443鐵素體不銹鋼電阻縫焊接頭的組織與性能

周麗丹，張婷婷，王志斌，張心保，王文先

（1.太原理工大學材料科學與工程學院，太原030024；2.太原鋼鐵集團公司技術中心，太原030001；3.山西職業技術學院，太原030006）

0 引 言

443鐵素體不銹鋼是近年來開發的新一代鐵素體不銹鋼，屬于高純鐵素體不銹鋼材料，其通過增鉻、降碳、氮等元素，同時添加鈦和銅元素來提高耐腐蝕性能。443鐵素體不銹鋼具有與奧氏體不銹鋼相近的優良耐腐蝕性能，尤其是良好的耐氯離子腐蝕性能，被認為是304奧氏體不銹鋼的替代產品。但由于鐵素體組織固有的晶粒易長大的特性，使該類鋼在焊接時面臨一個最為突出的問題，即焊接的高溫熱循環作用會使焊接接頭晶粒長大，導致組織結構及性能變差，影響其在實際中的推廣使用，也成為目前亟待解決的一項重要技術問題［1］。國內外許多焊接專家對鐵素體不銹鋼焊接技術進行了大量研究，但研究的材料主要集中于409和430等鐵素體不銹鋼［2－4］。

電阻縫焊作為一種高效率的焊接方法，特別適合于薄板的密封焊接。為此，作者采用電阻縫焊對厚度為0.4mm的443鐵素體不銹鋼板進行焊接，對空冷和隨焊水冷兩種冷卻條件下焊接接頭的顯微組織以及力學、耐腐蝕性能進行了分析，為提高443鐵素體不銹鋼的焊接質量提供了試驗和理論依據。

1 試樣制備與試驗方法

試驗所用材料為淬火態443鐵素體不銹鋼熱軋板材，其尺寸為100mm×50mm×0.4mm，化學成分如表1所示，室溫下的抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為480MPa，330MPa和33%。

在FN－75型縫焊機上對0.4mm厚443鐵素體不銹鋼熱軋鋼板進行電阻縫焊試驗，采用搭接接頭形式，搭接量為10mm。在保證焊接質量的前提下盡量選取較小的熱輸入進行焊接，選取優化的工藝參數：電極壓力0.4MPa，電流7kA，預壓時間2周波，焊接時間2周波，休止時間2周波，焊接速度100mm·min－1；采用直徑D為150mm的焊輪，焊輪材質為鉻銅，寬度B為9.5mm，焊接面為圓弧形，圓弧半徑R為38mm，焊接時采用兩種冷卻方式對滾輪進行冷卻，即自然冷卻（ANC）和隨焊水冷（TWC）。

表1 443鐵素體不銹鋼的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of 443ferritic stainless steel（mass）%

分別選取兩種冷卻條件下的電阻縫焊接頭，對其打磨、拋光后，用由50g FeCl3、15mL HCl和15mLH2O組成的混合溶液進行腐蝕，采用CMM－20型光學顯微鏡觀察焊接接頭不同區域的顯微組織，并采用SRMAS專業定量金相圖像分析系統評級其晶粒度等級。

在DNS－100型電子萬能試驗機上進行拉剪試驗，按照GB 2649－1989《焊接接頭機械性能試驗取樣方法》制取拉伸試樣，其尺寸如圖1所示，取3組試樣的平均值，試驗過程中的拉伸速度為0.3mm·min－1。

圖1 室溫拉伸試樣的尺寸Fig.1 Size of tensile sample at room temperature

根據GB／T 4156－2007《金屬材料薄板和薄帶埃里克森杯突試驗》制取杯突試樣，母材和焊接接頭的杯突試樣尺寸為200mm×90mm×0.4mm，其中焊接接頭杯突試樣焊縫位于試樣中心，在無沖擊情況下用GBS－60B型數顯自動杯突試驗機進行杯突試驗。

根據GB／T 4334－2008《金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》，使用容量為1L帶回流冷凝器的磨口錐形燒瓶和可以使試驗溶液保持沸騰狀態的調溫電爐進行晶間腐蝕試驗。試驗用H2SO4－CuSO4＋Cu（屑）法，試樣尺寸為100mm×20mm，微沸狀態進行試驗，試驗時間為16h；試驗后取出腐蝕試樣，洗凈、干燥后觀察宏觀和微觀形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 母材的顯微組織

由圖2可見，443鐵素體不銹鋼的組織為鐵素體組織，晶粒比較細小均勻，晶粒度為6～7級；根據文獻［5］可知，在鐵素體不銹鋼中，當鉻的質量分數大于15%時，會生成黑點狀的碳氮化合物，并均勻地分布在鐵素體基體上，由于443鐵素體不銹鋼中含有鈦等穩定化元素，因此，晶粒中的質點為鈦和鈮的碳氮化合物。

圖2 443鐵素體不銹鋼的顯微組織Fig.2 Microstructure of 443ferritic stainless steel

2.2 焊接接頭的顯微組織

由圖3可以看出，443鐵素體不銹鋼在電阻縫焊工藝下獲得的焊接接頭形貌為橢圓形熔核，且焊縫組織為粗大的鐵素體柱狀晶，這與電阻縫焊的熱源特點有關。電阻縫焊為內部熱源，它使整個焊接區域發熱，開始時由于受到邊緣效應的影響，貼合面邊緣溫度首先升高，通電一段時間后原溫度升高的部位由于金屬電阻增大而繼續升溫；焊接區域各處由于加熱不均勻產生繞流現象而使電流場形態發生改變，靠近電極的焊接區域金屬受到電極的強烈冷卻，溫度升高較小，這樣在試樣內部將形成回轉雙曲面形的加熱區域，并使貼合面上的一些接觸點發生熔化；繼續通電加熱，焊接區中心部位因散熱困難繼續升溫，而與電極接觸的區域，由于金屬軟化，接觸面積增加而被進一步冷卻，熔化區擴展液態熔核呈回轉四方形；延長通電加熱時間，由于熱傳導的結果，焊接溫度場進入準穩態，最終獲得縱截面為橢圓形的熔核［6］；同時根據經典晶體生長理論，晶體生長方向總是沿著焊接熔池中溫度梯度最大的方向，電阻縫焊時內部熱量增多溫變升高，而靠近電極的焊接區域金屬受到電極的強烈冷卻，晶體在生長時側面受到彼此的限制不能側向生長，只能沿著散熱方向生長，從而形成粗大的鐵素體柱狀晶。

