的3mm厚T4003铁素体不锈钢对接接头的力学性能和显微组织。结果表明，采用奥氏体不锈钢焊丝的MAG焊接头，其焊缝组织均为板条状或网状铁素体和奥氏体，接头硬度较高，铁素体晶粒的粗化对接头的强度和硬度有不利影响。
　　相关学者在T4003铁素体不锈钢对接接头的研究较多，但在T形接头领域研究较少，而T形接头往往在重要结构中有较多应用。文中对T4003铁素体不锈钢的T形接头进行了焊接性研究，为其在铁路车辆的广泛应用提供理论依据和技术支撑。
　　1试验材料与方法
　　1。1试验材料
　　试验选用T4003铁素体不锈钢板材，规格为150mm300mm6mm。焊前通过机械加工的方法去除试板的氧化皮，同时使用酒精清洗待焊区域附近的油污。焊接试验选用选用直径为1。2mm的ER308LSiG奥氏体不锈钢焊丝。T4003铁素体不锈钢母材及ER308LSiG焊丝化学成分见表1，母材和焊丝熔敷金属的力学性能见表2。图1为T4003母材微观组织形貌，为铁素体组织。
　　1。2T4003铁素体不锈钢与国内外同类材料比较
　　选择国内外几种与T4003铁素体不锈钢为同类材料进行冲击试验，其冲击韧性比较结果，如图2所示。试验结果表明，T4003铁素体不锈钢的冲击韧性最好，这是由于当C，N元素含量一定时，随着Cr元素含量降低，会抑制相析出，同时降低了脆性敏感性，从而增加了冲击韧性；又由于其Ni含量较高，可以扩大a相区，有利于冷却过程中马氏体的产生，从而使T4003铁素体不锈钢冲击韧性明显优于其它材料。
　　1。3试验方法
　　焊接试验采用焊接电源型号为奥地利福尼斯TPS4000焊机。表3为T4003铁素体不锈钢T形接头焊接时采用的焊接工艺参数。为了保证焊脚长度差，焊枪与试板间成45，其相对位置关系，如图3所示。T形接头采用单道焊接，在立板的两侧各焊接一道。T形接头焊接完成后依据GBT33232005《金属熔化焊焊接接头射线照相》进行无损检测。焊接接头性能试样尺寸要求、取样方法和试验方法等参照GBT19869。12005《钢、镍及镍合金的焊接工艺评定试验》、GBT269552011《金属材料焊缝破坏性试验焊缝宏观和微观检验》、GBT26542008《焊接接头硬度试验方法》标准执行，并对该焊接工艺条件下的T4003铁素体不锈钢T形接头的组织及性能进行分析。
　　2试验结果与分析
　　2。1T形接头射线探伤结果
　　T形焊接接头经射线探伤后发现无任何不良缺陷，其具体射线探伤结果，如图4所示。
　　2。2T形接头硬度试验结果分析
　　图5为T4003铁素体不锈钢的T形焊接接头硬度测试打点位置。图6为T4003铁素体不锈钢的T形焊接接头硬度分布。相对于母材而言，T形焊接接头熔合区和热影响区位置硬度较高，但没有明显硬化倾向。尽管焊缝处的晶粒比母材的粗大，但是由于在熔合区形成了马氏体组织，马氏体是硬脆相，相比较于母材的铁素体、焊缝区域的固溶体铁素体，仍表现出较高的硬度。
　　2。3T形焊接接头宏观和微观组织分析
　　图7为T4003铁素体不锈钢T形焊接接头宏观形貌。从图7可以发现，在上述焊接参数下进行焊接得到的接头结合良好，未见气孔、裂纹、未熔合、夹渣等缺陷。图8为T4003铁素体不锈钢T形接头微观组织形貌。焊缝区组织为固溶体铁素体；过热区组织为马氏体铁素体，晶粒度约为2～3级；正火区组织为马氏体铁素体少量铁素体；不完全正火区组织为铁素体少量铁素体。T4003铁素体不锈钢由于具有较高的镍当量，奥氏体相区较宽，高温铁素体相区间被压缩，焊接过程中铁素体晶粒来不及长大就发生相变，有效阻碍晶粒长大，所以焊缝区晶粒尺寸仅为40m，如图8a所示。Ti元素在液相和N元素反应析出TiN相，C元素则会在冷却时保留在马氏体中或者在铁素体晶内形成Nb和Ti的碳化物，这样避免碳氮化合物在晶界析出，同时马氏体板条状束位向各不相同，这对提高焊接接头冲击韧性十分有效。
　　2。4X射线衍射结果分析
　　采用XRD测试手段对T形焊接接头中的焊缝中心及过热区位置进行测试，其测试结果，如图9所示。从图9可以发现，焊缝区组织为固溶体铁素体；过热区组织为马氏体铁素体，其中马氏体含量约占90以上，这与微观组织分析相吻合。
　　2。5电弧形态
