冷作硬化不銹鋼對接接頭組織與性能分析

王素環，韓曉輝，趙延強，汪 認，何智勇，馬愛華

（南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266061）

冷作硬化不銹鋼對接接頭組織與性能分析

王素環，韓曉輝，趙延強，汪 認，何智勇，馬愛華

（南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266061）

為了提高奧氏體不銹鋼強度，通常采用冷作硬化工藝進行生產。對軌道車輛用冷作硬化2 mm的SUS301L-HT和SUS301L-DLT奧氏體不銹鋼材料的焊接性進行研究，結果表明兩種材料焊接性良好，但焊接后焊縫接頭強度均低于母材強度，HT材料焊接接頭效率約為80%；DLT材料焊接接頭效率約為93%；焊縫區域硬度低于母材；兩種材料熱影響區及熔合區微觀組織類似，焊縫中心為樹枝晶，熔合區為柱狀晶，熱影響區為粗大的等軸晶。

奧氏體不銹鋼；冷軋；焊接性

0 前言

奧氏體不銹鋼以其耐腐蝕、高強度、抗沖擊等優良特性得到了廣泛應用[1]，成為了國內外制造業應用的熱點，本研究針對軌道車輛用冷作硬化奧氏體2 mm的SUS301L-HT和SUS301L-DLT不銹鋼材料在相同焊接參數下進行焊接，研究焊后焊縫表面成形狀態、焊縫組織及晶粒狀態以及機械性能，為高強奧氏體不銹鋼的應用提供參考。

1 試驗材料和方法

材料為冷軋2mm厚SUS301L-HT和SUS301LDLT不銹鋼板。材料化學成分如表1所示。

焊機為Fronius TPS4000，采用直流反接，熔滴過渡形式為短路過渡，接頭形式為對接接頭，焊絲用308LSi的不銹鋼實心焊絲，保護氣體為M12型。焊接工藝參數見表2。

對試樣進行無損檢測，合格后按照標準EN895[2]要求在AG-IS250KN拉伸試驗機上進行拉伸試驗，每個試件取3個試樣；在AG-IS250KN拉伸試驗機按照標準EN910[3]進行橫向正面和背面180°彎曲試驗；按照標準EN1321[4]要求在OLYMPUS-SZX12立式光學金相顯微鏡下進行金相分析；用顯微硬度儀對焊縫進行硬度檢測。

2 結果和討論

2.1 焊縫接頭無損檢測

2.1.1 焊縫接頭目視檢測

圖1為兩種材料焊接接頭的外觀照片，顯示焊縫外觀成形良好。

2.1.2 焊縫接頭的滲透和射線檢測

焊接后試板按照標準EN571-1[5]和EN1435[6]分別進行滲透探傷和射線探傷，兩種材料焊接接頭均為I級。未出現未熔合、裂紋等缺陷。

2.2 焊縫接頭破壞性試驗分析

2.2.1 焊縫接頭的宏觀分析

圖2為兩種材料焊縫的50倍金相照片，結果顯示兩種材料焊接接頭均未見微裂紋、夾雜等缺陷，焊趾熔合良好。

2.2.2 焊縫接頭微觀分析

圖3為兩種焊縫接頭的微觀照片，顯示兩種材料焊縫接頭的微觀形貌類似。焊縫中心為典型的樹枝晶組織，焊縫晶粒在熔合線附近表現出明顯的柱狀晶，熱影響區的晶粒形貌為等軸晶。圖3a中同時可以發現母材為軋制態，為奧氏體和條狀鐵素體組織；圖3b中母材未發現條狀鐵素體組織。

在焊縫的邊界，亦即焊接熔池結晶的開始地方，由于溫度梯度大，結晶速度小，難以形成成分過冷，故多以平面結晶狀態成長。隨晶體逐漸遠離焊縫邊界而向焊縫中心生長，溫度梯度居間減小，結晶速度逐漸增大，溶質含量逐漸增加，成分過冷區也逐漸加大，因而結晶形態將依次向柱狀晶及樹枝晶發展。

