304不锈钢管TIG焊接接头组织与疲劳性能的研究

 浙江至德钢业有限公司通过脉动拉伸疲劳试验以及金相显微组织分析，对3.0mm厚304不锈钢管的TIG焊接接头的组织与疲劳性能进行了研究。结果表明：304不锈钢管的TIG焊接接头的疲劳裂纹均产生于焊趾处；搭接接头中值疲劳极限为183MPa、角接接头中值疲劳极限为269MPa；焊接接头各区域金相组织均为奥氏体+铁素体组织。不锈钢车体结构是实现铁道车辆轻量化的重要途径之一，与同类型的普低碳钢车体相比，不锈钢车体重量可减轻20%~30%以上。不锈钢车辆因其良好的耐蚀性、力学性能、防火安全性、轻量化和维护成本低等特点，已成为我国铁路机车行业重要的发展方向之一四。目前，在不锈钢车体结构中使用的材料考虑到耐腐蚀性、加工性、强度、成本等方面，通常选用奥氏体系的SUS304及SUS301L不锈钢普通的焊接方法（MAG、MIG等）热输入大，焊接变形严重，不适宜对不锈钢薄板进行焊接。TIG焊接技术因其适用性强、焊接成本低、可获得高质量焊缝等一系列优点，已经被大量应用于不锈钢车体的焊接中。本文通过对3.0mm厚06Cr19Ni10不锈钢（新型304不锈钢）的TIG焊接接头的疲劳性能、金相组织的研究，为我国不锈钢车辆的生产技术提供理论与实践依据。

一、试验材料与方法

 试验母材为3.0mm厚的304不锈钢管，冷轧状态供货。采用TIG焊接方法，选用中1.6mm的实芯焊丝ER308LSi，保护气体为98%Ar+2%O2。其试验材料的化学成分及力学性能见表。3.0mm厚304不锈钢管焊接均采用单层单道焊，焊接工艺参数详见表。焊接试件焊后均进行了外观检测、渗透检测、X射线检测，检测结果均合格。

 疲劳试验参照GB/T13816-92《焊接接头脉动拉伸疲劳试验方法》进行。分别对TIG搭接接头、角接接头进行了脉动拉伸疲劳试验，以确定不同形式的焊接接头的疲劳性能。疲劳试件尺寸分别如图（a）、（b）所示。试验设备为PLG-100型微机控制高频疲劳试验机，其技术规格为：静态负荷精度土1%，动负荷平均波动度土1%，动负荷振幅波动度±2%。试验采用的循环应力比R=0.1，指定循环寿命取1×107次。在试验过程中，当疲劳裂纹尺寸足够大导致载荷加不上去时，自动卸载停振，并记录循环次数。使用升降法来计算焊接接头的中值疲劳强度。使用JSM-6360M型扫描电镜观察疲劳断口形貌。本次金相组织分析采用Neophot-32数码金相显微镜观察焊接接头的母材区、焊缝区及熔合区的显微组织，金相腐蚀液为氯化铁盐酸溶液。

二、试验结果及分析

 1. 疲劳试验

 疲劳断裂试件上产生疲劳裂纹的位置及宏观形貌如图所示。可看出：采用TIG焊接下3.0mm，304不锈钢管搭接、角接接头疲劳裂纹均产生于焊趾处。图分别为3.0mm，304不锈钢管搭接及角接接头疲劳断裂试样的断口形貌。可看出：试件的疲劳断口可以分成启裂区、裂纹扩展区以及终断区三个部分；试件的疲劳裂纹均从试件边缘处启裂，试件启裂区均无夹杂、夹渣等焊接缺陷；疲劳裂纹扩展区具有典型的疲劳断裂特征，疲劳纹清晰并很粗；扩展区的大小随疲劳循环次数的增加而增大；终断区断口形貌均为韧窝形态。由于搭接接头、角接接头各区域显微组织良好（见后文），未对疲劳性能造成显著影响，因此断裂原因是由于焊缝与试件表面存在一定的角度，导致焊趾处应力集中，当不断承受疲劳载荷时，该处极易发生疲劳断裂。

 通过升降法确定采用TIG焊接下3.0mm、304不锈钢管焊接接头指定寿命为1×10°次循环下的疲劳极限。搭接、角接疲劳试验均有4级应力水平，有效试件数12个，其结果如图所示。由图可见，每组疲劳试验均有5个子样对。因此，由升降法并依照公式ou=1ZnS；确定的搭接、角接接头指定寿命在1x10°次循环下的中值疲劳极限分别为：搭接Oa1=1Zn1S=（195+185×2+175×2）/5=183MPa角接Oa1=1ZnS=（275×3+265+255）/5=269MPa

 2. 金相组织

 图为搭接接头各区域显微组织。由图可看出：焊缝组织为以奥氏体为基体+排列整齐的树枝状分布的黑色铁素体，组织呈细小的柱状晶分布；由图可看出：热影响区组织为奥氏体为基体+链状分布的黑色铁素体，靠近熔合线附近晶粒细化，没有出现粗晶区；由图看出：接头的熔合区较窄，且无过热组织产生，其组织为奥氏体为基体+蠕虫状分布的黑色铁素体。

 图为角接接头各区域显微组织。由图可看出：焊缝组织为以奥氏体为基体+排列整齐的骨架状分布的黑色铁素体，组织呈柱状晶分布；由图可看出：由于焊接热输入小，热影响区保留母材的组织形态，组织为以奥氏体为基体+少量的黑色铁素体；由图可看出：接头的熔合区较窄，且无过热组织产生，其组织为奥氏体为基体+蠕虫状分布的黑色铁素体。

三、结论

 1. 304不锈钢管TIG搭接、角接接头疲劳裂纹均产生于焊趾处。

 2. 304不锈钢管TIG搭接、角接接头指定寿命为1×10°次循环下的中值疲劳极限分别为183、269MPa。

 3. 304不锈钢管TIG搭接接头焊缝区组织为：奥氏体为基体+树枝状分布的黑色铁素体，组织呈柱状晶分布；热影响区组织为：奥氏体+链状分布的黑色铁素体，靠近熔合线附近晶粒细化；熔合区组织为：奥氏体为基体+蠕虫状分布的黑色铁素体，熔合区较窄。角接接头焊缝区组织为：奥氏体为基体+树枝状分布的黑色铁素体；热影响区组织与母材组织相同为奥氏体+少量铁素体；熔合区组织为：奥氏体为基体+蠕虫状分布的铁素体。