董　強(qiáng)　許鴻吉　謝　明　岳秀峰　李　晨

(大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028 )

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薄板06Cr19Ni10不銹鋼焊接接頭組織與性能的研究

董強(qiáng)許鴻吉謝明岳秀峰李晨

(大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028 )

通過對(duì)微束等離子弧焊和冷金屬過渡焊(CMT)的1.5 mm厚 06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼薄板焊接接頭的組織與性能的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)微束等離子弧焊接頭抗拉強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度均略低于冷金屬過渡焊，兩種焊接方法下接頭彎曲性能均良好，焊縫區(qū)硬度均低于母材且CMT焊縫區(qū)硬度值略高于微束等離子弧焊，焊縫組織均為奧氏體+不同形態(tài)的δ鐵素體組織，組織呈柱狀晶。

06Cr19Ni10不銹鋼；微束等離子弧焊；CMT；組織與性能

06Cr19Ni10為亞穩(wěn)定型奧氏體不銹鋼，因其具較好的室溫、低溫力學(xué)性能，便于進(jìn)行機(jī)械加工、沖壓，且在氧化性環(huán)境中具有優(yōu)良的耐腐蝕性能和良好的耐熱性能而大量應(yīng)用于儀表儀器、醫(yī)療設(shè)備、石油精煉、鐵路機(jī)車等重要領(lǐng)域[1]。但相比于碳鋼，奧氏體不銹鋼具有電阻率高、熱導(dǎo)率小、線膨脹系數(shù)大等特點(diǎn)，因此在焊接過程中會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，容易出現(xiàn)燒穿和較大的焊接變形[2]。普通的焊接方法(MAG、MIG等)熱輸入大，焊接變形嚴(yán)重，不適宜不銹鋼尤其是薄板不銹鋼的焊接[3]。TIG焊雖然電弧穩(wěn)定，可以用于焊接不銹鋼薄板，但其生產(chǎn)效率低，大大限制了其在實(shí)際生產(chǎn)中的普遍應(yīng)用[4]。微束等離子弧焊、冷金屬過渡焊(cold metal transfer，即CMT焊)技術(shù)已成功應(yīng)用于大多數(shù)金屬的焊接中，國(guó)外已在奧氏體不銹鋼薄板的焊接生產(chǎn)中得到了較為廣泛應(yīng)用，為奧氏體不銹鋼的薄板焊接提供了一種高效可靠的焊接方法[5]。

本文對(duì)1.5 mm 厚06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼(304不銹鋼的新型號(hào))薄板的微束等離子弧焊和CMT焊接接頭性能以及顯微組織進(jìn)行了系統(tǒng)的對(duì)比分析研究，為我國(guó)奧氏體不銹鋼連接技術(shù)提供技術(shù)理論與實(shí)踐依據(jù)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

表1試驗(yàn)材料的化學(xué)成分(%)及力學(xué)性能

牌 號(hào)CSiMnCrNiSP抗拉強(qiáng)度σb/MPa屈服強(qiáng)度σp0.2/MPa伸長(zhǎng)率A/(%)06Cr19Ni100.0470.4181.14818.1478.0240.0010.041≥520≥210≥25ER308LSi0.0200.7001.70019.50010.3000.0100.010≥520≥210≥35

1　試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆臑?.5 mm厚的 06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼薄板，冷軋狀態(tài)供貨。微束等離子弧焊不使用任何焊接材料，采用微束等離子弧熔化母材直接進(jìn)行焊接，保護(hù)氣體為100%Ar；CMT選用φ1.0 mm的ER308LSi實(shí)芯焊絲，保護(hù)氣體為98%Ar+2%O2。其試驗(yàn)材料化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表1。

1.2試驗(yàn)方法

兩種焊接方法焊接時(shí)均采用對(duì)接焊接，其中，微束等離子弧焊采用雙面焊工藝，CMT采用單層單道焊，焊接工藝參數(shù)見表2。焊接試件焊后均進(jìn)行無損檢測(cè)試驗(yàn)：外觀檢測(cè)、滲透檢測(cè)和X射線檢測(cè)，3種檢測(cè)結(jié)果均為合格。對(duì)無損檢測(cè)試驗(yàn)合格的焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、表面硬度試驗(yàn)、脈動(dòng)拉伸疲勞試驗(yàn)以及顯微組織分析。