另由圖（3）可以看出，TWC焊接接頭的熔核尺寸較小，這主要是由于外加水冷使試樣散熱加快，焊接接頭熔化區域減小所致；根據鉻和鎳當量的計算公式可知，443鐵素體不銹鋼的鉻當量為21.57，鎳當量為0.35，由Schaeffler相圖［7］可知443鐵素體不銹鋼縫焊接頭組織仍為鐵素體組織。

圖3 焊接接頭的微觀全貌Fig.3 Overall microstructure of welded joints with natural cooling（a）and trailing water cooling（b）

從圖4可以看出，443鐵素體不銹鋼電阻縫焊接頭熱影響區的晶粒尺寸較小，兩種焊接接頭熱影響區的晶粒度均為6級，與母材的相當，這與電阻縫焊工藝具有加熱時間短、熱量集中和受熱范圍小的特點密不可分［8］。

2.3 力學性能

圖4 焊接接頭典型區域的顯微組織Fig.4 Microstructure of typical region of welded joints with natural cooling（a）and trailing water cooling（b）

由表3可以看出，TWC焊接接頭的拉剪力與ANC接頭的相差不大，其斷裂位置均位于母材，說明443鐵素體不銹鋼電阻縫焊接頭的強度較高，這與其焊接接頭熱影響區晶粒尺寸均較細小有關。

表3 靜載拉伸試驗結果Tab.3 Results of static load tensile test

圖5 不同接頭沖壓力與沖壓深度的變化曲線Fig.5 Changing curves of stamping force and stamping depth for different samples

從圖5中可以看出，母材的塑性變形性能高于焊接接頭的，后者約為前者的72%。這主要是由焊接熱循環使焊接接頭焊縫晶粒變粗大以及焊縫均為大量柱狀晶導致的；而TWC接頭試樣的塑性略有提高，這與水冷導致其焊縫區域較ANC接頭試樣減小有密切關系。由此可見，443鐵素體不銹鋼電阻縫焊接頭的塑性較好，接頭強度也較高。

2.4 耐腐蝕性能

由圖6可見，443鐵素體不銹鋼母材及電阻縫焊接頭焊縫處均未出現因晶間腐蝕而形成的腐蝕溝、槽等，可見其耐晶間腐蝕性能較好，其原因可從兩方面來解釋：一方面，443鐵素體不銹鋼為超低碳材料，碳含量的降低使鉻的碳化物形成受阻，同時也抑制其沿晶界析出，從根本上防止了晶間腐蝕的產生；另一方面，由于443鐵素體不銹鋼中加入了穩定化元素（鈦等元素），這些元素與碳的親和力比較大，在進行穩定化處理時，這些元素率先與碳結合形成穩定的碳化物，從而使鉻的碳化物沒有在晶間析出的可能，從而使得在晶界形成富鉻的M23C6型碳化物的可能性降到最低，提高了其耐晶間腐蝕的能力。

圖6 不同試樣晶間腐蝕試驗后的顯微組織Fig.6 Microstructure of different samples after intergranular corrosion test：（a）the base metal；（b）the weld seam with natural cooling and（c）the weld seam with trailing water cooling

3 結 論

（1）443鐵素體不銹鋼薄板電阻縫焊接頭的焊縫熔合區組織為鐵素體柱狀晶，熱影響區晶粒尺寸較小，水冷對熱影響區晶粒尺寸沒有明顯的影響。

（2）443鐵素體不銹鋼薄板電阻縫焊接頭的強度較高，其塑性約為母材的72%。

（3）443鐵素體不銹鋼薄板電阻縫焊接頭具有較強的耐晶間腐蝕能力。

［1］CHO H H，HAN H N，HONG S T，et al.Microstructural analysis of friction stir welded ferritic stainless steel［J］.Materials Science and Engineering A，2011，528（6）：2889－2894.

［2］LAKSHMINARAYANAN A K，SHANMUGAM K，BALASUBRAMANIAN V.Effect of welding processes on tensile and impact properties，hardness and microstructure of AISI 409Mferritic stainless joints fabricated by duplex stainless steel filler metal［J］.Journal of Iron and Steel Research，International，2009，16（5）：66－72.

［3］KIM J K，KIM Y H，LEE J S，et al.Effect of chromium content on intergranular corrosion and precipitation of Ti－stabilized ferritic stainless steels［J］.Corrosion Science，2010，52（5）：1847－1852.

［4］王彬.430不銹鋼激光和TIG焊接行為研究［D］.武漢：華中科技大學，2007.

［5］費愚.409L不銹鋼管激光焊接工藝的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.

［6］雷世明.焊接方法與設備［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［7］SCHAEFFLER A L.Constitution diagram for stainless steel weld metal［J］.Metal Progress，1949，56（11）：680－680.

［8］雷玉成，陳希章，朱強.金屬材料焊接工藝［M］.北京：化學工業出版社，2007.