不同工藝參數下0Cr18Ni9鋼薄壁管脈沖鎢極氬弧焊接頭的組織與拉伸性能

李 寧，劉少龍，丁雪松，徐雨紅，范文磊，蘇煥朝，王博玉

(1.華電國際電力股份有限公司朔州熱電分公司，朔州 036000；2.華電山西能源有限公司，太原 030006；3.西安理工大學材料科學與工程學院，西安710048)

0 引 言

0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼是在18-8型奧氏體不銹鋼的基礎上發展而來的一個鋼種，因其具有優異的耐腐蝕性能及熱穩定性，而廣泛應用于電站管道工程中[1-2]。在我國不銹鋼管道施工中，主要采用鎢極氬弧焊(Tungsten Inert Gas Arc Welding，TIG)的方式連接不銹鋼管[3]。在采用普通TIG焊接小口徑薄壁不銹鋼管時，因焊接熱輸入較高，常常會引起焊縫金屬力學性能下降，導致管接頭性能達不到技術要求而失效。脈沖鎢極氬弧焊(P-TIG)是在鎢極氬弧焊工藝基礎上發展起來的一種新工藝，該工藝通過峰值電流、基值電流、脈沖頻率及脈寬比之間的配合控制焊接熱輸入，脈沖工藝參數的交替影響使熔池發生電磁震蕩，破碎粗大的晶粒，從而提高焊縫金屬的力學性能[4]，因此可采用P-TIG焊接小徑薄壁不銹鋼管來避免管接頭出現力學性能下降的問題。目前國內對小口徑薄壁不銹鋼管TIG的研究主要集中在背面保護氣體的選擇[5]、工藝優化[6-7]及焊接變形的控制[8-9]方面，但是有關P-TIG工藝的研究較少。作者以電站管道工程電液調節(EH)系統用0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼管為研究對象，通過改變P-TIG焊的峰值電流、基值電流、脈沖頻率等參數焊接不銹鋼管，對比研究了不同工藝參數下接頭焊縫區及熱影響區的組織及拉伸性能，為小徑薄壁0Cr18Ni9不銹鋼管P-TIG工藝參數的優化提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

母材為0Cr18Ni9鋼小徑薄壁EH油管，規格為F14 mm×2 mm，長度為90 mm，室溫抗拉強度不低于520 MPa，屈服強度不低于205 MPa，斷后伸長率不低于40%，焊絲選擇直徑為1.6 mm的ER308L焊絲，母材和焊絲的化學成分如表1所示。焊前將鋼管對接口內外兩側各20 mm區域打磨出金屬光澤，并用酒精去除油脂、鐵銹等污物。采用YC-400TX型焊接電源進行方波脈沖TIG，采用直流正接，焊接電壓為12 V，在前期研究基礎上選取的脈沖工藝參數見表2。焊接過程的電弧保護及背部保護氣體均采用氬氣，氣體流量分別為10，5 L·min-1。

