304不銹鋼GTAW 背面保護(hù)焊劑性能研究*

強(qiáng) 偉，李文卓，路永新，李 歡，米廣鑫，程 龍

（1.西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065；2.克拉瑪依金磚鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司，新疆 克拉瑪依 834000）

0 前 言

不銹鋼因良好的耐腐蝕性能在壓力容器、油氣化工、工程機(jī)械、船舶等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，制造焊接結(jié)構(gòu)時(shí)需預(yù)防高溫氧化以免影響其耐腐蝕性[1-3]。對(duì)于焊槍無法到達(dá)焊縫背面的應(yīng)用場景（如小內(nèi)徑管道環(huán)縫焊接），通常只能選用單面焊接雙面成形工藝[4]。為避免焊接過程中焊縫背部氧化，相關(guān)研究人員和技術(shù)人員進(jìn)行了大量嘗試，目前比較成熟的方案是封閉局部空間同時(shí)充氬，使焊縫背部在氬氣氛圍中冷卻凝固。小直徑管道環(huán)焊縫焊接時(shí)，需要在管道內(nèi)部以保護(hù)塞隔出氣室，用氬氣充滿氣室達(dá)到焊縫背面保護(hù)的效果[5]。閆興貴等[6]在研究不銹鋼平板非熔化極惰性氣體保護(hù)焊（GTAW）時(shí)通過設(shè)計(jì)充氬裝置實(shí)現(xiàn)了焊縫背面保護(hù)。然而，局部密閉充氬的方法需額外增加裝置，施工難度增加，導(dǎo)致焊接效率降低，且焊接過程需要消耗大量氬氣。另一種可行的方法是焊接時(shí)在工件背面加裝Cu 或陶瓷材料襯墊以避免背部氧化，但容易帶來滲銅、夾渣等問題。采用焊接保護(hù)劑是國外的一種新方法，國內(nèi)也開展了相關(guān)研究。李輝[7-8]比較了不同種類的背面保護(hù)劑對(duì)不銹鋼GTAW 焊接接頭的影響；鄭祥超、尹燕、樊鴻杰等[9-12]采用自制背面保護(hù)劑完成了薄壁304 不銹鋼管的焊接；李亞軍、丁超等[13-15]研究了美國金帝國公司Solar TYPE B 型保護(hù)劑在管道焊接方面的應(yīng)用效果。

為了進(jìn)一步揭示Solar TYPE B 型保護(hù)劑的作用機(jī)理，為不銹鋼單面焊接雙面成形提供可行高效的背面保護(hù)方法，本研究利用光學(xué)顯微鏡（OM）、電子顯微鏡（SEM）、能譜儀（EDS）、顯微硬度計(jì)等設(shè)備系統(tǒng)分析了Solar TYPE B 型保護(hù)劑作用下304 不銹鋼焊接接頭的組織性能及保護(hù)效果。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用規(guī)格為100 mm×200 mm×3 mm 的304奧氏體不銹鋼板材為試驗(yàn)材料，化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)用304奧氏體不銹鋼板化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

采用電子天平稱量一定量的Solar TYPE B 型保護(hù)劑粉末（主要組分為氧化物），加入適量丙酮后充分?jǐn)嚢铻楹隣?。將保護(hù)劑混合物均勻涂覆于不銹鋼平板一側(cè)，以接縫為中心，兩側(cè)涂覆寬度各8 mm，涂覆層厚度為1 mm。

采用GTAW 方法在304不銹鋼未涂覆保護(hù)劑的一側(cè)開展自熔焊接試驗(yàn)，焊接工藝參數(shù)見表2。試驗(yàn)原理如圖1所示。

表2 焊接工藝參數(shù)

圖1 涂覆保護(hù)劑的GTAW 試驗(yàn)原理

垂直于焊縫切取金相試樣，用王水溶液腐蝕后，通過Axio Vert.A1 光學(xué)顯微鏡觀測(cè)焊接接頭微觀組織，利用JSM-6390A 掃描電子顯微鏡和能譜儀定量分析元素含量，采用HXD-1000TMC 硬度試驗(yàn)計(jì)檢測(cè)焊接接頭硬度分布。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊縫外觀

