冷作硬化不锈钢对接接头组织与性能分析

王素环，韩晓辉，赵延强，汪 认，何智勇，马爱华

（南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266061）

冷作硬化不锈钢对接接头组织与性能分析

王素环，韩晓辉，赵延强，汪 认，何智勇，马爱华

（南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266061）

为了提高奥氏体不锈钢强度，通常采用冷作硬化工艺进行生产。对轨道车辆用冷作硬化2 mm的SUS301L-HT和SUS301L-DLT奥氏体不锈钢材料的焊接性进行研究，结果表明两种材料焊接性良好，但焊接后焊缝接头强度均低于母材强度，HT材料焊接接头效率约为80%；DLT材料焊接接头效率约为93%；焊缝区域硬度低于母材；两种材料热影响区及熔合区微观组织类似，焊缝中心为树枝晶，熔合区为柱状晶，热影响区为粗大的等轴晶。

奥氏体不锈钢；冷轧；焊接性

0 前言

奥氏体不锈钢以其耐腐蚀、高强度、抗冲击等优良特性得到了广泛应用[1]，成为了国内外制造业应用的热点，本研究针对轨道车辆用冷作硬化奥氏体2 mm的SUS301L-HT和SUS301L-DLT不锈钢材料在相同焊接参数下进行焊接，研究焊后焊缝表面成形状态、焊缝组织及晶粒状态以及机械性能，为高强奥氏体不锈钢的应用提供参考。

1 试验材料和方法

材料为冷轧2mm厚SUS301L-HT和SUS301LDLT不锈钢板。材料化学成分如表1所示。

焊机为Fronius TPS4000，采用直流反接，熔滴过渡形式为短路过渡，接头形式为对接接头，焊丝用308LSi的不锈钢实心焊丝，保护气体为M12型。焊接工艺参数见表2。

对试样进行无损检测，合格后按照标准EN895[2]要求在AG-IS250KN拉伸试验机上进行拉伸试验，每个试件取3个试样；在AG-IS250KN拉伸试验机按照标准EN910[3]进行横向正面和背面180°弯曲试验；按照标准EN1321[4]要求在OLYMPUS-SZX12立式光学金相显微镜下进行金相分析；用显微硬度仪对焊缝进行硬度检测。

2 结果和讨论

2.1 焊缝接头无损检测

2.1.1 焊缝接头目视检测

图1为两种材料焊接接头的外观照片，显示焊缝外观成形良好。

2.1.2 焊缝接头的渗透和射线检测

焊接后试板按照标准EN571-1[5]和EN1435[6]分别进行渗透探伤和射线探伤，两种材料焊接接头均为I级。未出现未熔合、裂纹等缺陷。

2.2 焊缝接头破坏性试验分析

2.2.1 焊缝接头的宏观分析

图2为两种材料焊缝的50倍金相照片，结果显示两种材料焊接接头均未见微裂纹、夹杂等缺陷，焊趾熔合良好。

2.2.2 焊缝接头微观分析

图3为两种焊缝接头的微观照片，显示两种材料焊缝接头的微观形貌类似。焊缝中心为典型的树枝晶组织，焊缝晶粒在熔合线附近表现出明显的柱状晶，热影响区的晶粒形貌为等轴晶。图3a中同时可以发现母材为轧制态，为奥氏体和条状铁素体组织；图3b中母材未发现条状铁素体组织。

在焊缝的边界，亦即焊接熔池结晶的开始地方，由于温度梯度大，结晶速度小，难以形成成分过冷，故多以平面结晶状态成长。随晶体逐渐远离焊缝边界而向焊缝中心生长，温度梯度居间减小，结晶速度逐渐增大，溶质含量逐渐增加，成分过冷区也逐渐加大，因而结晶形态将依次向柱状晶及树枝晶发展。

热影响区由于金属处于过热的状态，奥氏体晶粒再结晶过程中发生严重的长大现象，晶粒由于冷作硬化而沿轧制方向拉长的形貌消失，而出现等轴晶。

冷作硬化钢板在变形过程中晶粒会沿轧制方向拉长，如果变形程度严重，奥氏体合金中甚至会因应力诱导出针状铁素体。HT材料为了获得高强度而发生了严重的变形，DLT材料变形比HT材料小，因此在图3a中发现了条状铁素体，而图3b未发现条状铁素体。

2.2.3 焊缝接头的力学性能分析

试样弯曲后均未出现裂纹，两种材料的焊接接头具有良好的塑性。

拉伸试样断裂位置为焊缝热影响区，两种材料母材、焊缝接头抗拉强度对照表试验结果见表3。结果表明，HT材料接头效率约为80%，降低205 MPa，低于标准值；DLT材料接头效率约为93%，强度降低约50MPa，仍高于标准值。

HT和DLT材料抗拉强度焊接完成后接头强度降低，这种现象是由于热影响区靠近焊缝侧晶粒发生严重的长大现象，不再保持母材的轧制形态，母材的冷作硬化效应有所降低，且热影响区晶粒较熔合区粗大，降低了抗拉强度。

HT材料焊缝接头抗拉强度降低幅度高于DLT材料可能是由于焊接后两种材料在热影响区组织形态相同，晶粒状态类似，焊缝在热影响区断裂时的抗拉强度相近，平均抗拉强度相差约60MPa。而HT材料由于冷作硬化效应母材变形严重，强度达980MPa；DLT材料轧制后强度为760 MPa，因此HT材料抗拉强度下降幅度远高于DLT材料。

2.2.4 焊缝接头硬度检测分析

硬度检测焊缝横截面取点位置如图4所示，试验结果如图5所示。结果表明，两种材料焊缝区硬度均低于母材，在焊缝接头处两种材料的硬度相当。母材显微硬度要略高于焊缝显微硬度，这可能由于母材经过固溶处理晶粒较细小，硬度较高，而焊缝冷却速度相对固溶处理略慢，焊缝组织较母材粗大，硬度略低。

HT材料焊缝区组织和晶粒形式与DLT材料相似，显微硬度值相当。

3 结论

（1）两种材料焊缝接头的微观形貌类似，焊缝中心为树枝晶，熔合区为柱状晶，热影响区侧为粗大的等轴晶。

（2）两种材料焊接完成后具有良好的韧性，但接头强度均有所降低，HT材料接头强度低于母材标准值要求的930MPa，DLT材料接头强度高于母材标准值要求的690MPa，HT材料接头效率低于DLT材料。

（3）HT材料与DLT材料焊缝区硬度相当，两种材料焊缝区硬度均低于母材显微硬度。

[1]周振丰.焊接冶金学（金属焊接性）[M].北京：机械工业出版社，1996.

[2]EN895，金属材料焊缝破坏试验—横向拉伸试验[S].

[3]EN910，金属材料焊缝破坏试验—弯曲试验[S].

[4]EN1321，金属材料焊缝破坏试验—金相试验[S].

[5]EN571-1，无损检验：渗透检验[S].

[6]EN1435，焊缝无损检测—焊接接头射线检查[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

王素环（1981—），女，硕士，主要从事轨道车辆制造及焊接工作。