鐵路貨車用鐵素體不銹鋼焊接試驗研究

王洪濤

摘要：本文焊接試驗針對某鋼鐵（集團）公司生產(chǎn)的TCS系列不銹鋼，采用多種實芯焊絲、藥芯焊絲和焊條進行了焊接性試驗，對比了不同焊接材料的接頭力學(xué)性能、金屬顯微組織和沖擊斷口形貌。

關(guān)鍵詞：鐵路貨車；鐵素體不銹鋼；焊接

1 鐵素體不銹鋼焊接特點

（1）鐵素體不銹鋼的鐵素體形成元素相對較多，奧氏體形成元素相對較少，材料淬硬和冷裂傾向較小。鐵素體不銹鋼在焊接熱循環(huán)的作用下，熱影響區(qū)晶粒明顯長大，接頭的韌性和塑性急劇下降。熱影響區(qū)晶粒長大的程度取決于焊接時所達到的最高溫度及其保持時間，焊接高溫作用下，在加熱溫度達到1000℃以上的熱影響區(qū)特別在近縫區(qū)的晶粒會急劇長大，焊后即使快速冷卻，也無法避免因晶粒粗大化引起的韌性急劇下降及較高的晶間腐蝕傾向。為此，在焊接鐵素體不銹鋼時，應(yīng)盡量采用小的線能量，即采用能量集中的方法，如小電流TIG、小直徑焊條手工焊等，同時盡可能采用窄間隙坡口、高的焊接速度和多層焊等措施，并嚴格控制層間溫度。

（2）鐵素體鋼本身含鉻量較高，有害元素碳、氮、氧等也較多，脆性轉(zhuǎn)變溫度較高，缺口敏感性較強。因此，焊后脆化現(xiàn)象較為嚴重。

（3）在400℃～600℃長時間加熱緩冷時，會出現(xiàn)475℃脆化，使常溫韌性嚴重下降。在550℃～820℃長時間加熱后，則容易從鐵素體中析出相，也明顯降低其塑、韌性。

（4）由于焊接熱循環(huán)的作用，一般鐵素體不銹鋼在熱影響區(qū)的高溫區(qū)產(chǎn)生敏化，在某些介質(zhì)中產(chǎn)生晶間腐蝕。焊后經(jīng)700～850℃退火處理，使鉻均勻化，可恢復(fù)其耐蝕性。

（5）普通高鉻鐵素體不銹鋼可采用焊條電弧焊、氣體保護焊、埋弧焊焊等熔焊方法。由于高鉻鋼固有的低塑性，以及焊接熱循環(huán)引起的熱影響區(qū)晶粒長大和碳化物、氮化物在晶界集聚，焊接接頭的塑性和韌性都很低。在采用與母材化學(xué)成分相似的焊材且拘束度大時，很易產(chǎn)生裂紋。

2 TCS不銹鋼焊接的主要問題

TCS不銹鋼的特點是Cr和Ni的含量較低，ω（Cr）=10.5%～12.5%，ω（Ni）=0.3%～1.0%，大大低于普通奧氏體不銹鋼（18-8），在不銹鋼中，成本低廉。TCS不銹鋼母材的力學(xué)性能良好，基本可以達到同強度級別的合金鋼或耐候鋼的標準。TCS不銹鋼焊接的主要問題是焊接熱影響區(qū)中過熱區(qū)的晶粒粗化。其原因是該鋼種γ相溫度區(qū)間較窄，高溫仍然存在α相，并且溫度區(qū)間較寬，因此，隨著溫度的升高，α相的長大傾向嚴重。粗晶區(qū)的寬度一般不超過1mm，但對焊接接頭的韌性影響很大。焊接熱影響區(qū)熔合線沖擊斷口形貌，中部較亮部分是熔合線母材一側(cè)斷口，晶粒粗大，為脆性斷裂；左側(cè)為母材，晶粒較細，有韌性特征；右側(cè)為焊縫，為韌性形貌。熔合線沖擊功與母材或焊縫相比，一般可下降50%以上。目前克服這一問題的主要方法是減少焊接熱輸入，縮短焊接熱影響區(qū)在高溫處停留的時間，從而減小粗晶區(qū)寬度。但是，焊接熱輸入的減小對于保證焊接外觀質(zhì)量帶來一定難度，不利于焊接的成形。當然，由于該鋼種的含碳量極低，并且冷卻時的γ相轉(zhuǎn)變量有限，因此，快速冷卻不會產(chǎn)生或硬化傾向，這一點又有利于小熱輸入焊接。

