于 巖，宗桓旭，魯二敬，桂洪利，張艷輝

（1.中國(guó)中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山063035；2.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連116028）

保護(hù)氣體對(duì)1.4003不銹鋼焊接接頭組織和疲勞性能的影響

于 巖1，宗桓旭2，魯二敬1，桂洪利1，張艷輝1

（1.中國(guó)中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山063035；2.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連116028）

CO2與O2作為MAG焊接時(shí)常用的活性氣體，對(duì)1.4003不銹鋼接頭的金相組織與疲勞性能有不同的影響。通過金相組織分析和脈動(dòng)拉伸疲勞試驗(yàn)，研究?jī)煞N保護(hù)氣氛下1.4003鋼MAG焊接頭的組織和疲勞性能。結(jié)果表明：兩種接頭焊縫組織的基體均為奧氏體，基體上分布δ鐵素體；當(dāng)保護(hù)氣體為φ（Ar）95%+φ（CO2）5%時(shí)，中值疲勞強(qiáng)度為 312.5 MPa；當(dāng)保護(hù)氣體為 φ（Ar）97%+φ（O2）3%時(shí)，中值疲勞強(qiáng)度為302.5MPa。兩種保護(hù)氣體的疲勞試件斷裂位置主要集中在熱影響區(qū)，均有明顯的啟裂源，擴(kuò)展區(qū)疲勞紋清晰，終斷區(qū)形態(tài)為韌窩型韌性斷口。

1.4003不銹鋼；MAG焊接頭；金相組織；疲勞性能

0 前言

采用不銹鋼車體可以顯著降低車輛自重、增加載重、節(jié)約能源、減少維護(hù)成本，對(duì)鐵路車輛具有長(zhǎng)遠(yuǎn)可觀的經(jīng)濟(jì)效益[1]。相比于昂貴的鉻鎳奧氏體不銹鋼等材料，鐵素體不銹鋼材料因其成本低廉、防腐蝕性能好、美觀安全等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于準(zhǔn)高速車輛[2]。車體的焊接部位往往是車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最薄弱部位，在列車服役期間最容易發(fā)生疲勞斷裂失效，而焊接結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性決定了車體的疲勞可靠性。鐵路車輛速度的提升和運(yùn)輸質(zhì)量的增加，對(duì)鐵素體不銹鋼車體焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度提出了新的要求。采用MAG焊接鐵素體不銹鋼，可以克服MIG和TIG焊接時(shí)陰極斑點(diǎn)漂移現(xiàn)象并改善焊縫成形。目前生產(chǎn)實(shí)踐中常用保護(hù)氣體有φ（Ar）95%+φ（CO2）5%和 φ（Ar）97%+φ（O2）3%，研究這兩種保護(hù)氣體下的1.4003鐵素體不銹鋼MAG焊接接頭的疲勞性能有利于企業(yè)改善生產(chǎn)質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本。在此通過金相組織分析和脈動(dòng)拉伸疲勞試驗(yàn)，研究這兩種保護(hù)氣體對(duì)1.4003不銹鋼MAG焊對(duì)接接頭疲勞性能的影響，為生產(chǎn)實(shí)踐中保護(hù)氣體的選擇提供理論參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆臑闅W洲標(biāo)準(zhǔn)EN10088—1.4003鐵素體不銹鋼，試板尺寸300 mm×300 mm×3 mm，焊接材料為直徑φ1.0 mm的ER308實(shí)心焊絲。試驗(yàn)材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、表2所示。

表1 母材和焊絲的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of base metal and wire %

表2 母材和焊絲的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of base metal and wire

1.2 試驗(yàn)方法

采用 MAG 焊，I型坡口，分別使用 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%和 φ（Ar）97%+φ（O2）3%為保護(hù)氣體進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)。焊后依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試件進(jìn)行外觀（ISO17637）、滲透（ISO23277）、射線（ISO17636）檢測(cè)。要求試板平直，盡量減少變形。焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding process parameters

焊后對(duì)焊接試板進(jìn)行金相試樣加工，研磨、拋光后選用FeCl3溶液浸蝕金相試樣，采用BX51M金相顯微鏡觀察兩種保護(hù)氣體下接頭的顯微組織形態(tài)。

