不同保护气体对无磁钢20Mn23AlV焊接接头组织及力学性能的影响

陈丽园 郭瑞青 郝晓卫 侯金柱 孙逸凡

摘要：采用φ（Ar）97%+φ（CO2）3%和φ（Ar）97.5%+φ（CO2）2.5%两种保护气体对厚12 mm的20Mn23AlV无磁钢板进行焊接，对比不同保护气体下20Mn23AlV无磁钢焊接接头的显微组织及力学性能。结果表明：采用φ（Ar）97.5%+φ（CO2）2.5%保护气体焊接的试板焊缝表面成形更优，焊缝内部气孔少;两种保护气体下的焊接接头都具有良好的塑性、韧性及抗拉强度，φ（Ar）97.5%+φ（CO2）2.5%保护气体下的接头的抗拉强度略大，焊缝组织为白色的奥氏体基体+δ铁素体。综合来看，采用φ（Ar）97.5%+φ（CO2）2.5%保护气体更为合理，满足无磁钢焊接生产要求。

关键词：无磁钢20Mn23AlV;焊接接头;力学性能;保护气体

中图分类号：TG444+.72      文献标志码：A      文章编号：1001-2003（2021）04-0086-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.17

0    前言

20Mn23AlV无磁钢属Fe-Mn-Al-C系列奥氏体，其组织稳定、塑性好、韧性高、加工硬化倾向大、受热膨胀系数大、磁导率低而电阻率高，在磁场中的涡流损耗极小，现已广泛应用于许多电气产品中。无磁钢焊接时的收缩应力及收缩率比碳钢大，产生热裂纹的倾向也大，并且含有Al元素，故容易出现气孔。目前还没有针对无磁钢的成熟的焊接工艺及专用焊接材料，通常采用不锈钢焊接材料。ER307Si不锈钢焊丝锰含量高，故裂纹敏感度低，适用于无磁钢等难以焊接的钢材[1-5]。文中采用MAG焊，分别在φ（Ar）97%+φ（O2）3%和φ（Ar）97.5%+φ（CO2）2.5%保护气体下对厚度12 mm的20Mn23AlV无磁钢板进行焊接，对比两种焊接接头的显微组织及力学性能，以期为20Mn23AlV无磁钢板焊接提供参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验母材为20Mn23AlV无磁钢，焊丝选用的是ER307Si。母材及焊丝的化学成分和力学性能分别如表1、表2所示。

1.2 焊接工艺试验

焊接设备采用Panasonic YD-350GM3焊机，MAG焊，坡口形式为12V，60°坡口，钝边2 mm。焊接位置为平焊，保护气体选用φ（Ar）97%+φ（O2）3%和φ（Ar）97.5%+φ（CO2）2.5%，气体流量为18 L/min。由于无磁钢20Mn23AlV电阻率大、热导率低，故焊接时焊缝金属流动性差。另外，焊接气相中的氢能大量溶解于液态Al，且易导致焊缝出现气孔。故采用脉冲、大电流、快速焊接，每一道焊缝必须足够薄，层间必须打磨、清理干净，避免气孔产生。焊接工艺参数如表3所示，坡口形式如图1所示。

1.3 试验方法

试板焊接完成后根据ISO 15614-1《金属材料焊接工艺规程和评定—焊接工艺试验—第一部分：钢的电弧焊和气焊以及镍及其合金的电弧焊》标准要求进行相关检测。首先进行无损检测（外观检测、渗透检测、射线检测），然后进行拉伸（ISO 4136）、弯曲（ISO 5173）、金相、硬度（ISO 9015）等破坏性试验。

2 试验结果及分析

2.1 无损检测试验

不同保护气体焊接接头试板外观及RT检测结果如图2所示。由图2a、2b可知，采用φ（Ar）97.5%+φ（CO2）2.5%保护气体的试板焊缝表面成形更优，这是由于O2含量多，极易和Mn、Al等元素发生氧化反应，使表面发黑，氧化物、夹杂增多。由图2c、2d可知，采用φ（Ar）97%+φ（O2）3%保护气体的试板焊缝内部存在大量气孔，而采用φ（Ar）97.5%+φ（CO2）2.5%保护气体的试板焊缝内部气孔较少。

2.2 拉伸试验

使用EV45.305电子拉伸试验机分别对采用两种保护气体的20Mn23AlV无磁钢对接试板焊接接头进行拉伸试验，结果如表4所示。两种试板的焊接接头抗拉强度均高于母材（≥530 MPa），都具有良好的抗拉强度。

