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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原030024；2.太原鋼鐵集團公司技術(shù)中心，太原030001；3.山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太原030006）

0 引 言

443鐵素體不銹鋼是近年來開發(fā)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(yōu)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(chǎn)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?zé)嵫h(huán)作用會使焊接接頭晶粒長大，導(dǎo)致組織結(jié)構(gòu)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(shù)問題［1］。國內(nèi)外許多焊接專家對鐵素體不銹鋼焊接技術(shù)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(xué)、耐腐蝕性能進行了分析，為提高443鐵素體不銹鋼的焊接質(zhì)量提供了試驗和理論依據(jù)。

1 試樣制備與試驗方法

試驗所用材料為淬火態(tài)443鐵素體不銹鋼熱軋板材，其尺寸為100mm×50mm×0.4mm，化學(xué)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(zhì)量的前提下盡量選取較小的熱輸入進行焊接，選取優(yōu)化的工藝參數(shù)：電極壓力0.4MPa，電流7kA，預(yù)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(zhì)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(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）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(xué)顯微鏡觀察焊接接頭不同區(qū)域的顯微組織，并采用SRMAS專業(yè)定量金相圖像分析系統(tǒng)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(jù)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(shù)顯自動杯突試驗機進行杯突試驗。

根據(jù)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(tài)的調(diào)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(tài)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(jié)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(jù)文獻［5］可知，在鐵素體不銹鋼中，當(dāng)鉻的質(zhì)量分數(shù)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(wěn)定化元素，因此，晶粒中的質(zhì)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(guān)。電阻縫焊為內(nèi)部熱源，它使整個焊接區(qū)域發(fā)熱，開始時由于受到邊緣效應(yīng)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(xù)升溫；焊接區(qū)域各處由于加熱不均勻產(chǎn)生繞流現(xiàn)象而使電流場形態(tài)發(fā)生改變，靠近電極的焊接區(qū)域金屬受到電極的強烈冷卻，溫度升高較小，這樣在試樣內(nèi)部將形成回轉(zhuǎn)雙曲面形的加熱區(qū)域，并使貼合面上的一些接觸點發(fā)生熔化；繼續(xù)通電加熱，焊接區(qū)中心部位因散熱困難繼續(xù)升溫，而與電極接觸的區(qū)域，由于金屬軟化，接觸面積增加而被進一步冷卻，熔化區(qū)擴展液態(tài)熔核呈回轉(zhuǎn)四方形；延長通電加熱時間，由于熱傳導(dǎo)的結(jié)果，焊接溫度場進入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，最終獲得縱截面為橢圓形的熔核［6］；同時根據(jù)經(jīng)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(nèi)部熱量增多溫變升高，而靠近電極的焊接區(qū)域金屬受到電極的強烈冷卻，晶體在生長時側(cè)面受到彼此的限制不能側(cè)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(qū)域減小所致；根據(jù)鉻和鎳當(dāng)量的計算公式可知，443鐵素體不銹鋼的鉻當(dāng)量為21.57，鎳當(dāng)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(qū)的晶粒尺寸較小，兩種焊接接頭熱影響區(qū)的晶粒度均為6級，與母材的相當(dāng)，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(xué)性能

圖4 焊接接頭典型區(qū)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(qū)晶粒尺寸均較細小有關(guān)。

表3 靜載拉伸試驗結(jié)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(huán)使焊接接頭焊縫晶粒變粗大以及焊縫均為大量柱狀晶導(dǎo)致的；而TWC接頭試樣的塑性略有提高，這與水冷導(dǎo)致其焊縫區(qū)域較ANC接頭試樣減小有密切關(guān)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(xiàn)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(chǎn)生；另一方面，由于443鐵素體不銹鋼中加入了穩(wěn)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(wěn)定化處理時，這些元素率先與碳結(jié)合形成穩(wěn)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(jié) 論

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

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