采用正確的焊接方法和焊接材料，對于保證該鋼種的焊接質(zhì)量極為重要，通常所用的焊接方法有氣體保護焊和焊條電弧焊，焊接材料采用奧氏體或雙相不銹鋼焊材。氣體保護焊的優(yōu)點是焊接速度快，

焊接效率高，熱影響也相對較小。焊接材料采用奧氏體類型，可以確保低溫時的焊縫韌性，彌補鑄態(tài)焊縫晶粒較粗的不足。

3 試驗方法和結(jié)果

焊接試驗分別采用實芯焊絲ω（Ar）97.5%+ω（CO2）2.5%氣體保護焊（MAG焊）、藥芯焊絲CO2氣體保護焊（MAG焊）和焊條電弧焊（MMA焊）三種焊接方法，接頭形式為對接，試板厚度12mm，焊接工藝

硬度試驗結(jié)果表明，三種焊接方法的焊接熱影響區(qū)硬度有所不同，其中電焊條下降幅度較大。焊縫硬度與母材硬度相差不大，實芯焊絲略低于母材，藥芯焊絲和電焊條略高于母材。三種焊接方法焊接接頭的拉伸和彎曲試驗結(jié)果：抗拉強度Rm=450～650MPa，屈服強度Rp0.2≥345MPa（鐵道部運裝貨車[2005]478號），d=3a，180°合格。-40℃焊縫沖擊試驗結(jié)果如表3所示。試驗結(jié)果表明，實芯焊絲焊縫沖擊功較高，而藥芯焊絲和電焊條焊縫的沖擊功相對較低，其中，電焊條焊縫的沖擊功最低。三種焊材的試驗結(jié)果均達到大于等于27J（-40℃）的母材標準。

4 試驗結(jié)果分析

焊接工藝試驗結(jié)果顯示，實芯焊絲采用噴射過渡時，焊接電弧較為穩(wěn)定，但由于電弧較長，焊接時電弧易產(chǎn)生一定的漂移，角焊時寬度不易控制。藥芯焊絲保護氣體采用CO2，熔滴為細顆粒過渡，焊縫表面成形較好。電焊條焊接時的熔滴過渡也是細顆粒過渡，成形良好，余高較小。實芯焊絲、藥芯焊絲或電焊條三種方法比較。從焊縫力學(xué)性能上看，實芯焊絲由于焊縫夾雜物含量低，低溫韌性較好，但焊接工藝性能相對較差；從焊接工藝性能上看，藥芯焊絲由于電弧穩(wěn)定，焊縫成形較好，但夾雜物的存在，使低溫沖擊韌性下降。

5 結(jié)語

（1）采用奧氏體焊接材料焊接TCS鐵素體不銹鋼，實芯焊絲ω（Ar）97.5%+ω（CO2）2.5%氣體保護焊（MAG焊）、藥芯焊絲CO2氣體保護焊（MAG焊）和焊條電弧焊（MMA焊）三種方法，焊接接頭力學(xué)性能均能滿足使用要求。

（2）相比之下，實芯焊絲的焊縫的韌性較高，雖然焊接工藝性能稍差，因此更適合焊接TCS鐵素體不銹鋼。藥芯焊絲和電焊條的焊接工藝性能稍好，但焊縫的韌性處于較低水平，因此，總體性能不如實芯焊絲。

（3）焊縫斷口分析表明，實芯焊絲的焊縫夾雜物含量較低，藥芯焊絲焊縫夾雜物明顯增加，電焊條的焊縫夾雜物相對最多。

參考文獻：

[1]鄭淮北，葉曉寧，張雪峰，等.12%Cr鐵素體不銹鋼粗晶區(qū)組織轉(zhuǎn)變和晶粒長大及析出相分析[J].焊接學(xué)報，2011，32（6）：37-40.

（作者單位：中車齊齊哈爾車輛有限公司）