雙鎢極不銹鋼與低合金鋼異種金屬焊縫組織性能

方迪生　高永光　劉萬(wàn)存　李志杰

摘要：采用雙鎢極高效焊接方法在低合金鋼表面堆焊不銹鋼，詳細(xì)分析焊縫稀釋率、微觀(guān)組織、異種金屬過(guò)渡區(qū)Ⅱ型邊界、馬氏體帶等現(xiàn)象，并檢測(cè)了堆焊層化學(xué)成分、硬度、沖擊、晶間腐蝕等性能。結(jié)果表明，隨著熱輸入的增加，雙鎢極焊縫稀釋率增加，微觀(guān)組織晶粒尺寸增大，Ⅱ型邊界遷移距離更遠(yuǎn)，馬氏體帶局部變長(zhǎng)。當(dāng)雙鎢極熱輸入控制在一定程度時(shí)，其硬度、化學(xué)、沖擊、晶間腐蝕等焊縫性能與單鎢極接近;但當(dāng)雙鎢極熱輸入過(guò)高時(shí)，雙鎢極焊縫硬度、沖擊等性能明顯惡化。

關(guān)鍵詞：雙鎢極;不銹鋼堆焊;組織與性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TG444+.74文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）03-0086-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.16

0 前言

核反應(yīng)堆壓力容器是核電廠(chǎng)全壽命運(yùn)行中不可更換的核心設(shè)備。在其制造過(guò)程中，堆焊周期占整體生產(chǎn)周期1/3以上。目前堆焊方法主要有帶極堆焊、鎢極氬弧焊和焊工電弧焊。帶極堆焊熔敷效率高，但焊接質(zhì)量易出現(xiàn)隱患;手工電弧焊自動(dòng)化程度低，且焊接質(zhì)量不穩(wěn)定;氬弧焊焊接質(zhì)量最好，但焊接效率低，限制了其工程化應(yīng)用。

與單鎢極焊接工藝相比，雙鎢極焊接焊縫成形與質(zhì)量佳，焊接速度和熔敷效率明顯提高[1]，應(yīng)用于產(chǎn)品制造可大大提升生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本和能源消耗。本文詳細(xì)研究雙鎢極不銹鋼堆焊焊縫組織與性能，對(duì)雙鎢極工程化應(yīng)用具有重要的實(shí)際意義。

1 原理與方法

雙鎢極氬弧焊工作原理如圖1所示，系統(tǒng)有兩臺(tái)焊接電源，分別對(duì)焊槍中兩根彼此絕緣的鎢極供電，兩根鎢極與母材產(chǎn)生獨(dú)立電弧，因電磁力而形成耦合電弧。雙鎢極電弧具有電弧壓力小、焊縫熔深淺、深寬比小等特點(diǎn)[2]。

試驗(yàn)采用φ4 mm鎢極，磨削角度30°，雙鎢極之間夾角30°，尖端距離控制在2 mm左右。母材為SA-508 Gr.3試板，尺寸300 mm×300 mm×50 mm。焊材采用φ1.2 mm實(shí)心焊絲，首層堆焊ER309L，其余層堆焊ER308L。保護(hù)氣體采用99.999%高純氬氣。采用雙鎢極堆焊Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三組不同熱輸入焊縫，另外采用單鎢極堆焊一組焊縫作為對(duì)比，焊接參數(shù)如表1所示。首層堆焊完成后，部分焊縫切取橫截面試樣，經(jīng)研磨、拋光和腐蝕后，獲取焊縫熔深、余高、稀釋率等數(shù)據(jù)。其余焊縫繼續(xù)堆焊，作為金相、化學(xué)、沖擊、硬度、腐蝕等檢測(cè)取樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊縫成形與稀釋率

