■ 劉金平，馮英超，潘國偉，任麗麗

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1. 概述

304L不銹鋼因具有良好的耐蝕性、耐熱性、較好的力學(xué)性能和工藝性能而被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備、海洋工程以及壓力容器等領(lǐng)域。近年來，隨著現(xiàn)代工業(yè)結(jié)構(gòu)向大型化、高效化的發(fā)展，厚板及厚管的焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有著重要的意義。對于雙相不銹鋼而言，其耐蝕性和力學(xué)性能除受化學(xué)成分的影響外，還取決于組織中不同相之間的比例分配。

厚壁管道的焊接通常采用多層多道焊，此時，焊接熱輸入是影響焊接接頭微觀組織和力學(xué)性能重要因素，焊接熱輸入過大會造成焊縫金屬晶粒過大，進(jìn)而導(dǎo)致焊縫的抗拉強(qiáng)度和韌性下降；焊接熱輸入過小會產(chǎn)生焊道未熔合等缺陷。因此，要獲得優(yōu)良的厚壁管道焊接接頭存在一定的難度。

本文針對核電用304L不銹鋼管道的TIG焊進(jìn)行了焊接工藝的研究，并分析了焊接接頭的微觀組織和力學(xué)性能，以期為后續(xù)的安裝階段提供工藝支持。

2. 試驗材料和方法

本試驗所用焊接母材為TP304L不銹鋼管，具體化學(xué)成分如表1所示，規(guī)格為?273mm×28.58mm。試驗所用填充材料為?2.0mm的ER316L不銹鋼焊絲，化學(xué)成分如表2所示。本試驗所采用的焊接方法為手工鎢極氬弧焊。

焊接前用鋼絲刷和丙酮清除坡口面及坡口兩側(cè)25mm范圍內(nèi)的泥沙、水分、油污等雜質(zhì)，保證焊接過程穩(wěn)定。焊縫正面和背面均采用氬氣保護(hù)，保護(hù)氣流量為：正面8～12L/min；背面6～8L/min。焊接坡口尺寸和焊道分布如圖1所示，焊接坡口角度為70°，坡口組對間隙為2mm。試驗過程所用焊接參數(shù)如表3所示。

3. 試驗結(jié)果

（1）焊接接頭顯微組織 在多層多道焊焊接過程中，前一層焊縫對后一層焊縫有預(yù)熱作用，而后一層焊縫對前一層焊縫有熱處理作用。并且打底層、中間層和蓋面層區(qū)域所經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)不同，使得接頭不同區(qū)域組織和力學(xué)性能產(chǎn)生差異，因此對不同區(qū)域焊縫微觀組織進(jìn)行了對比分析。

表1 TP304L不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 ER316L不銹鋼焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖2為顯微組織取樣示意，其中A、B、C和D區(qū)域分別代表焊縫打底層，中間層，蓋面層以及熱影響區(qū)附近的熔合線區(qū)域。圖3為焊接接頭不同區(qū)域微觀組織形貌，發(fā)現(xiàn)焊縫組織主要由δ鐵素體和奧氏體組成。316L不銹鋼焊縫凝固屬于鐵素體-奧氏體模式（FA），在焊縫冷卻凝固初期鐵素體首先結(jié)晶析出，隨后先析出的鐵素體與液態(tài)熔池金屬發(fā)生包晶反應(yīng)生成奧氏體，其中奧氏體的形核主要依附先析出的鐵素體。隨著溫度的進(jìn)一步降低，大部分初生鐵素體經(jīng)過固態(tài)相變轉(zhuǎn)變成奧氏體，剩余的少量鐵素體呈板條狀或骨架狀于奧氏體中彌散分布。