分別對(duì)兩種保護(hù)氣氛下的MAG焊接頭進(jìn)行脈動(dòng)拉伸疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備為PLG-100型微機(jī)控制高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，其技術(shù)規(guī)格為：靜態(tài)負(fù)荷精度±1%，動(dòng)負(fù)荷平均波動(dòng)度±1%，動(dòng)負(fù)荷振幅波動(dòng)度±2%。試驗(yàn)采用的循環(huán)應(yīng)力比R=0.1，指定循環(huán)壽命取1×107次。試驗(yàn)過程中，當(dāng)疲勞裂紋尺寸足夠大導(dǎo)致載荷加不上去時(shí)，自動(dòng)卸載停振，并記錄循環(huán)次數(shù)。

試驗(yàn)時(shí)按常規(guī)方法測(cè)定S-N曲線，按每一應(yīng)力水平取1個(gè)試件確定S-N曲線的高應(yīng)力段，各SN曲線的水平段均是通過升降法確定的指定壽命為1×107次時(shí)的中值疲勞極限強(qiáng)度σ0.1。所有疲勞試件經(jīng)正反打磨，去掉余高。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 金相組織

兩種保護(hù)氣氛下的焊縫組織如圖1a、1b所示，形態(tài)大致相同。根據(jù)舍夫勒組織圖和熔合比可知，焊縫為F-A結(jié)晶模式，組織為白色奧氏體基體分布著黑色板條狀鐵素體和網(wǎng)狀鐵素體。以這種模式凝固時(shí)，首先析出鐵素體，使得凝固的晶粒邊界存在奧氏體+鐵素體兩項(xiàng)混合組織，有效避免了焊接凝固裂紋的產(chǎn)生[3]。熔合區(qū)如圖1c、1d所示，熔合線較明顯；圖片左上角為熱影響區(qū)，由于受到焊接熱循環(huán)的影響，晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，組織均為粗大多邊形鐵素體，晶粒度2～3級(jí)，且鐵素體基體上分布著少量黑色點(diǎn)狀碳化物；圖片右下角為焊縫邊緣，該處組織均為黑色鐵素體分布在白色奧氏體基體上，鐵素體形態(tài)以板條狀為主，由于焊縫邊緣處冷卻速度較快，所以晶粒呈明顯的柱狀晶分布。

圖1 焊接接頭的顯微組織Fig.1 Microstructure of welded joints

2.2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果及分析

疲勞試件宏觀斷口如圖2所示。觀察兩種不同保護(hù)氣氛下接頭的疲勞試件宏觀斷口發(fā)現(xiàn)，所有試件斷裂位置均在熱影響區(qū)，且裂紋都是從熱影響區(qū)一側(cè)的邊緣啟裂。觀察金相組織可知，焊縫鐵素體組織細(xì)小，增加了焊縫內(nèi)晶粒的位錯(cuò)密度，單位面積內(nèi)晶界數(shù)量也遠(yuǎn)多于過熱區(qū)，在疲勞試驗(yàn)施加載荷方向上，過熱區(qū)晶粒粗大，難以抵抗多次拉伸載荷的作用，因此，疲勞裂紋極易產(chǎn)生在熱影響區(qū)的過熱粗晶區(qū)。

圖2 疲勞試件宏觀圖片F(xiàn)ig.2 Macrophotograph of fatigue specime

通過升降法確定不同保護(hù)氣下的1.4003鐵素體不銹鋼MAG接頭指定壽命為1×107次循環(huán)下的疲勞極限。保護(hù)氣氛為 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%的疲勞試驗(yàn)應(yīng)力水平3級(jí)，有效試樣數(shù)11個(gè)，子樣對(duì)4個(gè)；保護(hù)氣氛為 φ（Ar）97%+φ（O2）3%的疲勞試驗(yàn)應(yīng)力水平4級(jí)，有效試樣數(shù)12個(gè)，子樣對(duì)4個(gè)。二者疲勞極限升降如圖3所示。

圖3 不同保護(hù)氣體下的疲勞極限升降Fig.3 Fatigue limit lift figure with different protective atmosphere

