保护气体对1.4003不锈钢焊接接头组织和疲劳性能的影响

于 岩，宗桓旭，鲁二敬，桂洪利，张艳辉

（1.中国中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山063035；2.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1.4003不锈钢焊接接头组织和疲劳性能的影响

于 岩1，宗桓旭2，鲁二敬1，桂洪利1，张艳辉1

（1.中国中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山063035；2.大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁大连116028）

CO2与O2作为MAG焊接时常用的活性气体，对1.4003不锈钢接头的金相组织与疲劳性能有不同的影响。通过金相组织分析和脉动拉伸疲劳试验，研究两种保护气氛下1.4003钢MAG焊接头的组织和疲劳性能。结果表明：两种接头焊缝组织的基体均为奥氏体，基体上分布δ铁素体；当保护气体为φ（Ar）95%+φ（CO2）5%时，中值疲劳强度为 312.5 MPa；当保护气体为 φ（Ar）97%+φ（O2）3%时，中值疲劳强度为302.5MPa。两种保护气体的疲劳试件断裂位置主要集中在热影响区，均有明显的启裂源，扩展区疲劳纹清晰，终断区形态为韧窝型韧性断口。

1.4003不锈钢；MAG焊接头；金相组织；疲劳性能

0 前言

采用不锈钢车体可以显著降低车辆自重、增加载重、节约能源、减少维护成本，对铁路车辆具有长远可观的经济效益[1]。相比于昂贵的铬镍奥氏体不锈钢等材料，铁素体不锈钢材料因其成本低廉、防腐蚀性能好、美观安全等优点，广泛应用于准高速车辆[2]。车体的焊接部位往往是车体结构强度最薄弱部位，在列车服役期间最容易发生疲劳断裂失效，而焊接结构的疲劳可靠性决定了车体的疲劳可靠性。铁路车辆速度的提升和运输质量的增加，对铁素体不锈钢车体焊接结构的疲劳强度提出了新的要求。采用MAG焊接铁素体不锈钢，可以克服MIG和TIG焊接时阴极斑点漂移现象并改善焊缝成形。目前生产实践中常用保护气体有φ（Ar）95%+φ（CO2）5%和 φ（Ar）97%+φ（O2）3%，研究这两种保护气体下的1.4003铁素体不锈钢MAG焊接接头的疲劳性能有利于企业改善生产质量、降低生产成本。在此通过金相组织分析和脉动拉伸疲劳试验，研究这两种保护气体对1.4003不锈钢MAG焊对接接头疲劳性能的影响，为生产实践中保护气体的选择提供理论参考。

1 试验材料及方法

1.1试验材料

试验母材为欧洲标准EN10088—1.4003铁素体不锈钢，试板尺寸300 mm×300 mm×3 mm，焊接材料为直径φ1.0 mm的ER308实心焊丝。试验材料的化学成分和力学性能分别如表1、表2所示。

表1 母材和焊丝的化学成分Table 1 Chemical composition of base metal and wire %

表2 母材和焊丝的力学性能Table 2 Mechanical properties of base metal and wire

1.2 试验方法

采用 MAG 焊，I型坡口，分别使用 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%和 φ（Ar）97%+φ（O2）3%为保护气体进行焊接工艺试验。焊后依据标准对试件进行外观（ISO17637）、渗透（ISO23277）、射线（ISO17636）检测。要求试板平直，尽量减少变形。焊接工艺参数如表3所示。

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

焊后对焊接试板进行金相试样加工，研磨、抛光后选用FeCl3溶液浸蚀金相试样，采用BX51M金相显微镜观察两种保护气体下接头的显微组织形态。

分别对两种保护气氛下的MAG焊接头进行脉动拉伸疲劳试验。试验设备为PLG-100型微机控制高频疲劳试验机，其技术规格为：静态负荷精度±1%，动负荷平均波动度±1%，动负荷振幅波动度±2%。试验采用的循环应力比R=0.1，指定循环寿命取1×107次。试验过程中，当疲劳裂纹尺寸足够大导致载荷加不上去时，自动卸载停振，并记录循环次数。

试验时按常规方法测定S-N曲线，按每一应力水平取1个试件确定S-N曲线的高应力段，各SN曲线的水平段均是通过升降法确定的指定寿命为1×107次时的中值疲劳极限强度σ0.1。所有疲劳试件经正反打磨，去掉余高。

