不銹鋼管材鎢極氬弧焊焊接接頭微觀組織研究

陳 晨，徐俊陽(yáng)，仲照旭，王斯妮，公秀鳳

(1.吉林安德電化科技有限公司沈陽(yáng)分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000；2.沈陽(yáng)富創(chuàng)精密設(shè)備有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

304不銹鋼是目前應(yīng)用最廣泛的奧氏體不銹鋼之一，具有非常好的綜合性能，其中包括良好的成型性和耐蝕性，尤其是經(jīng)過(guò)焊接后，304不銹鋼還能夠具有非常好的焊接性能。鎢極氣體保護(hù)焊，通過(guò)氬氣氣氛對(duì)焊接部位進(jìn)行保護(hù)，起到隔絕空氣的目的，從而獲得高質(zhì)量的焊縫組織，并達(dá)到相應(yīng)的性能要求。

本文針對(duì)304不銹鋼管材，通過(guò)最常用的氬弧焊的方式使管材得到有效連接，對(duì)獲得的焊接接頭的顯微組織和硬度進(jìn)行了討論，為實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 試樣材料與方法

母材為304奧氏體不銹鋼管材，供貨狀態(tài)為固溶態(tài)，焊接管材尺寸為φ18mm*1.5mm。采用氣體（氬氣）保護(hù)的鎢極氬弧焊，環(huán)焊方式，無(wú)焊條，采用脈沖式焊接工藝。304不銹鋼母材金相組織如圖1所示，可以看出母材組織為奧氏體等軸晶組織。

圖1 304不銹鋼母材金相組織

焊接前，對(duì)管材端面及附近進(jìn)行清理，清潔部分長(zhǎng)度要達(dá)到10cm，并分別用150#、400#砂紙將端面打磨平整，清洗干凈后待用。管材端面無(wú)需開(kāi)坡口。采用直徑為1.6mm的鎢極進(jìn)行焊接，鎢極尖端距離工件外壁1.3mm～1.5mm.。焊接工藝如表1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

通過(guò)顯微硬度儀對(duì)焊縫及其周?chē)鸁嵊绊憛^(qū)、母材的硬度進(jìn)行測(cè)量，采用維氏壓頭，壓力100g。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

宏觀觀察，焊縫成形良好，無(wú)氣孔、裂紋等缺陷，焊縫寬度均勻，為光亮的魚(yú)鱗狀咬合波紋，并通過(guò)X射線探傷儀的檢測(cè)。

2.1 焊縫微觀組織形貌

304不銹鋼管材焊接后金相組織如圖2所示，包括（a）焊縫中心位置及（b）熱影響區(qū)。304不銹鋼組織為奧氏體，由于其成分影響，凝固過(guò)程后，焊縫中δ-鐵素體作為初生相。

焊縫中心位置，由于各個(gè)方向生長(zhǎng)的δ-鐵素體組織相遇，產(chǎn)生了細(xì)小的等軸晶組織，如圖2（a）所示。凝固初期形成的樹(shù)枝狀鐵素體是在Cr較高的區(qū)域，隨著冷卻的進(jìn)行，晶核外部的樹(shù)枝晶由于含Cr較少，轉(zhuǎn)變成奧氏體，從而形成中心區(qū)域骨架型結(jié)構(gòu)的富Cr的δ-鐵素體[1]。

熔化的金屬首先從熔合線附近開(kāi)始凝固，由于冷卻速度快，304奧氏體不銹鋼以FA模式凝固，即鐵素體作為出生相，鐵素體中間存在奧氏體組織[2]。從圖2（b）可以看出，熔合線處出現(xiàn)胞狀?yuàn)W氏體組織，并逐漸延伸至焊縫內(nèi)部，焊縫內(nèi)部為樹(shù)枝狀的鐵素體組織。

這是由于金屬組織成分以及冷卻速度決定的，較大的過(guò)冷度導(dǎo)致了胞狀晶的形成，隨著冷冷卻的進(jìn)行，產(chǎn)生樹(shù)枝狀的鐵素體及內(nèi)部的奧氏體混合組織。

熱影響區(qū)大部分晶粒未受到影響，尺寸未發(fā)生明顯變化，與母材晶粒尺寸相當(dāng)。

圖2 管材焊后組織（a）焊縫中心及（b）熱影響區(qū)

圖3 焊縫及其熱影響區(qū)、母材的顯微硬度分布

2.2 焊縫及熱影響區(qū)硬度

焊縫及其熱影響區(qū)、母材的顯微硬度值，如圖3所示，起始點(diǎn)為焊縫中心位置，壓痕間隔400μm。從圖3可以看出母材的硬度值在170HV0.1左右；焊縫中心處硬度值在190HV0.1左右；熱影響區(qū)處硬度值在160HV0.1以下。焊縫處金屬經(jīng)過(guò)熔融后，產(chǎn)生了鐵素體組織，細(xì)小的柱狀鐵素體骨架在奧氏體基體上分布，使得硬度進(jìn)一步提高到。而熱影響區(qū)的位置，由于受到焊縫處熱量的擴(kuò)散，奧氏體晶粒應(yīng)力進(jìn)一步松弛，導(dǎo)致硬度值有略微下降[3]。

試驗(yàn)中采用的氬氣保護(hù)的鎢極氬弧焊是全封閉的焊槍?zhuān)瑹崃慷技性诤笜寖?nèi)，產(chǎn)生的焊縫寬度較窄，熱量散失小，但鎢極產(chǎn)生的熱量對(duì)熱影響區(qū)產(chǎn)生了一定的影響，導(dǎo)致了熱影響區(qū)硬度的少量下降。

3 結(jié)論

（1）采用氣體（氬氣）保護(hù)的鎢極氬弧焊對(duì)304不銹鋼管材進(jìn)行對(duì)焊焊接，可以形成外觀致密，無(wú)氣孔、裂紋、翻邊等缺陷的焊縫組織，焊縫處形成連續(xù)的魚(yú)鱗狀咬合波紋。

（2）焊縫組織以δ-鐵素體作為初生相，部分鐵素體在冷卻過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體組織。在焊縫內(nèi)部，樹(shù)枝狀δ-鐵素體在Cr含量較高的位置形成，隨著冷卻的進(jìn)行，晶核外部的樹(shù)枝晶由于含Cr較少，轉(zhuǎn)變成奧氏體，從而形成中心區(qū)域骨架型結(jié)構(gòu)的δ-鐵素體以及奧氏體的混合組織。

（3）焊縫組織硬度到達(dá)190HV0.1左右，較母材170HV0.1有所提升，這是因?yàn)楹缚p中產(chǎn)生了細(xì)小的鐵素體組織。熱影響區(qū)硬度由于受到焊接熱量的影響可以達(dá)到160HV0.1左右。