用升降法計(jì)算兩種焊接接頭的中值疲勞強(qiáng)度。

保護(hù)氣體為 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%時(shí)：

保護(hù)氣體為 φ（Ar）97%+φ（O2）3%時(shí)：

采用保護(hù)氣體為 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%時(shí)的MAG焊接接頭中值疲勞強(qiáng)度比采用φ（Ar）97%+φ（O2）3%高10 MPa，疲勞性能更好。兩種保護(hù)氣氛下接頭脈動(dòng)拉伸疲勞的中值S-N曲線對(duì)比如圖4所示，兩種焊接接頭的疲勞強(qiáng)度較為接近，φ（Ar）95%+φ（CO2）5%下接頭的疲勞性能更好。

圖4 不同保護(hù)氣體下疲勞中值S-N曲線對(duì)比Fig.4 Fatigue median S-N curve contrast with different protective atmosphere

在JSM-6360LV型掃描電鏡上進(jìn)行疲勞斷口微觀形貌分析，如圖5所示。兩種保護(hù)氣氛下疲勞斷口的啟裂區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、終斷區(qū)的掃描照片較為相似，以 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%的疲勞斷口為例，由啟裂區(qū)（見圖5a）可知，試件斷口處無夾雜、夾渣等焊接缺陷，有明顯的啟裂源；擴(kuò)展區(qū)（見圖5b）疲勞紋清晰，疲勞紋大小隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加而增大；終斷區(qū)（見圖5c）斷口形貌有大量韌窩。

3 結(jié)論

（1）兩種保護(hù)氣體下接頭的焊縫組織均為白色奧氏體基體上分布板條狀和網(wǎng)狀鐵素體；過熱區(qū)組織均為粗大的多邊形鐵素體，晶粒度2～3級(jí)，鐵素體基體上分布著少量黑色碳化物。

（2）1.4003鐵素體不銹鋼MAG焊對(duì)接接頭指定壽命為 1×107次的中值疲勞極限強(qiáng)度 σ0.1：φ（Ar）95%+φ（CO2）5%保護(hù)氣體下為 312.5MPa，φ（Ar）97%+φ（O2）3%保護(hù)氣體下則為 302.5 MPa。φ（Ar）95%+φ（CO2）5%下接頭疲勞性能更好。

圖5 疲勞試件斷口形貌Fig.5 Fracture appearance of welding specimen

[1]姚明哲，楊志勇，馬秋紅，等.不銹鋼軌道車輛的特點(diǎn)[J].裝備機(jī)械，2015（3）：10-13.

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Effect of protective atmosphere on microstructure and fatigue performance of 1.4003 stainless steel welded joints

YU Yan1，ZONG Huanxu2，LU Erjing1，GUI Hongli1，ZHANG Yanhui1
（1.CRRC TANGSHAN Co.，Ltd.，Tangshan 063035，China；2.School of Materials Science and Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China）

The oxygen and carbon dioxide are available active gas and both are applied to MAG，and have different influence on the mechanical properties and microstructure of stainless steel.Through pulsating tensile fatigue test and microstructure analysis，studied that the microstructure and fatigue performance of MAG welding butt joint of 1.4003 steel under two kind of protective atmospheres.The results show that，the microstructure of base metal of two welds are both austenitic，and the δ ferrite are on the matrix；the median fatigue strength of φ（Ar）95%+φ（CO2）5%is 312.5 MPa，the median fatigue strength of φ（Ar）97%+φ（O2）3%is 302.5 MPa.The fracture location of specimen is mainly concentrated in the heat affected zone.The crack starter location is obvious on the crack initiation zone，the fatigue beach on the extending zone is vivid，the final broken zone is the toughness fracture of dimple type.

1.4003 stainless steel；MAG welded joint；microstructure；fatigue performance

TG406

A

1001-2303（2017）10-0067-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.14

本文參考文獻(xiàn)引用格式：于巖，宗桓旭，魯二敬，等.保護(hù)氣體對(duì)1.4003不銹鋼焊接接頭組織和疲勞性能的影響[J].電焊機(jī)，2017，47（10）：67-70.

2017-07-08

于 巖（1987—），男，碩士，主要從事軌道交通車輛焊接工藝的研究工作。E-mail：yuytielang@126.com。

宗桓旭（1992—），男，碩士研究生，主要從事軌道交通關(guān)鍵材料的連接的研究。E-mail：m18841123974_1@163.com。