T4003 铁素体不锈钢T 形接头MAG 焊工艺研究

付傲，戴红，周坤，方乃文，李丹晖

(哈尔滨焊接研究院有限公司，黑龙江 哈尔滨150028)

0 前言

近年来，由于镍资源日趋紧张、含镍奥氏体不锈钢价格不断攀升等因素，而铁素体不锈钢作为一种不含或含镍少的不锈钢，与奥氏体不锈钢相比，其价格更为低廉［1-3］，在很多领域将逐渐代替奥氏体不锈钢。随着真空冶炼技术的发展，碳氮总含量小于0.015%的成分设计变得容易实现［4］，这使得铁素体不锈钢应用范围不断扩大，特别是在铁路货车箱体制造领域。然而，焊接性是限制铁素体不锈钢应用的最大障碍之一，其热影响区仅有少量甚至没有γ 相变，晶粒剧烈长大，冲击性能将剧烈降低［5-7］。所以，引入奥氏体形成元素扩大α+γ 两相区，形成更多奥氏体来阻碍铁素体长大，是解决这一问题的有效方法。

阮强等人［8］采用ER309L-Si 奥氏体不锈钢焊丝焊接T4003 铁素体不锈钢，通过研究发现T4003 铁素体不锈钢的高温热影响区组织为70%马氏体+铁素体，晶粒尺寸为30 μm，获得良好的焊接接头，这不仅与C，N 元素含量低有关，更重要是由Mn，Ni 奥氏体元素诱导高温热影响区中产生大量低碳马氏体，从而阻碍铁素体晶粒长大所致。张勇等人［9］采用ER309 焊丝焊接T4003 铁素体不锈钢，结果表明，由于T4003 铁素体不锈钢中Ti 和Mn 元素含量偏低，导致T4003 铁素体不锈钢的晶粒长大倾向较明显。焊接接头存在较大的热影响区，热影响区的组织比母材晶粒明显粗大。鲁二敬等人［10］通过拉伸试验、弯曲试验、硬度试验和金相组织分析，研究MAG 焊方法焊接的3 mm 厚T4003 铁素体不锈钢对接接头的力学性能和显微组织。结果表明，采用奥氏体不锈钢焊丝的MAG 焊接头，其焊缝组织均为板条状或网状铁素体和奥氏体，接头硬度较高，铁素体晶粒的粗化对接头的强度和硬度有不利影响。

相关学者在T4003 铁素体不锈钢对接接头的研究较多，但在T 形接头领域研究较少，而T 形接头往往在重要结构中有较多应用。文中对T4003 铁素体不锈钢的T 形接头进行了焊接性研究，为其在铁路车辆的广泛应用提供理论依据和技术支撑。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验选用T4003 铁素体不锈钢板材，规格为150 mm×300 mm×6 mm。焊前通过机械加工的方法去除试板的氧化皮，同时使用酒精清洗待焊区域附近的油污。焊接试验选用选用直径为1.2 mm 的ER308LSi-G奥氏体不锈钢焊丝。T4003 铁素体不锈钢母材及ER308LSi-G 焊丝化学成分见表1，母材和焊丝熔敷金属的力学性能见表2。图1 为T4003 母材微观组织形貌，为铁素体组织。

表1 母材化学成分(质量分数，%)

表2 母材力学性能

图1 T4003 铁素体不锈钢微观组织形貌

1.2 T4003 铁素体不锈钢与国内外同类材料比较

选择国内外几种与T4003 铁素体不锈钢为同类材料进行冲击试验，其冲击韧性比较结果，如图2 所示。试验结果表明，T4003 铁素体不锈钢的冲击韧性最好，这是由于当C，N 元素含量一定时，随着Cr元素含量降低，会抑制σ 相析出，同时降低了脆性敏感性，从而增加了冲击韧性;又由于其Ni 含量较高，可以扩大a+γ 相区，有利于冷却过程中马氏体的产生，从而使T4003 铁素体不锈钢冲击韧性明显优于其它材料。

图2 几种铁素体不锈钢冲击韧性比较

1.3 试验方法

焊接试验采用焊接电源型号为奥地利福尼斯TPS4000 焊机。表3 为T4003 铁素体不锈钢T 形接头焊接时采用的焊接工艺参数。为了保证焊脚长度差，焊枪与试板间成45°，其相对位置关系，如图3 所示。T形接头采用单道焊接，在立板的两侧各焊接一道。T 形接头焊接完成后依据GB/T 3323—2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》进行无损检测。焊接接头性能试样尺寸要求、取样方法和试验方法等参照GB/T 19869.1—2005《钢、镍及镍合金的焊接工艺评定试验》、GB/T 26955—2011《金属材料焊缝破坏性试验 焊缝宏观和微观检验》、GB/T 2654—2008《焊接接头硬度试验方法》标准执行，并对该焊接工艺条件下的T4003 铁素体不锈钢T 形接头的组织及性能进行分析。