焊縫宏觀(guān)形貌如圖2所示?？梢钥闯?，單鎢極、雙鎢極①和雙鎢極②均獲得了良好的焊縫成形，且無(wú)可見(jiàn)缺陷。而雙鎢極③因熱輸入過(guò)大，焊縫出現(xiàn)明顯流淌現(xiàn)象，焊縫成形較差。根據(jù)首層焊縫橫截面，獲得單鎢極、雙鎢極①、雙鎢極②、雙鎢極③焊縫熔深分別為0.83 mm、0.86 mm、0.86 mm、1.02 mm，稀釋率分別為23.7%、18.4%、20.7%、31.25%，首層焊縫厚度分別為2.48 mm、2.57 mm、3.85 mm、3.90 mm。與單鎢極相比，雙鎢極熱輸入較低時(shí)，稀釋率更低。

2.2 堆焊層微觀(guān)組織

2.2.1 首層焊縫微觀(guān)組織

金相試樣經(jīng)砂紙研磨、拋光后，采用王水電解腐蝕，利用光學(xué)顯微鏡直接觀(guān)察，首層焊縫微觀(guān)組織如圖3所示。4種焊縫均為典型的先析出鐵素體與奧氏體混合組織，奧氏體呈柱狀，鐵素體分布在奧氏體晶界上。雙鎢極與單鎢極焊縫組織區(qū)別并不明顯，只有雙鎢極②和雙鎢極③在熱輸入增大后晶粒尺寸明顯增大。首層焊縫與第二層焊縫過(guò)渡區(qū)如圖4所示?？梢钥闯觯讓雍缚p與第二層焊縫微觀(guān)組織形貌無(wú)太大差別，均由奧氏體與鐵素體組成，但第二層焊縫晶粒尺寸小于首層焊縫。其主要原因是首層堆焊時(shí)采取了預(yù)熱措施，延長(zhǎng)了焊縫冷卻時(shí)間，焊縫晶粒長(zhǎng)大時(shí)間延長(zhǎng)。

2.2.2 首層焊縫Ⅱ型邊界[3]

單鎢極焊縫和雙鎢極焊縫中均發(fā)現(xiàn)了近似平行于熔合線(xiàn)的Ⅱ型邊界，如圖5所示。

單鎢極焊縫如圖5a所示，Ⅱ型邊界的跨度相對(duì)較小。雙鎢極焊縫如圖5b～5d所示，Ⅱ型邊界跨度超過(guò)了圖片顯示范圍。此外，隨著雙鎢極熱輸入的增加，Ⅱ型邊界離熔合線(xiàn)越遠(yuǎn)。這是因?yàn)闊彷斎朐黾邮沟煤缚p熱影響區(qū)微觀(guān)組織奧氏體化停留時(shí)間延長(zhǎng)，Ⅱ型邊界遷移時(shí)間延長(zhǎng)。

2.2.3 首層焊縫馬氏體帶

金相試樣經(jīng)打磨、拋光，采用4%硝酸酒精腐蝕后可觀(guān)察到明顯區(qū)別于熔敷區(qū)和熱影響區(qū)的灰色帶，它包括單相馬氏體區(qū)以及馬氏體與其他組織混合區(qū)[4-5]，統(tǒng)稱(chēng)為馬氏體帶。單鎢極和雙鎢極①馬氏體帶如圖6所示。圖6a和6b分別為馬氏體帶整體形貌，包含相對(duì)較寬的馬氏體帶（B區(qū)、C區(qū)）和較窄的馬氏體帶（A區(qū)），A區(qū)為焊縫中普遍情況，B、C區(qū)是由化學(xué)元素局部濃度變化造成的。對(duì)比單鎢極與雙鎢極焊縫發(fā)現(xiàn)，雙鎢極馬氏體帶寬度有所增加（C區(qū)對(duì)比B區(qū)）。根據(jù)微觀(guān)硬度測(cè)定值，二者最高硬度相差不大。但雙鎢極①熔敷金屬硬度由266.9 HV過(guò)渡到馬氏體硬度441.2 HV相對(duì)較緩，而單鎢極馬氏體帶硬度變化較陡。

