焊接修复对铁素体不锈钢焊接接头组织和性能的影响

刘琦，张尧，陈增有，马清波，许鸿吉

(1.中国北车集团 齐齐哈尔车辆(集团)有限责任公司，黑龙江 齐齐哈尔 161002;2.大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028)*

0 引言

铁道车辆的轻量化是铁道运输现代化的中心议题之一.以1.4003、T4003为代表的新型铁素体不锈钢以其成本低廉，并具有明显减轻车辆自重、延长车辆寿命、降低车辆的维修成本等优点［1-2］，在国内外的重载铁路货车上得到了广泛应用.然而，由于铁素体不锈钢存在固有的晶粒长大敏感性，其焊接性能相对较差，给车辆的焊接生产带来了一定困难［3-7］.深入研究焊修工艺及焊修次数对焊接接头组织和性能的影响，确定合理的焊修工艺和焊修次数对我国铁道车辆的制造水平、降低生产成本都具有十分重要的现实意义.

本文通过拉伸、弯曲、冲击、金相与硬度试验对不同焊修次数的T4003铁素体不锈钢焊接接头的组织与性能进行了研究，确定多次修复对铁素体不锈钢焊接接头组织和性能的影响规律，为实际生产提供依据.

1 试验材料及试样制备

1.1 试验材料

试验材料为T4003铁素体不锈钢热轧钢板，焊接材料为Φ1.2 mm的ER-308L焊丝.化学成分及力学性能如表1所示［8］.

表1 试验材料的化学成分与力学性能

1.2 试样制备

采用熔化极混合气体保护焊(GMAW)多层多道焊接，保护气体为97%Ar+3%CO2，对接试板单面开60°V型坡口，尺寸均为300 mm×200 mm×6 mm，坡口间隙1～2 mm.焊后试件均进行X射线探伤.焊修时采用机械加工的方法将原有的焊缝剔除，距熔合线约留1 mm的余量.焊接工艺参数如表2所示.

表2 焊接工艺参数

2 试验结果与分析讨论

2.1 拉伸试验

对不同焊修次数的T4003铁素体不锈钢焊接接头进行室温拉伸试验.试验按GB/T 2651－2008《焊接接头拉伸试验方法》和GB/T 228－2002《金属材料－室温拉伸试验方法》，在岛津电子万能试验机AG－IC上进行，其最大载荷为100 kN，速度为5 mm/min.试验结果如表3所示，可以看出:不焊修、焊修一次、焊修二次试件的抗拉强度平均值分别为533、540、586 MPa，大于母材的抗拉强度下限值480 MPa，均满足ISO 15614－1标准的要求.且随着焊修次数的增加，T4003铁素体不锈钢焊接接头的抗拉强度和屈服强度有所增加.

表3 焊接接头拉伸试验结果

2.2 弯曲试验

对不同焊修次数的T4003铁素体不锈钢焊接接头进行弯曲试验.试验按GB 2653－89《焊接接头弯曲及压扁试验方法》和GB 232《金属弯曲试验方法》，在WAE-300液压试验机上进行，试验分为面弯与背弯.弯曲试验结果如表4所示，焊接接头面弯、背弯180°时均未出现裂纹，表明焊接接头弯曲性能良好.

表4 焊接接头弯曲试验结果

表4 焊接接头弯曲试验结果(续表)

2.3 冲击试验

对不同焊修次数的T4003铁素体不锈钢焊接接头分别进行了室温和－40℃冲击试验.试验按GB/T 2650—2008《焊接接头冲击试验方法》，在JB—300B 300/150冲击试验机上进行.冲击试件缺口位置的确定按GB/T 2649—1989《焊接接头机械性能试验取样方法》的规定进行，缺口分别开在焊缝、热影响区和母材.冲击功的平均值如表5所示，可以看出:焊修次数与试验温度对T4003铁素体不锈钢焊接接头焊缝的冲击性能影响不大;随着试验温度的降低，母材的冲击性能有所降低，热影响区的冲击性能明显下降.焊修次数对焊接接头热影响区冲击性能的影响规律不明显，这可能与所开缺口的位置不同有关.

表5 焊接接头冲击试验结果 Akv/J

2.4 金相组织分析试验

不同焊修次数T4003铁素体不锈钢焊接接头经加工、打磨、抛光后，使用氯化铁饱和盐酸溶液腐蚀［9］，并在BX51M型光学显微镜下观察焊缝、热影响区和母材的显微组织形态如图1所示.可以看出不同焊修次数T4003铁素体不锈钢焊接接头焊缝的显微组织(如图1(a)所示)为奥氏体+δ铁素体;熔合区显微组织(如图1(c)、1(d)、1(e))所示，图中左侧为焊缝，中间为粗晶区，右侧为细晶区)为铁素体+马氏体，且晶粒粗大;母材的显微组织(如图1(b)所示)为块状铁素体，沿轧制方向成条状分布.

图1 焊接接头显微组织形貌

使用比较法测量T4003铁素体不锈钢对接接头粗晶区的晶粒度，使用弦计算法测量马氏体含量［10］，结果如表6所示，可以看出:焊接修复对粗晶区宽度、晶粒度与马氏体含量的影响不大.

表6 焊接接头粗晶区组织分析结果

2.5 硬度试验

根据GB/T 4342—1991《金属显微维氏硬度标准》，在MicroHardness Tester FM-700型显微硬度仪上分别测定了不同焊修次数焊接接头(包括母材和热影响区)的维氏硬度分布，试验载荷为200 gf，加载时间为15 s.焊接接头硬度曲线如图2所示，可以看出:不同焊修次数T4003铁素体不锈钢对接接头焊缝的显微硬度相近，约在200～250 HV之间;母材的显微硬度大致相同，均在180～220 HV之间;焊接修复对热影响区显微硬度的影响不大:不焊修试件热影响区显微硬度约在280～340 HV之间;焊修一次试件热影响区显微硬度约在230～350 HV之间;焊修二次试件热影响区显微硬度约在250～310 HV之间.

图2 焊接接头硬度曲线

3 结论

(1)焊修一、二次对T4003铁素体不锈钢焊接接头的抗拉、弯曲和冲击性能均影响不大;

(2)不同焊修次数T4003铁素体不锈钢焊接接头焊缝的显微组织为奥氏体+δ铁素体;熔合区的显微组织为铁素体+马氏体，晶粒粗大;母材的显微组织为块状铁素体，沿轧制方向成条状分布.焊接修复对焊接接头的粗晶区宽度、晶粒度与马氏体含量的影响不大;

(3)不同焊修次数T4003铁素体不锈钢对接接头焊缝的显微硬度相近，母材的显微硬度大致相同，焊接修复对T4003铁素体不锈钢热影响区显微硬度的影响不大.

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