圖2 所示為采用Solar TYPE B 型保護(hù)劑焊接獲得的焊縫正面、背面外觀形貌。由圖2（a）可見，焊縫正面成形良好，尺寸一致性好，表面光潔度高，無明顯表面缺陷，但母材表面呈灰色，存在一定程度的高溫氧化；由圖2（b）可見，焊縫背面表層覆蓋一層焊渣類似物，這是丙酮和保護(hù)劑的混合物高溫加熱后形成的產(chǎn)物。去除部分熔渣后露出銀白色的不銹鋼表面，表明保護(hù)劑對(duì)焊縫背部具有良好的保護(hù)效果。

圖2 采用Solar TYPE B型保護(hù)劑焊縫外觀形貌

2.2 微觀組織

圖3為采用Solar TYPE B型保護(hù)劑各區(qū)域微觀組織，由圖3（a）、圖3（c）可知，母材組織為奧氏體γ等軸晶，焊縫區(qū)主要由尺寸較小的奧氏體枝晶組成，枝晶間距平均為8.9 μm；由圖3（b）可知，熔合線的焊縫一側(cè)晶粒以熱影響區(qū)半熔化晶粒為核心，垂直于熔合線向焊縫中心方向生長，組織形態(tài)為聯(lián)生結(jié)晶形成的柱狀?yuàn)W氏體晶粒。

圖3 不銹鋼焊接接頭組織形貌

對(duì)焊接接頭進(jìn)行SEM和EDS測(cè)試分析，結(jié)果如圖4所示。對(duì)涂覆保護(hù)劑的焊縫背面表層進(jìn)行EDS點(diǎn)掃描，結(jié)果顯示焊縫表面仍存在一定氧化，氧化層厚度最大12.6 μm，但氧含量較低。從焊縫內(nèi)部向背面表層做EDS線掃描（圖4（b）），可以看到焊縫表層部位的氧含量同樣略有增高。

圖4 采用Solar TYPE B型保護(hù)劑焊接接頭SEM和EDS分析結(jié)果

為定量評(píng)估保護(hù)劑效果，在焊縫背面表層取樣測(cè)定含氧量，結(jié)果顯示接頭背面表層氧含量為0.001 2%。在保護(hù)劑作用下，接頭背面表層金屬的含氧量極低，說明保護(hù)劑發(fā)揮了良好效果。

2.3 顯微硬度

圖5 為焊接接頭的硬度分布。從圖5 可見，焊縫區(qū)的硬度整體較高，而熱影響區(qū)存在一定程度的軟化，最低硬度為303HV10。焊接過程中，熱影響區(qū)的金屬雖未熔化，但與熔合線距離最近，受到焊接熱量的影響極大，因此晶粒粗化明顯。根據(jù)Hall-Petch 關(guān)系，晶粒越粗大，材料性能越差，因此熱影響區(qū)的硬度下降比較嚴(yán)重。從圖3（c）可知，焊縫區(qū)晶粒相對(duì)細(xì)小，且分布均勻，由于細(xì)晶強(qiáng)化的作用，硬度較高?？傮w來看，焊接接頭的硬度與母材相比，波動(dòng)較小，說明焊接對(duì)材料的力學(xué)性能影響不大。

圖5 不銹鋼焊接接頭硬度分布

3 結(jié) 論

（1）采用Solar TYPE B 型保護(hù)劑，可以獲得外觀成形良好的304 奧氏體不銹鋼GTAW焊縫。

（2）熔合線附近的焊縫組織為聯(lián)生結(jié)晶的奧氏體柱狀晶，焊縫中心組織為細(xì)小均布的奧氏體枝晶，平均枝晶間距為8.9 μm。

（3）焊縫背面表層金屬中含有一定量的O元素，但氧化程度不大，說明保護(hù)劑的保護(hù)效果良好。

（4）焊接接頭熱影響區(qū)的硬度較低，而焊縫區(qū)硬度較高，但總體硬度值波動(dòng)不大。