表2焊接工藝參數(shù)

焊接方法焊道數(shù)電流I/A電壓U/V保護(hù)氣體/流量q/(L/min)熱輸入Q/(kJ/mm)微束等離子弧焊134.918.8(100%Ar)/80.180234.918.8(100%Ar)/40.210CMT170.017.6(98%Ar+2%O2)/120.176

顯微組織分析采用Neophot-32數(shù)碼金相顯微鏡觀察焊接接頭的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及熔合區(qū)顯微組織，金相腐蝕液為氯化鐵鹽酸溶液；拉伸試驗(yàn)參照ISO4136:2001標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行；彎曲試驗(yàn)參照ISO15614-1:2004標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行；表面硬度試驗(yàn)參照GB/T4342-1991標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，利用FM-700型顯微硬度儀分別測(cè)量?jī)煞N焊接方法對(duì)接表面(包括母材區(qū)、熱影響區(qū)、熔合區(qū)和焊縫區(qū))的維氏硬度分布，并使用ORIGIN 75軟件繪制硬度曲線圖，顯微硬度儀的參數(shù)設(shè)置為：載荷50 gf(0.49 N)，保持時(shí)間15 s，步長(zhǎng)200 μm；采用JSM-6360M型掃描電鏡對(duì)拉伸試件及疲勞試件斷口形貌進(jìn)行觀察和分析；疲勞試驗(yàn)參照GB/T13816-92《焊接接頭脈動(dòng)拉伸疲勞試驗(yàn)方法》進(jìn)行，確定不同焊接工藝對(duì)焊接接頭疲勞性能的影響，試驗(yàn)設(shè)備為PLG-100型微機(jī)控制高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，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，采用升降法來計(jì)算焊接接頭的中值疲勞強(qiáng)度。

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1母材顯微組織

06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼母材顯微組織如圖1所示 ，這種鋼的組織為多邊形的奧氏體，部分晶粒呈孿晶， 有少量沿著軋制方向分布的黑色帶狀δ鐵素體，且奧氏體晶界上有點(diǎn)狀分布的顆粒狀M23C6碳化物。

2.2焊接接頭顯微組織

兩種焊接方法下的06Cr19Ni10不銹鋼焊接接頭顯微組織如圖2、圖3所示。圖2為焊縫區(qū)組織：奧氏體為基體，幾種類型的δ鐵素體形態(tài)(蠕蟲狀、板條狀的、骨架狀的)共存于焊縫中[6]，組織呈柱狀晶分布。圖2a由于微束等離子弧焊焊縫區(qū)冷速快且Creq/Nieq比值較高，因此以網(wǎng)狀δ鐵素體為主[7]；圖2b由于CMT焊縫區(qū)冷卻速度相對(duì)較慢且Creq/Nieq比值較低，因此以骨架狀δ鐵素體為主。圖3為熔合區(qū)組織：圖上部為焊縫，下部為熱影響區(qū)組織；由于兩種焊接方法的線能量均較低，所以熱影響區(qū)較窄，且無粗晶區(qū)出現(xiàn)。圖3a中由于微束等離子弧焊能量集中，焊接熱循環(huán)對(duì)熱影響區(qū)沒有顯著影響，只有少量的鏈狀分布的δ鐵素體；而圖3b中的熱影響區(qū)靠近熔合線的位置晶粒細(xì)化，有大量鏈狀分布的δ鐵素體。在熔合區(qū)板條狀δ鐵素體分布在奧氏體晶內(nèi)，板條間相互平行，由于微束等離子弧焊線能量較CMT大，所以熔合區(qū)更寬，組織也更粗大，對(duì)力學(xué)性能有顯著影響。

2.3拉伸試驗(yàn)

對(duì)06Cr19Ni10不銹鋼兩種焊接方法下的焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3中可知，試件的抗拉強(qiáng)度均遠(yuǎn)高于母材抗拉強(qiáng)度的下限值520 MPa；但微束等離子弧焊試件(均斷于熔合區(qū))平均抗拉強(qiáng)度652.5 MPa，低于CMT試件(均斷于母材)抗拉強(qiáng)度684 MPa。