熱影響區由于金屬處于過熱的狀態，奧氏體晶粒再結晶過程中發生嚴重的長大現象，晶粒由于冷作硬化而沿軋制方向拉長的形貌消失，而出現等軸晶。

冷作硬化鋼板在變形過程中晶粒會沿軋制方向拉長，如果變形程度嚴重，奧氏體合金中甚至會因應力誘導出針狀鐵素體。HT材料為了獲得高強度而發生了嚴重的變形，DLT材料變形比HT材料小，因此在圖3a中發現了條狀鐵素體，而圖3b未發現條狀鐵素體。

2.2.3 焊縫接頭的力學性能分析

試樣彎曲后均未出現裂紋，兩種材料的焊接接頭具有良好的塑性。

拉伸試樣斷裂位置為焊縫熱影響區，兩種材料母材、焊縫接頭抗拉強度對照表試驗結果見表3。結果表明，HT材料接頭效率約為80%，降低205 MPa，低于標準值；DLT材料接頭效率約為93%，強度降低約50MPa，仍高于標準值。

HT和DLT材料抗拉強度焊接完成后接頭強度降低，這種現象是由于熱影響區靠近焊縫側晶粒發生嚴重的長大現象，不再保持母材的軋制形態，母材的冷作硬化效應有所降低，且熱影響區晶粒較熔合區粗大，降低了抗拉強度。

HT材料焊縫接頭抗拉強度降低幅度高于DLT材料可能是由于焊接后兩種材料在熱影響區組織形態相同，晶粒狀態類似，焊縫在熱影響區斷裂時的抗拉強度相近，平均抗拉強度相差約60MPa。而HT材料由于冷作硬化效應母材變形嚴重，強度達980MPa；DLT材料軋制后強度為760 MPa，因此HT材料抗拉強度下降幅度遠高于DLT材料。

2.2.4 焊縫接頭硬度檢測分析

硬度檢測焊縫橫截面取點位置如圖4所示，試驗結果如圖5所示。結果表明，兩種材料焊縫區硬度均低于母材，在焊縫接頭處兩種材料的硬度相當。母材顯微硬度要略高于焊縫顯微硬度，這可能由于母材經過固溶處理晶粒較細小，硬度較高，而焊縫冷卻速度相對固溶處理略慢，焊縫組織較母材粗大，硬度略低。

HT材料焊縫區組織和晶粒形式與DLT材料相似，顯微硬度值相當。

3 結論

（1）兩種材料焊縫接頭的微觀形貌類似，焊縫中心為樹枝晶，熔合區為柱狀晶，熱影響區側為粗大的等軸晶。

（2）兩種材料焊接完成后具有良好的韌性，但接頭強度均有所降低，HT材料接頭強度低于母材標準值要求的930MPa，DLT材料接頭強度高于母材標準值要求的690MPa，HT材料接頭效率低于DLT材料。

（3）HT材料與DLT材料焊縫區硬度相當，兩種材料焊縫區硬度均低于母材顯微硬度。

[1]周振豐.焊接冶金學（金屬焊接性）[M].北京：機械工業出版社，1996.

[2]EN895，金屬材料焊縫破壞試驗—橫向拉伸試驗[S].

[3]EN910，金屬材料焊縫破壞試驗—彎曲試驗[S].

[4]EN1321，金屬材料焊縫破壞試驗—金相試驗[S].

[5]EN571-1，無損檢驗：滲透檢驗[S].

[6]EN1435，焊縫無損檢測—焊接接頭射線檢查[S].

Analysis of structures and properties of cold rolling stainless steel butt welding joints

WANG Su-huan，HAN Xiao-hui，ZHAO Yan-qiang，WANG Ren，HE Zhi-yong，MA Ai-hua
（CSR Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266061，China）

Austenitic stainless steel is produced by cold rolling process in order to increase the material's strength.In this paper，the welding properties of cold rolling austenitic stainless steel（2 mm-SUS301L-HT and 2 mm-SUS301L-DLT）were investigated.The results indicated that these two materials have good welding properties.But the strength is lower than the patent material，strength of HT material joint is about 80 percent of patent material，strength of DLT material joint is about 93 percent of patent material. Hardness of Joints is lower than patent material.HT joint’s Micro-structure is similar to DLT joint，in the middle of welding joint is dentrites，fusion zone is columnar crystals，heat affected zone is equiaxed grains.

stainless steel；cold rolling；butt welding joints

TG574.11

：A

：1001-2303（2014）02-0063-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2014.02.14

2013-09-17

王素環（1981—），女，碩士，主要從事軌道車輛制造及焊接工作。