保护气体对06Cr19Ni10钢焊接接头组织与性能的影响

宗桓旭，许鸿吉，耿 涛，祁艺洋

（大连交通大学材料科学与工程学院，辽宁大连116028）

保护气体对06Cr19Ni10钢焊接接头组织与性能的影响

宗桓旭，许鸿吉，耿 涛，祁艺洋

（大连交通大学材料科学与工程学院，辽宁大连116028）

通过拉伸、弯曲、硬度试验和金相分析，研究 06Cr19Ni10 不锈钢在 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%和 φ（Ar）97%+φ（O2）3%两种保护气体下的MAG焊接头。结果表明：两种接头均具有良好的拉伸和弯曲性能；两者的显微硬度分布大致相同，焊缝硬度最高，热影响区硬度最低；母材基体组织为奥氏体，基体上有少量沿轧制方向分布的带状δ铁素体；焊缝中心为黑色树枝状δ铁素体均匀分布在白色奥氏体基体上，且晶粒细小均匀；熔合线附近为柱状奥氏体组织和板条状铁素体组织；热影响区组织为奥氏体基体上兼有少量δ铁素体。

06Cr19Ni10不锈钢；MAG焊；组织与性能

0 前言

奥氏体不锈钢具有良好的抗腐蚀性能、力学性能和工艺性能，是轨道车辆、石油化工、动力及轻工等工业部门中常用的钢材[1]。采用MAG方法焊接不锈钢，其掺入的活性气体可以克服使用纯氩气焊接时产生的阴极斑点漂移现象，并改善焊缝成形[2-3]。目前在奥氏体不锈钢车辆的焊接生产中，常用的MAG焊保护气体有 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%和 φ（Ar）97%+φ（O2）3%，两者的活性气体加入比例有所不同，因而可能影响其焊接接头组织与性能的差异[4-5]。在此通过拉伸、弯曲、硬度、金相等试验，研究06Cr19Ni10钢在这两种保护气体下MAG焊接头的显微组织和力学性能，为奥氏体不锈钢焊接的保护气体选择提供一定的理论依据。

1 试验材料及试验方法

试验母材选用06Cr19Ni10奥氏体不锈钢，焊接材料为直径φ1.0 mm的ER308实心焊丝。试验母材和焊接材料的化学成分和力学性能分别如表1、表2所示。

焊接试板尺寸为350 mm×150 mm×6 mm，采用MAG 焊多层焊工艺，分别采用 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%和 φ（Ar）97%+φ（O2）3%作为保护气体焊接试板。试件焊后均进行外观（ISO17637）、渗透（ISO23277）、射线（ISO17636）检测。要求试件平直，尽量减少变形。焊接工艺参数如表3所示。

表1 试验母材的化学成分Table 1 Chemical composition of the experimental materials %

表2 焊接材料的力学性能Table 2 Mechanical properties of the welding materials

表3 焊接工艺参数Table 3 Welding process parameters

焊后按相关标准对06Cr19Ni10的MAG焊接接头分别进行室温拉伸、弯曲、硬度等力学性能试验。依照标准GB/T2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》进行拉伸试验；按GB2653-2008《焊接接头弯曲及压扁试验方法》分别进行面弯和背弯试验；依照标准GB/T4340.1-2009《金属材料维氏硬度试验》进行硬度试验，利用FM-700型显微硬度仪测量焊接接头表面的维氏硬度分布，显微硬度仪的参数设置为：载荷200 gf（1.96 N），保持时间15 s，步长180 μm；采用金相显微镜观察焊接接头的母材、热影响区、焊缝的显微组织，金相腐蚀液为氯化铁盐酸溶液。

2 试验结果及分析

2.1 拉伸试验

06Cr19Ni10不锈钢焊接接头的室温拉伸试验结果如表4所示。两组拉伸试样均断在焊缝处，根据GB/T 4237-2007标准，06Cr19Ni10奥氏体不锈钢的抗拉强度应大于等于515 MPa，而两种保护气体下对接接头拉伸试样中抗拉强度最小为592 MPa（见表4），均符合标准要求，具有良好的拉伸性能。但从两者的抗拉强度平均值看，φ（Ar）97%+φ（O2）3%组的拉伸性能更好。

表4 焊接接头拉伸试验结果Table 4 Result of tensile test

两种保护气体下接头的拉伸断口扫描观察结果如图1所示。

图1 拉伸试样断口形貌Fig.1 Fracture morphology of tensile samples

进行破断分析时，根据断裂面三个区的形态和在断口所占比例可粗略评价构件的性能，判断材料的韧性。纤维区和剪切唇越大，则材料的塑性、韧性越好。这两组试件的宏观断口的放射区面积都很小，纤维区已毗邻剪切唇区，观察全貌可知二者的韧性均良好。

两种保护气体下接头的拉伸断口形貌较相似，以 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%的断口为例，在全貌（见图1a）下可以观察到明显的区域性。断口中央为纤维区，其特征是凹凸不平、无光泽且呈暗灰色；放射区面积较小，放射元呈现挺直的纤维状，方向与裂纹扩展方向一致；剪切唇区平滑发亮。在拉伸断口的中心区域（见图1b），有大量细小韧窝。接头断口属于明显的韧性断裂，也说明二者的韧性良好。

2.2 弯曲试验

06Cr19Ni10不锈钢焊接接头的弯曲试验结果如表5所示。按照ISO 15614-1标准，延伸率大于或等于20%的母材，压头直径应为试样厚度的4倍，本试验中所用压头直径为20 mm。机械加工的冷弯试样经过180°面弯和背弯后，均未发现裂纹，因此，两种保护气体下的焊接接头弯曲性能良好。