2 试验结果及分析

2.1 金相组织

两种保护气氛下的焊缝组织如图1a、1b所示，形态大致相同。根据舍夫勒组织图和熔合比可知，焊缝为F-A结晶模式，组织为白色奥氏体基体分布着黑色板条状铁素体和网状铁素体。以这种模式凝固时，首先析出铁素体，使得凝固的晶粒边界存在奥氏体+铁素体两项混合组织，有效避免了焊接凝固裂纹的产生[3]。熔合区如图1c、1d所示，熔合线较明显；图片左上角为热影响区，由于受到焊接热循环的影响，晶粒严重长大，组织均为粗大多边形铁素体，晶粒度2～3级，且铁素体基体上分布着少量黑色点状碳化物；图片右下角为焊缝边缘，该处组织均为黑色铁素体分布在白色奥氏体基体上，铁素体形态以板条状为主，由于焊缝边缘处冷却速度较快，所以晶粒呈明显的柱状晶分布。

图1 焊接接头的显微组织Fig.1 Microstructure of welded joints

2.2 疲劳试验结果及分析

疲劳试件宏观断口如图2所示。观察两种不同保护气氛下接头的疲劳试件宏观断口发现，所有试件断裂位置均在热影响区，且裂纹都是从热影响区一侧的边缘启裂。观察金相组织可知，焊缝铁素体组织细小，增加了焊缝内晶粒的位错密度，单位面积内晶界数量也远多于过热区，在疲劳试验施加载荷方向上，过热区晶粒粗大，难以抵抗多次拉伸载荷的作用，因此，疲劳裂纹极易产生在热影响区的过热粗晶区。

图2 疲劳试件宏观图片Fig.2 Macrophotograph of fatigue specime

通过升降法确定不同保护气下的1.4003铁素体不锈钢MAG接头指定寿命为1×107次循环下的疲劳极限。保护气氛为 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%的疲劳试验应力水平3级，有效试样数11个，子样对4个；保护气氛为 φ（Ar）97%+φ（O2）3%的疲劳试验应力水平4级，有效试样数12个，子样对4个。二者疲劳极限升降如图3所示。

图3 不同保护气体下的疲劳极限升降Fig.3 Fatigue limit lift figure with different protective atmosphere

用升降法计算两种焊接接头的中值疲劳强度。

保护气体为 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%时：

保护气体为 φ（Ar）97%+φ（O2）3%时：

采用保护气体为 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%时的MAG焊接接头中值疲劳强度比采用φ（Ar）97%+φ（O2）3%高10 MPa，疲劳性能更好。两种保护气氛下接头脉动拉伸疲劳的中值S-N曲线对比如图4所示，两种焊接接头的疲劳强度较为接近，φ（Ar）95%+φ（CO2）5%下接头的疲劳性能更好。

图4 不同保护气体下疲劳中值S-N曲线对比Fig.4 Fatigue median S-N curve contrast with different protective atmosphere

在JSM-6360LV型扫描电镜上进行疲劳断口微观形貌分析，如图5所示。两种保护气氛下疲劳断口的启裂区、扩展区、终断区的扫描照片较为相似，以 φ（Ar）95%+φ（CO2）5%的疲劳断口为例，由启裂区（见图5a）可知，试件断口处无夹杂、夹渣等焊接缺陷，有明显的启裂源；扩展区（见图5b）疲劳纹清晰，疲劳纹大小随疲劳循环次数的增加而增大；终断区（见图5c）断口形貌有大量韧窝。

3 结论

（1）两种保护气体下接头的焊缝组织均为白色奥氏体基体上分布板条状和网状铁素体；过热区组织均为粗大的多边形铁素体，晶粒度2～3级，铁素体基体上分布着少量黑色碳化物。

（2）1.4003铁素体不锈钢MAG焊对接接头指定寿命为 1×107次的中值疲劳极限强度 σ0.1：φ（Ar）95%+φ（CO2）5%保护气体下为 312.5MPa，φ（Ar）97%+φ（O2）3%保护气体下则为 302.5 MPa。φ（Ar）95%+φ（CO2）5%下接头疲劳性能更好。

图5 疲劳试件断口形貌Fig.5 Fracture appearance of welding specimen

[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]张志昌.德国4003铁素体不锈钢的焊接[J].电焊机，2008 38（11）：42-43.

[3]孙咸.不锈钢焊缝金属的组织演变及其影响[J].机械制造文摘—焊接分册，2012（6）：6-10.

[4]陈增有，罗春龙.德国4003铁素体不锈钢焊接工艺研究[J].机车车辆工艺，2007（5）：19-21.

[5]丁韦，刘艳红，宋宏图，等.铁路货车用铁素体不锈钢焊接粗晶区组织对力学性能的影响[J].热加工工艺，2011，40（15）：38-39.

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

本文参考文献引用格式：于岩，宗桓旭，鲁二敬，等.保护气体对1.4003不锈钢焊接接头组织和疲劳性能的影响[J].电焊机，2017，47（10）：67-70.

2017-07-08

于 岩（1987—），男，硕士，主要从事轨道交通车辆焊接工艺的研究工作。E-mail：yuytielang@126.com。

宗桓旭（1992—），男，硕士研究生，主要从事轨道交通关键材料的连接的研究。E-mail：m18841123974_1@163.com。