　　图10为在焊接电流为230A、电弧电压为21。4V下的电弧形态。整个电弧形态呈钟罩形，且形态稳定。a时刻，熔滴开始形成，熔滴尺寸略大于焊丝直径；b～c时间段内熔滴不断长大，且偏离焊丝轴向并绕焊丝末端旋转，同时电弧也随熔滴的旋转而发生偏转和形态的变化；d～e时间段为熔滴脱离焊丝，开始向熔池发生过渡阶段，以粗滴形式过渡并伴有少量飞溅；f时刻，熔滴进入熔池，下一个熔滴过程即将开始发生过渡〔11〕。
　　3结论
　　（1）T4003铁素体不锈钢T形焊接接头接头结合良好，未见气孔、裂纹、未熔合、夹渣等缺陷。T形接头的焊缝组织为固溶体铁素体；过热区组织为马氏体铁素体；正火区组织为马氏体铁素体少量铁素体；不完全正火区组织为铁素体少量铁素体。
　　（2）T形焊接接头熔合线和热影响区位置硬度较高，但没有明显硬化倾向，尽管焊缝处的晶粒比母材的粗大，但是由于在熔合区形成了马氏体组织，马氏体是硬脆相，相比较于母材的铁素体、焊缝区域的固溶体铁素体，仍表现出较高的硬度。
　　（3）T4003铁素体不锈钢T形焊接接头的焊接过程为粗滴过渡形式，飞溅较少，电弧形态基本保持不变，焊接过程稳定。
　　参考文献
　　〔1〕康喜范。铁素体不锈钢〔M〕。北京：冶金工业出版社。2012。
　　〔2〕杨文平，闫志峰，王文先，等。443铁素体不锈钢随焊激冷焊接接头的组织性能〔J〕。材料热处理学报，2012，33（10）：96100。
　　〔3〕VillaretV，DeschauxBeaumeF，BordreuilC，etal。CharacterizationofgasmetalarcweldingweldsobtainedwithnewhighCrMoferriticstainlesssteelfillerwires〔J〕。MaterialsDesign，2013，51：474483。
　　〔4〕XuYT，ChenZP，ZhangG。Kineticmodelofdecarburizationanddenitrogenationinvacuumoxygendecarburizationprocessforferritestainlesssteel〔J〕。MetallurgicalandMaterialsTransactionsB，2009，40（3）345352。
　　〔5〕ZhangSX，GuanSK，LiuXT，etal。Astudyofthemicrostructureandgrainsizeattheweldingheataffectedzoneofaferritestainlesssteel〔J〕。MaterialsScienceForum，2008，575578：627632。
　　〔6〕LakshminarayananAK，BalasubramanianV。AssessmentofsensitizationresistanceofAISI409Mgradeferriticstainlesssteeljointsusingmodifiedstrausstest〔J〕。MaterialsDesign，2012，39：175185。
　　〔7〕LakshminarayananAK，BalasubramanianV。Anassessmentofmicrostructure，hardness，tensileandimpactstrengthoffrictionstirweldedferriticstainlesssteeljoints〔J〕。MaterialsDesign，2010，31（10）：45924600。
　　〔8〕阮強，李具仓，王军伟，等。铁素体不锈钢高温热影响区组织及焊接性能分析〔J〕。铸造技术，2015，36（6）：15541558。
　　〔9〕张勇，覃作祥，许鸿吉，等。经济型铁素体不锈钢焊接接头组织与耐蚀性能〔J〕。焊接学报，2012，33（12）：1822。
　　〔10〕鲁二敬，张艳辉，钮旭晶，等。不同焊接方法下T4003铁素体不锈钢焊接接头组织与性能〔J〕。电焊机，2018，48（3）：176180。
　　〔11〕王雪，李伟坡，何建英，等。不锈钢的药芯焊丝焊接过程中熔滴过渡行为分析〔J〕。热加工工艺，2012，47（5）：169172。