304不銹鋼管TIG焊接接頭組織與疲勞性能的研究

 浙江至德鋼業有限公司通過脈動拉伸疲勞試驗以及金相顯微組織分析，對3.0mm厚304不銹鋼管的TIG焊接接頭的組織與疲勞性能進行了研究。結果表明：304不銹鋼管的TIG焊接接頭的疲勞裂紋均產生于焊趾處；搭接接頭中值疲勞極限為183MPa、角接接頭中值疲勞極限為269MPa；焊接接頭各區域金相組織均為奧氏體+鐵素體組織。不銹鋼車體結構是實現鐵道車輛輕量化的重要途徑之一，與同類型的普低碳鋼車體相比，不銹鋼車體重量可減輕20%~30%以上。不銹鋼車輛因其良好的耐蝕性、力學性能、防火安全性、輕量化和維護成本低等特點，已成為我國鐵路機車行業重要的發展方向之一四。目前，在不銹鋼車體結構中使用的材料考慮到耐腐蝕性、加工性、強度、成本等方面，通常選用奧氏體系的SUS304及SUS301L不銹鋼普通的焊接方法（MAG、MIG等）熱輸入大，焊接變形嚴重，不適宜對不銹鋼薄板進行焊接。TIG焊接技術因其適用性強、焊接成本低、可獲得高質量焊縫等一系列優點，已經被大量應用于不銹鋼車體的焊接中。本文通過對3.0mm厚06Cr19Ni10不銹鋼（新型304不銹鋼）的TIG焊接接頭的疲勞性能、金相組織的研究，為我國不銹鋼車輛的生產技術提供理論與實踐依據。

一、試驗材料與方法

 試驗母材為3.0mm厚的304不銹鋼管，冷軋狀態供貨。采用TIG焊接方法，選用中1.6mm的實芯焊絲ER308LSi，保護氣體為98%Ar+2%O2。其試驗材料的化學成分及力學性能見表。3.0mm厚304不銹鋼管焊接均采用單層單道焊，焊接工藝參數詳見表。焊接試件焊后均進行了外觀檢測、滲透檢測、X射線檢測，檢測結果均合格。

 疲勞試驗參照GB/T13816-92《焊接接頭脈動拉伸疲勞試驗方法》進行。分別對TIG搭接接頭、角接接頭進行了脈動拉伸疲勞試驗，以確定不同形式的焊接接頭的疲勞性能。疲勞試件尺寸分別如圖（a）、（b）所示。試驗設備為PLG-100型微機控制高頻疲勞試驗機，其技術規格為：靜態負荷精度土1%，動負荷平均波動度土1%，動負荷振幅波動度±2%。試驗采用的循環應力比R=0.1，指定循環壽命取1×107次。在試驗過程中，當疲勞裂紋尺寸足夠大導致載荷加不上去時，自動卸載停振，并記錄循環次數。使用升降法來計算焊接接頭的中值疲勞強度。使用JSM-6360M型掃描電鏡觀察疲勞斷口形貌。本次金相組織分析采用Neophot-32數碼金相顯微鏡觀察焊接接頭的母材區、焊縫區及熔合區的顯微組織，金相腐蝕液為氯化鐵鹽酸溶液。

二、試驗結果及分析

 1. 疲勞試驗

 疲勞斷裂試件上產生疲勞裂紋的位置及宏觀形貌如圖所示?？煽闯觯翰捎肨IG焊接下3.0mm，304不銹鋼管搭接、角接接頭疲勞裂紋均產生于焊趾處。圖分別為3.0mm，304不銹鋼管搭接及角接接頭疲勞斷裂試樣的斷口形貌?？煽闯觯涸嚰钠跀嗫诳梢苑殖蓡⒘褏^、裂紋擴展區以及終斷區三個部分；試件的疲勞裂紋均從試件邊緣處啟裂，試件啟裂區均無夾雜、夾渣等焊接缺陷；疲勞裂紋擴展區具有典型的疲勞斷裂特征，疲勞紋清晰并很粗；擴展區的大小隨疲勞循環次數的增加而增大；終斷區斷口形貌均為韌窩形態。由于搭接接頭、角接接頭各區域顯微組織良好（見后文），未對疲勞性能造成顯著影響，因此斷裂原因是由于焊縫與試件表面存在一定的角度，導致焊趾處應力集中，當不斷承受疲勞載荷時，該處極易發生疲勞斷裂。

 通過升降法確定采用TIG焊接下3.0mm、304不銹鋼管焊接接頭指定壽命為1×10°次循環下的疲勞極限。搭接、角接疲勞試驗均有4級應力水平，有效試件數12個，其結果如圖所示。由圖可見，每組疲勞試驗均有5個子樣對。因此，由升降法并依照公式ou=1ZnS；確定的搭接、角接接頭指定壽命在1x10°次循環下的中值疲勞極限分別為：搭接Oa1=1Zn1S=（195+185×2+175×2）/5=183MPa角接Oa1=1ZnS=（275×3+265+255）/5=269MPa

 2. 金相組織

 圖為搭接接頭各區域顯微組織。由圖可看出：焊縫組織為以奧氏體為基體+排列整齊的樹枝狀分布的黑色鐵素體，組織呈細小的柱狀晶分布；由圖可看出：熱影響區組織為奧氏體為基體+鏈狀分布的黑色鐵素體，靠近熔合線附近晶粒細化，沒有出現粗晶區；由圖看出：接頭的熔合區較窄，且無過熱組織產生，其組織為奧氏體為基體+蠕蟲狀分布的黑色鐵素體。

 圖為角接接頭各區域顯微組織。由圖可看出：焊縫組織為以奧氏體為基體+排列整齊的骨架狀分布的黑色鐵素體，組織呈柱狀晶分布；由圖可看出：由于焊接熱輸入小，熱影響區保留母材的組織形態，組織為以奧氏體為基體+少量的黑色鐵素體；由圖可看出：接頭的熔合區較窄，且無過熱組織產生，其組織為奧氏體為基體+蠕蟲狀分布的黑色鐵素體。

三、結論

 1. 304不銹鋼管TIG搭接、角接接頭疲勞裂紋均產生于焊趾處。

 2. 304不銹鋼管TIG搭接、角接接頭指定壽命為1×10°次循環下的中值疲勞極限分別為183、269MPa。

 3. 304不銹鋼管TIG搭接接頭焊縫區組織為：奧氏體為基體+樹枝狀分布的黑色鐵素體，組織呈柱狀晶分布；熱影響區組織為：奧氏體+鏈狀分布的黑色鐵素體，靠近熔合線附近晶粒細化；熔合區組織為：奧氏體為基體+蠕蟲狀分布的黑色鐵素體，熔合區較窄。角接接頭焊縫區組織為：奧氏體為基體+樹枝狀分布的黑色鐵素體；熱影響區組織與母材組織相同為奧氏體+少量鐵素體；熔合區組織為：奧氏體為基體+蠕蟲狀分布的鐵素體。