2.3 弯曲试验

根据标准ISO 15614-1《金属材料焊接工艺的规范和评定—焊接工艺试验—第 1 部分：钢的电弧焊和气焊以及镍及其合金的电弧焊》，采用2个面弯试样，2个背弯试样，试验环境温度为23 ℃。试验结果表明：不同保护气体条件下，焊接接头弯曲试件都经过180°的弯曲变形，并且在试件的外表面和侧面均未发现裂纹，说明采用不同保护气体得到的焊接接头均满足标准要求，都具有良好的塑性和延展性。弯曲试验结果如表5所示。

2.4 硬度试验

试验采用EV800数字式维氏硬度计，硬度试样母材和焊接接头区域步长选用500 μm，载荷为500 gf，加载15 s。焊接接头硬度分布如图3所示，可以看出，两种保护气体条件下获得的焊接接头的硬度分布相差不大，焊缝的硬度最高，母材次之，热影响区最低。这是由于焊缝显微组织由奥氏体、骨骼状δ铁素体组成，晶粒均匀细小，故硬度值高;热影响区组织形态与母材相同，都是单一的奥氏体，只是晶粒受热长大，所以热影响区的硬度低于母材。

2.5 金相试验

采用两种保护气体焊接的20Mn23AlV无磁钢焊接接头区显微组织如图4所示。由图4a、4b可知，焊缝的显微组织由奥氏体和骨骼状δ铁素体组成，δ铁素体分布于奥氏体基体中。可以看出，不同保护气体对20Mn23AlV无磁钢焊缝的组织形态影响不大。图4c、4d为20Mn23AlV无磁钢熔合区显微组织。热影响区组织与焊缝组织以一条清晰的熔合线为分界线，熔合线右侧为焊缝区，组织在垂直于熔合线方向先以柱状晶的形式向焊缝中心区域生长，熔合线左侧为热影响区，组织为晶粒粗大的奥氏体和呈带状分布的铁素体组织。采用φ（Ar）97.5%+φ（CO2）2.5%保護气体的接头的熔合区宽度较窄、晶粒较小。不同保护气体对20Mn23AlV无磁钢熔合区的组织形态影响不大。这是因为20Mn23AlV无磁钢是单一奥氏体组织，没有组织转变，除了过热区晶粒有所长大外，热影响区组织形态与母材相同。

3 结论

（1）采用φ（Ar）97.5%+φ（CO2）2.5%保护气体焊接的试板焊缝表面成形良好，且气孔相比φ（Ar）97%+φ（O2）3%保护气体的减少。

（2）φ（Ar）97.5%+φ（CO2）2.5%保护气体所获焊接接头的抗拉强度略大于φ（Ar）97%+φ（CO2）3%保护气体的，弯曲试验均合格、未出现裂纹。

（3）两种保护气体下焊接接头的硬度分布相差不大，焊缝的硬度最高，母材次之，热影响区最低。

（4）不同保护气体对20Mn23AlV无磁钢焊缝的组织形态影响不大，焊缝的显微组织由奥氏体和骨骼状δ铁素体组成，δ铁素体分布于奥氏体基体中;采用φ（Ar）97.5%+φ（CO2）2.5%保护气体焊接的接头熔合区宽度较窄，晶粒较小。

参考文献：

张敏，张涛，王莹，等.不同焊接方法下20Mn23Al无磁钢焊接接头的显微组织与性能[J].机械工程材料，2018，42（11）：22-27.

殷荣幸. 20Mn23Al无磁钢与Q235低碳钢的埋弧焊焊接工艺[J].热加工工艺，2011，40（19）：156-157.

李创基. 20Mn23Al无磁钢焊接专用焊条[J].焊接，2004（11）：46-47.

刘顺洪，余圣甫，胡乾午，等. 20Mn23Al钢及其异种钢焊接性能研究[J].新技术新工艺，1998（2）：3-5.

李立新. 20Mn23Al无磁钢的焊接[J].变压器，1996（2）：24-26.

收稿日期：2020-07-25;修回日期：2021-01-10

作者简介：陈丽园（1984—），女，硕士，高级工程师，主要从事焊接工艺及研究工作。E-mail：c-l-yuan@163.com。

通讯作者：孙逸凡（1996—），男，在读硕士，主要从事轨道交通关键材料连接的研究。E-mail：1377748054@qq.com。