表3 T 形接头焊接工艺参数

图3 焊接时焊枪与试板相对位置关系

2 试验结果与分析

2.1 T 形接头射线探伤结果

T 形焊接接头经射线探伤后发现无任何不良缺陷，其具体射线探伤结果，如图4 所示。

图4 T 形焊接接头射线探伤结果

2.2 T 形接头硬度试验结果分析

图5 为T4003 铁素体不锈钢的T 形焊接接头硬度测试打点位置。图6 为T4003 铁素体不锈钢的T形焊接接头硬度分布。相对于母材而言，T 形焊接接头熔合区和热影响区位置硬度较高，但没有明显硬化倾向。尽管焊缝处的晶粒比母材的粗大，但是由于在熔合区形成了马氏体组织，马氏体是硬脆相，相比较于母材的铁素体、焊缝区域的γ-固溶体+δ-铁素体，仍表现出较高的硬度。

图5 T 形接头硬度打点位置

图6 T 形接头显微硬度分布曲线

2.3 T 形焊接接头宏观和微观组织分析

图7 为T4003 铁素体不锈钢T 形焊接接头宏观形貌。从图7 可以发现，在上述焊接参数下进行焊接得到的接头结合良好，未见气孔、裂纹、未熔合、夹渣等缺陷。

图8 为T4003 铁素体不锈钢T 形接头微观组织形貌。焊缝区组织为γ-固溶体+δ-铁素体;过热区组织为马氏体+铁素体，晶粒度约为2 ～3 级;正火区组织为马氏体+铁素体+少量δ-铁素体;不完全正火区组织为铁素体+少量δ-铁素体。T4003 铁素体不锈钢由于具有较高的镍当量，奥氏体相区较宽，高温铁素体相区间被压缩，焊接过程中铁素体晶粒来不及长大就发生相变，有效阻碍晶粒长大，所以焊缝区晶粒尺寸仅为40 μm，如图8a 所示。Ti 元素在液相和N 元素反应析出TiN 相，C 元素则会在冷却时保留在马氏体中或者在铁素体晶内形成Nb 和Ti 的碳化物，这样避免碳氮化合物在晶界析出，同时马氏体板条状束位向各不相同，这对提高焊接接头冲击韧性十分有效。

图7 T 形接头宏观形貌

图8 T 形焊接接头微观组织

2.4 X 射线衍射结果分析

采用XRD 测试手段对T 形焊接接头中的焊缝中心及过热区位置进行测试，其测试结果，如图9 所示。从图9 可以发现，焊缝区组织为γ-固溶体+δ-铁素体;过热区组织为马氏体+δ-铁素体，其中马氏体含量约占90%以上，这与微观组织分析相吻合。

图9 T 形焊接接头的XRD 图谱

2.5 电弧形态

图10 为在焊接电流为230 A、电弧电压为21.4 V下的电弧形态。整个电弧形态呈钟罩形，且形态稳定。a 时刻，熔滴开始形成，熔滴尺寸略大于焊丝直径;b ～c 时间段内熔滴不断长大，且偏离焊丝轴向并绕焊丝末端旋转，同时电弧也随熔滴的旋转而发生偏转和形态的变化;d ～e 时间段为熔滴脱离焊丝，开始向熔池发生过渡阶段，以粗滴形式过渡并伴有少量飞溅;f 时刻，熔滴进入熔池，下一个熔滴过程即将开始发生过渡［11］。

图10 T 形焊接接头的焊接电弧形态

3 结论

(1)T4003 铁素体不锈钢T 形焊接接头接头结合良好，未见气孔、裂纹、未熔合、夹渣等缺陷。T 形接头的焊缝组织为γ-固溶体+δ-铁素体;过热区组织为马氏体+铁素体;正火区组织为马氏体+铁素体+少量δ-铁素体;不完全正火区组织为铁素体+少量δ-铁素体。

(2)T 形焊接接头熔合线和热影响区位置硬度较高，但没有明显硬化倾向，尽管焊缝处的晶粒比母材的粗大，但是由于在熔合区形成了马氏体组织，马氏体是硬脆相，相比较于母材的铁素体、焊缝区域的γ-固溶体+δ-铁素体，仍表现出较高的硬度。

(3)T4003 铁素体不锈钢T 形焊接接头的焊接过程为粗滴过渡形式，飞溅较少，电弧形态基本保持不变，焊接过程稳定。