表3拉伸試驗(yàn)結(jié)果

焊接方法試件編號(hào)實(shí)測(cè)尺寸/mm抗拉強(qiáng)度σb/MPa平均值/MPa斷裂位置微束等離子弧焊124.9×1.5658.0224.9×1.5647.0652.5熔合區(qū)熔合區(qū)CMT124.9×1.5697.0224.9×1.5671.0684.0母材母材

兩種焊接方法下的06Cr19Ni10不銹鋼焊接接頭拉伸試樣斷口的掃描電鏡圖像如圖4、圖5所示。圖4為拉伸試件斷口全貌，觀察其拉伸試件斷口的全貌，均無可視的焊接缺陷；圖5為拉伸試件斷口中心，拉伸試件中心形貌為韌窩形態(tài)，具有韌性斷裂的特點(diǎn)。由圖3的顯微組織分析可知，微束等離子弧焊熔合區(qū)組織粗大，導(dǎo)致力學(xué)性能降低，所以斷于此處；而CMT焊接接頭顯微組織優(yōu)良，所以抗拉強(qiáng)度較高，斷于母材。

2.4彎曲試驗(yàn)

對(duì)兩種焊接方法下的06Cr19Ni10不銹鋼焊接接頭進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，所有面彎和背彎試件在彎曲角度達(dá)到180°的過程中均未出現(xiàn)裂紋，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求且具有良好的彎曲性能。彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4彎曲試驗(yàn)結(jié)果

焊接方法試樣編號(hào)彎軸直徑D/mm支輥間距L/mm彎曲角度θ/(°)檢測(cè)結(jié)果備注CMT1610180合格面彎2610180合格背彎3610180合格面彎4610180合格背彎微束等離子弧焊1610180合格面彎2610180合格背彎3610180合格面彎4610180合格背彎

2.5表面硬度試驗(yàn)

對(duì)兩種焊接方法下的06Cr19Ni10不銹鋼焊接接頭進(jìn)行表面硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明：采用CMT焊接時(shí)焊縫區(qū)硬度在196～209 HV之間，熔合線處硬度為199 HV，熱影響區(qū)至母材區(qū)硬度呈上升趨勢(shì)，在201～224 HV之間；采用微束等離子弧焊接時(shí)焊縫區(qū)硬度在190～200 HV之間，熔合線處硬度為205 HV，熱影響區(qū)至母材區(qū)硬度呈上升趨勢(shì)，在201～227 HV之間。

兩種焊接方法焊縫區(qū)硬度均低于母材區(qū)硬度，這是由于母材為冷軋狀態(tài)供貨，有加工硬化現(xiàn)象，且焊縫中有少量的δ鐵素體，所以CMT焊縫硬度低于母材；微束等離子弧焊焊縫區(qū)晶粒粗大，所以微束等離子弧焊焊縫硬度低于母材。CMT焊縫晶粒細(xì)小、均勻，有細(xì)晶強(qiáng)化作用，所以焊縫區(qū)硬度略高于微束等離子弧焊。由顯微組織圖可以看出CMT熱影響區(qū)較寬，且由于熱影響區(qū)的鏈狀δ鐵素體較多，導(dǎo)致硬度值略低，與硬度試驗(yàn)結(jié)果相符。

2.6疲勞試驗(yàn)

兩種焊接方法下的06Cr19Ni10不銹鋼焊接接頭條件疲勞極限升降圖分別如圖7所示。圖7a為微束等離子弧焊焊接接頭條件疲勞極限升降圖，通過升降法確定焊接接頭指定壽命為1×107次循環(huán)下的疲勞極限，疲勞試驗(yàn)有3級(jí)應(yīng)力水平，每組疲勞試驗(yàn)有5個(gè)子樣對(duì)。圖7b為CMT焊接接頭條件疲勞極限升降圖，通過升降法確定焊接接頭指定壽命為1×107次循環(huán)下的疲勞極限，疲勞試驗(yàn)有3級(jí)應(yīng)力水平，每組疲勞試驗(yàn)有5個(gè)子樣對(duì)。

通過上面的計(jì)算結(jié)果可以看出與微束等離子弧焊焊接接頭相比，CMT焊接接頭疲勞強(qiáng)度提高了10 MPa。雖然兩種疲勞試樣均保留余高，且CMT疲勞試樣的余高較高，但其焊縫成形以及焊趾處過渡較好，應(yīng)力集中相對(duì)降低，同時(shí)熔合區(qū)組織相對(duì)細(xì)小，均導(dǎo)致CMT焊試樣的疲勞強(qiáng)度較高。

