铁路货车用铁素体不锈钢焊接试验研究

王洪涛

摘要：本文焊接试验针对某钢铁（集团）公司生产的TCS系列不锈钢，采用多种实芯焊丝、药芯焊丝和焊条进行了焊接性试验，对比了不同焊接材料的接头力学性能、金属显微组织和冲击断口形貌。

关键词：铁路货车；铁素体不锈钢；焊接

1 铁素体不锈钢焊接特点

（1）铁素体不锈钢的铁素体形成元素相对较多，奥氏体形成元素相对较少，材料淬硬和冷裂倾向较小。铁素体不锈钢在焊接热循环的作用下，热影响区晶粒明显长大，接头的韧性和塑性急剧下降。热影响区晶粒长大的程度取决于焊接时所达到的最高温度及其保持时间，焊接高温作用下，在加热温度达到1000℃以上的热影响区特别在近缝区的晶粒会急剧长大，焊后即使快速冷却，也无法避免因晶粒粗大化引起的韧性急剧下降及较高的晶间腐蚀倾向。为此，在焊接铁素体不锈钢时，应尽量采用小的线能量，即采用能量集中的方法，如小电流TIG、小直径焊条手工焊等，同时尽可能采用窄间隙坡口、高的焊接速度和多层焊等措施，并严格控制层间温度。

（2）铁素体钢本身含铬量较高，有害元素碳、氮、氧等也较多，脆性转变温度较高，缺口敏感性较强。因此，焊后脆化现象较为严重。

（3）在400℃～600℃长时间加热缓冷时，会出现475℃脆化，使常温韧性严重下降。在550℃～820℃长时间加热后，则容易从铁素体中析出相，也明显降低其塑、韧性。

（4）由于焊接热循环的作用，一般铁素体不锈钢在热影响区的高温区产生敏化，在某些介质中产生晶间腐蚀。焊后经700～850℃退火处理，使铬均匀化，可恢复其耐蚀性。

（5）普通高铬铁素体不锈钢可采用焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧焊焊等熔焊方法。由于高铬钢固有的低塑性，以及焊接热循环引起的热影响区晶粒长大和碳化物、氮化物在晶界集聚，焊接接头的塑性和韧性都很低。在采用与母材化学成分相似的焊材且拘束度大时，很易产生裂纹。

2 TCS不锈钢焊接的主要问题

TCS不锈钢的特点是Cr和Ni的含量较低，ω（Cr）=10.5%～12.5%，ω（Ni）=0.3%～1.0%，大大低于普通奥氏体不锈钢（18-8），在不锈钢中，成本低廉。TCS不锈钢母材的力学性能良好，基本可以达到同强度级别的合金钢或耐候钢的标准。TCS不锈钢焊接的主要问题是焊接热影响区中过热区的晶粒粗化。其原因是该钢种γ相温度区间较窄，高温仍然存在α相，并且温度区间较宽，因此，随着温度的升高，α相的长大倾向严重。粗晶区的宽度一般不超过1mm，但对焊接接头的韧性影响很大。焊接热影响区熔合線冲击断口形貌，中部较亮部分是熔合线母材一侧断口，晶粒粗大，为脆性断裂；左侧为母材，晶粒较细，有韧性特征；右侧为焊缝，为韧性形貌。熔合线冲击功与母材或焊缝相比，一般可下降50%以上。目前克服这一问题的主要方法是减少焊接热输入，缩短焊接热影响区在高温处停留的时间，从而减小粗晶区宽度。但是，焊接热输入的减小对于保证焊接外观质量带来一定难度，不利于焊接的成形。当然，由于该钢种的含碳量极低，并且冷却时的γ相转变量有限，因此，快速冷却不会产生或硬化倾向，这一点又有利于小热输入焊接。

采用正确的焊接方法和焊接材料，对于保证该钢种的焊接质量极为重要，通常所用的焊接方法有气体保护焊和焊条电弧焊，焊接材料采用奥氏体或双相不锈钢焊材。气体保护焊的优点是焊接速度快，

焊接效率高，热影响也相对较小。焊接材料采用奥氏体类型，可以确保低温时的焊缝韧性，弥补铸态焊缝晶粒较粗的不足。

3 试验方法和结果

焊接试验分别采用实芯焊丝ω（Ar）97.5%+ω（CO2）2.5%气体保护焊（MAG焊）、药芯焊丝CO2气体保护焊（MAG焊）和焊条电弧焊（MMA焊）三种焊接方法，接头形式为对接，试板厚度12mm，焊接工艺

硬度试验结果表明，三种焊接方法的焊接热影响区硬度有所不同，其中电焊条下降幅度较大。焊缝硬度与母材硬度相差不大，实芯焊丝略低于母材，药芯焊丝和电焊条略高于母材。三种焊接方法焊接接头的拉伸和弯曲试验结果：抗拉强度Rm=450～650MPa，屈服强度Rp0.2≥345MPa（铁道部运装货车[2005]478号），d=3a，180°合格。-40℃焊缝冲击试验结果如表3所示。试验结果表明，实芯焊丝焊缝冲击功较高，而药芯焊丝和电焊条焊缝的冲击功相对较低，其中，电焊条焊缝的冲击功最低。三种焊材的试验结果均达到大于等于27J（-40℃）的母材标准。

4 试验结果分析

焊接工艺试验结果显示，实芯焊丝采用喷射过渡时，焊接电弧较为稳定，但由于电弧较长，焊接时电弧易产生一定的漂移，角焊时宽度不易控制。药芯焊丝保护气体采用CO2，熔滴为细颗粒过渡，焊缝表面成形较好。电焊条焊接时的熔滴过渡也是细颗粒过渡，成形良好，余高较小。实芯焊丝、药芯焊丝或电焊条三种方法比较。从焊缝力学性能上看，实芯焊丝由于焊缝夹杂物含量低，低温韧性较好，但焊接工艺性能相对较差；从焊接工艺性能上看，药芯焊丝由于电弧稳定，焊缝成形较好，但夹杂物的存在，使低温冲击韧性下降。

5 结语

（1）采用奥氏体焊接材料焊接TCS铁素体不锈钢，实芯焊丝ω（Ar）97.5%+ω（CO2）2.5%气体保护焊（MAG焊）、药芯焊丝CO2气体保护焊（MAG焊）和焊条电弧焊（MMA焊）三种方法，焊接接头力学性能均能满足使用要求。

（2）相比之下，实芯焊丝的焊缝的韧性较高，虽然焊接工艺性能稍差，因此更适合焊接TCS铁素体不锈钢。药芯焊丝和电焊条的焊接工艺性能稍好，但焊缝的韧性处于较低水平，因此，总体性能不如实芯焊丝。

（3）焊缝断口分析表明，实芯焊丝的焊缝夹杂物含量较低，药芯焊丝焊缝夹杂物明显增加，电焊条的焊缝夹杂物相对最多。

参考文献：

[1]郑淮北，叶晓宁，张雪峰，等.12%Cr铁素体不锈钢粗晶区组织转变和晶粒长大及析出相分析[J].焊接学报，2011，32（6）：37-40.

（作者单位：中车齐齐哈尔车辆有限公司）