圖3a為打底層焊縫中心微觀組織，可以看出奧氏體晶粒呈現(xiàn)細(xì)小的等軸晶在焊縫中均勻分布，鐵素體呈現(xiàn)細(xì)小的蠕蟲狀分布于奧氏體之上。圖3b為中間層焊縫中心微觀組織，主要由沿垂直于基板方向的柱狀奧氏體晶粒，骨架狀鐵素體和板條狀鐵素體構(gòu)成，柱狀晶呈現(xiàn)的方向性主要與焊縫金屬凝固過程的散熱方向有關(guān)。圖3c為蓋面層焊縫中心微觀組織，由圖可知在焊縫頂部出現(xiàn)了柱狀晶生長方向的轉(zhuǎn)變，由定向生長樹枝晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的過渡區(qū)，且等軸晶晶向發(fā)生改變，而底部和中部沒有等軸晶出現(xiàn)的原因是增材制造過程中后一層熔敷金屬將前一層金屬完全重熔，使得先前生成的等軸晶完全重熔，從而保證試樣柱狀晶的連續(xù)性。并且相比于焊縫中部蓋面層奧氏體和鐵素體尺寸都有了進(jìn)一步的增大，這主要是由于隨著焊接層數(shù)的增加，熱積累不斷增大。圖3d為焊縫熔合線附近微觀組織，可以發(fā)現(xiàn)是由垂直于熔合線方向生長的柱狀晶構(gòu)成，因為焊縫金屬凝固初期，沿垂直于熔合線方向散熱最快。

（2）焊接接頭抗拉強(qiáng)度 從焊接好的試樣取拉伸試件，常溫和高溫焊接接頭拉伸試件各加工三個，取其平均值作為試樣的拉伸強(qiáng)度，以減小試驗誤差，拉伸結(jié)果如圖4所示。試樣常溫拉伸強(qiáng)度為606MPa，350℃下的高溫拉伸強(qiáng)度為418MPa，均滿足焊接接頭的性能要求。

同時發(fā)現(xiàn)，常溫和高溫拉伸試件皆在焊縫處斷裂，這是由于在焊縫區(qū)域存在粗大的奧氏體柱狀晶，使得晶間結(jié)合強(qiáng)度降低，進(jìn)而使焊縫成為接頭薄弱部位。

圖1 焊接次序及坡口尺寸示意

圖2 顯微組織取樣位置示意

表3 焊接參數(shù)

圖3 焊接接頭微觀組織形貌

（3）焊接接頭顯微硬度 為分析焊接接頭不同區(qū)域的性能差異，對接頭橫截面不同位置深度水平方向的硬度分布進(jìn)行了顯微硬度測試。采用HVS1000型顯微硬度計分別對距離管材上下表面2mm處以及中心處硬度分布進(jìn)行測量；垂直焊縫方向不同厚度層上橫向硬度分布如圖5所示。

圖4 拉伸測試結(jié)果

圖5 垂直焊縫方向不同厚度層上橫向硬度分布

由于焊縫坡口有一定斜度并且蓋面層焊槍擺動，沿厚度方向焊縫寬度不相同，導(dǎo)致不同厚度層下熱影響區(qū)所處的位置不同。從圖5可以看出，不同厚度層上接頭硬度的分布規(guī)律大體一致。焊縫區(qū)硬度普遍高于母材。并且焊縫區(qū)硬度呈現(xiàn)打底層＞焊縫中心層＞焊縫蓋面層的趨勢，隨著焊接層數(shù)增加，熱積累的不斷增大，使得鐵素體和奧氏體的晶粒尺寸不斷增加，進(jìn)而導(dǎo)致焊縫接頭出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。

4. 結(jié)語

（1）采用多層多道焊方式進(jìn)行了核電用304L不銹鋼管道的TIG焊焊接工藝的研究，并對焊接接頭微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行分析。

（2）發(fā)現(xiàn)焊縫組織主要由δ鐵素體和奧氏體組成。打底層、中間層、蓋面層以及熔合線附近區(qū)域晶粒大小、形態(tài)和取向均存在差異。

（3）焊接接頭的室溫和高溫抗拉強(qiáng)度分別為606MPa和418MPa，滿足焊接接頭的性能要求。焊縫區(qū)硬度呈現(xiàn)打底層＞焊縫中心層＞焊縫蓋面層的趨勢。

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