圖7a、7b分別為雙鎢極②和雙鎢極③馬氏體帶情況，圖7c、7d為馬氏體帶相對(duì)較寬區(qū)域，圖7e、 7f為馬氏體帶較窄區(qū)域。由圖可知，雙鎢極②與雙鎢極①焊縫馬氏體帶情況基本相同。但當(dāng)雙鎢極③熱輸入過(guò)大時(shí)，焊縫馬氏體帶寬度和長(zhǎng)度均減小，其原因可能是元素?cái)U(kuò)散時(shí)間延長(zhǎng)。

2.3 焊縫性能

2.3.1 化學(xué)成分和鐵素體含量

采用直讀光譜儀和氧氮?dú)浞治鰞x，根據(jù)GB/T 223對(duì)距離母材熔合線(xiàn)0.5～2 mm堆焊焊縫（首層焊縫）進(jìn)行化學(xué)檢測(cè)。光譜儀分析采用塊狀試樣，氧氮?dú)浞治霾捎眯紶钤嚇印；瘜W(xué)檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

采用德朗圖法計(jì)算Ni、Cr當(dāng)量，獲得鐵素體含量。單鎢極、雙鎢極①、雙鎢極②、雙鎢極③鐵素體含量分別為9.1%、7.7%、8.1%、4.5%。單鎢極、雙鎢極①、雙鎢極②焊縫相近，但雙鎢極③焊縫鐵素體含量明顯下降，其原因可能是熱輸入過(guò)高導(dǎo)致焊縫中σ相析出。

2.3.2 硬度分布

采用維氏硬度儀由熔合線(xiàn)下方5 mm處至熔合線(xiàn)上方6 mm處每隔0.5 mm進(jìn)行硬度測(cè)試。試驗(yàn)力為98 N，保持時(shí)間為12 s，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。單鎢極、雙鎢極①、雙鎢極②硬度分布和大小均較為接近。但雙鎢極③焊縫熔化區(qū)硬度有所降低，熱影響區(qū)硬度明顯增大。其原因是雙鎢極③熱輸入過(guò)大，熔敷金屬奧氏體組織粗大，而熱影響區(qū)碳化物析出增多。

2.3.3 沖擊韌性

根據(jù)GB/T 2650-2008進(jìn)行沖擊性能試驗(yàn)，試樣尺寸10 mm×10 mm×55 mm。試驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，單鎢極、雙鎢極①、雙鎢極②平均沖擊吸收功分別為158 J、157.3 J、157.7 J，較為接近，但雙鎢極③沖擊吸收功為141.3 J，相比明顯下降。主要原因可能是隨著熱輸入的增加，不銹鋼焊縫有害相σ相析出，焊縫脆性增加。

2.3.4 晶間腐蝕

按照GB/T 4334-2008 E法進(jìn)行晶間腐蝕，試樣尺寸3 mm×10 mm×70 mm，焊態(tài)。經(jīng)腐蝕后進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，然后放大10倍進(jìn)行觀(guān)察，結(jié)果表明，單鎢極、雙鎢極焊縫均未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋及傾向。

3 結(jié)論

（1）雙鎢極氬弧焊可獲得宏觀(guān)成形良好、無(wú)可見(jiàn)缺陷的焊縫，與單鎢極相比，雙鎢極焊接速度提高1.8倍，同時(shí)熔敷效率提高2.5倍以上。

（2）隨著焊接熱輸入的增加，雙鎢極焊縫晶粒尺寸增大，Ⅱ型邊界和馬氏體帶情況變差。但在熱輸入較小的情況下，二者相差不大。

（3）在熱輸入控制在一定范圍內(nèi)時(shí)，雙鎢極與單鎢極焊縫硬度、沖擊、晶間腐蝕等性能接近。

參考文獻(xiàn)：

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