06Cr19Ni10不銹鋼焊接接頭(保留余高)疲勞裂紋均產(chǎn)生于焊趾處。圖8、圖9分別為兩種焊接方法下的06Cr19Ni10不銹鋼焊接接頭疲勞斷裂試樣脈動(dòng)拉伸疲勞斷口掃描電鏡形貌。由圖可以看出：試件的疲勞斷口可以分為啟裂區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)；試件的疲勞裂紋均從試件邊緣處啟裂，試件啟裂區(qū)均無可視的夾雜、夾渣等直接影響到疲勞強(qiáng)度的焊接缺陷；疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)具有典型的疲勞斷裂特征，疲勞紋清晰并很粗；擴(kuò)展區(qū)的大小隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加而增大。因此疲勞試件斷于焊趾處是由于焊接接頭保留余高，導(dǎo)致焊趾處應(yīng)力集中，且熔合區(qū)組織較粗大，導(dǎo)致力學(xué)性能降低，當(dāng)不斷承受疲勞載荷時(shí)，該處極易發(fā)生疲勞斷裂。

3　結(jié)語

(1)兩種焊接方法下的06Cr19Ni10不銹鋼接頭顯微組織：微束等離子弧焊焊縫區(qū)以網(wǎng)狀δ鐵素體為主，CMT焊縫區(qū)以骨架狀δ鐵素體為主；微束等離子弧焊焊接接頭熱影響區(qū)保留了母材的組織特征，只有少量的鏈狀分布的δ鐵素體； CMT熱影響區(qū)靠近熔合線的位置晶粒細(xì)化，有大量鏈狀分布的δ鐵素體；兩者熔合區(qū)組織相近，為板條狀δ鐵素體分布在粗大的奧氏體晶內(nèi)，板條間相互平行，其中微束等離子弧焊熔合區(qū)更寬且組織也更粗大。

(2)06Cr19Ni10不銹鋼采用微束等離子弧焊時(shí)焊接接頭抗拉強(qiáng)度低于CMT焊，兩種焊接方法下接頭彎曲性能均良好。兩種焊接方法下接頭焊縫區(qū)硬度均低于母材區(qū)硬度，CMT比微束等離子弧焊焊縫區(qū)硬度值略高，熱影響區(qū)略小。

(3)兩種焊接方法下的06Cr19Ni10不銹鋼焊接接頭疲勞裂紋均產(chǎn)生于焊趾處，微束等離子弧焊焊接接頭疲勞強(qiáng)度低于CMT焊。

[1]陳文學(xué)，康猛，姜殿忠，等．06Cr19Ni10不銹鋼的焊接工藝研究[J]．焊接與切割，2015(8)：77-79．

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[3]張燾，徐道榮．薄壁管板的微束等離子弧焊接試驗(yàn)研究[J]．現(xiàn)代焊接，2008(12)：11-13．

[4]陳文智．超薄不銹鋼微束等離子焊接工藝研究[J]．裝備維修技術(shù)，2013(1)：41-50．

[5]楊修榮．超薄板的CMT冷金屬過渡技術(shù)[J]．焊接，2005(12)：52-54．

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Research on microstructure and properties of welded joints of 06Cr19Ni10 stainless steel sheet

DONG Qiang, XU Hongji, XIE Ming, YUE Xiufeng, LI Chen

(School of Materials Science and Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, CHN)

Research on microstructures and properties of 1.5mm thick 06Cr19Ni10 austenitic stainless steel sheet welded joints of micro-beam plasma arc welding and cold metal transfer welding(CMT) indicates the micro-beam plasma arc welded joints tensile strength and fatigue strength are slightly lower than cold metal transfer welded joints, welded joints bending property under two kinds of welding methods are good, hardness of the welded zone are lower than base metal and cold metal transfer welding welded zone hardness values is lightly higher than micro-beam plasma arc welding, welded microstructure are austenite and different forms of δ ferrite, and the microstructure is columnar crystal.

06Cr19Ni10 stainless steel; micro-beam plasma arc welding; CMT; microstructures and properties

TG444

A

董強(qiáng)，男，1989年生，碩士研究生，從事軌道交通關(guān)鍵材料的焊接技術(shù)。

(編輯汪藝)(2016-01-12)

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