表5 弯曲试验结果（试样尺寸250 mm×20 mm×5 mm）Table 5Result of bending test（250 mm×20 mm×5 mm）

2.3 硬度试验

两种保护气体下接头硬度分布对比曲线如图2所示。

保护气体为 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%的接头焊缝硬度为268～282 HV；熔合线处硬度为250 HV；热影响区为250～261 HV；母材硬度为258～263 HV。

保护气体为 φ（Ar）97%+φ（O2）3%的接头焊缝硬度为258～263 HV；熔合线处硬度为253 HV；热影响区硬度为253～260 HV；母材硬度为256～260 HV。

图2 对接接头的硬度分布Fig.2 Hardness test result for welded joint

由图2可知，两种保护气体下的接头硬度变化趋势相似。焊缝硬度值最高，热影响区硬度最低，母材硬度介于焊缝与热影响区之间。这是由于不锈钢焊接时热输入量较低，且焊丝向焊缝添加Si、Mn等元素，使得焊缝中心晶粒均匀细小，提高了硬度。而热影响区δ铁素体晶粒有所长大，导致热影响区硬度最低。

2.4 金相组织

焊接接头的显微组织如图3所示，两种保护气体下接头的显微组织形态大致相同。以φ（Ar）95%+φ（CO2）5%作保护气体时接头的显微组织为例，母材的显微组织形态如图3a所示，母材基体组织为奥氏体，其上有少量沿着轧制方向分布的带状δ铁素体。焊缝显微组织形态如图3b所示，焊缝的基体为柱状奥氏体，其上均匀分布黑色的树枝状δ铁素体。热影响区显微组织形态如图3c所示，大量δ铁素体分布在奥氏体基体上，由于热输入量较低，热影响区的奥氏体晶粒并未发生明显长大，而δ铁素体晶粒尺寸有所长大，与奥氏体相比，铁素体结构致密度小，原子在晶界处扩散需要激活能低，因此晶粒更容易长大。熔合线附近区域显微组织形态如图3d所示，熔合线非常明显，其左侧为焊缝，右侧为热影响区，由于冷却速度快，此处形态为柱状奥氏体组织和板条状铁素体组织，且晶体排布方向较杂乱，因此对焊接接头的力学性能有不利影响。

3 结论

（1）两种保护气体下的母材基体组织为奥氏体，少量沿着轧制方向的黑色带状δ铁素体分布其上；焊缝中心组织为黑色树枝状δ铁素体均匀分布在白色柱状奥氏体上，晶粒均匀细小；热影响区组织为奥氏体和少量带状δ铁素体；熔合线附近为排布杂乱的柱状奥氏体组织和板条状铁素体组织。

图3 焊接接头的显微组织Fig.2 Microscopic structure of welded joints

（2）两种保护气体下的对接接头试样拉伸后断于焊缝处；面弯、背弯均未发现裂纹。两种接头都满足相关标准要求，具有良好的拉伸和弯曲性能。

（3）两种保护气体下的接头硬度变化趋势相似。焊缝硬度值最高，热影响区硬度最低，母材硬度介于焊缝与热影响区之间。

[1]姚明哲，杨志勇，马秋红，等.不锈钢轨道车辆的特点[J].装备机械，2015（3）：10-13.

[2]李刚卿，韩晓辉.不锈钢车体的焊接工艺及发展[J].机车车辆工艺，2004（1）：1-4.

[3]魏小华.保护气氛对06Cr19Ni10钢焊接接头组织和力学性能的影响[J].电焊机，2015，45（10）：151-153.

[4]丁成钢，史春元，杨蔚.SUS304不锈钢MAG焊接头组织与性能[J].热加工工艺，2006，35（15）：19-20.

[5]龚明.城市轨道车辆不锈钢车体结构优化研究[D].北京：北京交通大学，2010.

Effect of different protective atmosphere on microstructure and properties of 06Cr19Ni10 steel welded joints

ZONG Huanxu，XU Hongji，GENG Tao，QI Yiyang
（School of Materials Science and Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China）

Microstructures and properties of 06Cr19Ni10 stainless steel welded joints that welded by MAG φ（Ar）95%+φ（CO2）5%and φ（Ar）97%+φ（O2）3%welding method are studied by tensile tests，bending tests，hardness tests and metallographic analysis.The results show that two types of joints have good tensile and bending properties，and have similar microhardness distribution trend；The weld center has the highest hardness and the heat affected zone has the minimum hardness；The microstructure of base metal is austenitic，and a few of banded δ ferrite distribute along the rolling direction；In the weld center，the black dendritic δ ferrite uniformly distribute on the white austenite matrix and the grains are fine and uniform；There are columnar austenite and lath shaped ferrite near the fusion line；The microstructure of the heat affected zone is austenitic matrix and a small amount of δ ferrite.

06Cr19Ni10 stainless steel；MAG welding；microstructure and property

TG457.11

A

1001-2303（2017）10-0046-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.09

本文参考文献引用格式：宗桓旭，许鸿吉，耿涛，等.保护气体对06Cr19Ni10钢焊接接头组织与性能的影响[J].电焊机，2017，47（10）：46-49.

2017-07-12

宗桓旭（1992—），男，硕士研究生，主要从事轨道交通关键材料焊接的研究。E-mail：m18841123974@163.com。