表1 0Cr18Ni9不銹鋼和ER308L焊絲的化學成分

表2 P-TIG脈沖工藝參數

在焊接接頭處切取金相試樣，經研磨、拋光，用4 g氯化鐵+65 mL鹽酸+100 mL蒸餾水配制的溶液腐蝕后，利用GX71型倒置光學顯微鏡(OM)觀察接頭焊縫區及熱影響區的組織，并利用ImageJ軟件測量焊縫區δ鐵素體含量及熱影響區中奧氏體晶粒平均尺寸。根據GB/T 2651-2008，采用整管拉伸試樣，按照GB/T 228-2016進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為1 mm·min-1，每組脈沖工藝取3個平行試樣，計算平均值，用VEGA3XMU型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察拉伸斷口形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可以看出，3種脈沖工藝下接頭焊縫區的組織均為奧氏體+δ鐵素體組織。根據ER308L焊絲成分計算得到，鉻當量與鎳當量之比為1.76，此時在熔池冷卻過程中，鐵素體先從熔池內析出后經固態相變轉變為奧氏體，來不及轉變的鐵素體呈蠕蟲狀、骨骼狀、板條狀及類板條狀殘留在奧氏體基體中[10]。1#工藝下焊縫區δ鐵素體呈蠕蟲狀分布在奧氏體晶界及晶內，統計得到δ鐵素體面積分數為18.677%； 2#工藝下焊縫區δ鐵素體呈骨骼狀分布在奧氏體晶界及晶內，分布雜亂，無明顯方向性，δ鐵素體面積分數為16.907%；3#工藝下焊縫區δ鐵素體呈骨骼狀分布在奧氏體晶界及晶內，但其枝晶尺寸較小，面積分數為17.680%。在δ鐵素體向奧氏體轉變的固態相變過程中，在熔池冷卻速率及化學成分偏析的影響下，鐵素體形成元素富集嚴重的δ鐵素體枝晶中心部分以蠕蟲狀保留至室溫，而整個枝晶則以骨骼狀保留至室溫[11]。與1#工藝相比，2#工藝和3#工藝的脈沖平均電流較大，焊接熱輸入較大，熔池冷卻速率較小，從而保證了δ鐵素體轉變為奧氏體，室溫組織中的殘留鐵素體含量較少。2#工藝與3#工藝相比，一個脈沖周期內脈沖時間相差較小且脈沖平均電流相近，熔池冷卻速率主要由脈沖峰值電流決定，3#工藝的脈沖峰值電流較小，熔池冷卻速率較大，δ鐵素體沒有充分時間轉變為奧氏體，因此室溫組織中的殘留鐵素體含量較多。

圖1 不同脈沖工藝下接頭焊縫區的顯微組織Fig.1 Microstructures of weld of joints under different pulse processes: (a) 1# process; (b) 2# process and (c) 3# process

母材及不同脈沖工藝下接頭熱影響區的顯微組織如圖2所示，統計得到，0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼母材的奧氏體晶粒平均尺寸為58.43 mm，1#工藝、2#工藝與3#工藝下接頭熱影響區中奧氏體晶粒平均尺寸分別為87.62，96.17，92.7 mm，可見P-TIG接頭熱影響區奧氏體晶粒發生明顯粗化。靠近焊縫一側熔合線附近的δ鐵素體呈柱狀晶向焊縫中心生長。

圖2 母材及不同脈沖工藝下接頭熱影響區的顯微組織Fig.2 Microstructures of base metal (a) and heat-affected zone of joints under different pulse processes (b-d):(b) 1# process; (c) 2# process and (d) 3# process

2.2 拉伸性能

由表3可以看出：1#工藝下接頭的拉伸性能最優，屈服強度為401.38 MPa，抗拉強度為701.51 MPa，屈強比為0.57。1#工藝下接頭熱影響區奧氏體晶粒平均尺寸較小，根據Hall-Petch公式，材料的強度與晶粒尺寸呈反比關系，且晶粒尺寸越小，晶界越多，位錯在滑移過程中越容易在晶界處產生位錯堆積，從而提高材料的強度及塑性。由于3組工藝下接頭焊縫區奧氏體晶界或晶內存在δ鐵素體組織，可以抑制含磷、硫等有害雜質的低熔點共晶相在晶界析出，且δ鐵素體在奧氏體不銹鋼焊縫中屬于強化相，在拉伸過程中能夠阻礙位錯的滑移，從而提高焊縫的強度[12-14]，且3組接頭熱影響區奧氏體晶粒存在明顯的粗化現象，因此3組工藝下接頭拉伸試樣均在熱影響區或母材處斷裂。

表3 不同脈沖工藝下接頭的拉伸性能及斷裂位置

由圖3可以看出，3組工藝下接頭拉伸斷口均由韌窩組成，這是材料經過塑性變形后，在斷口處產生的顯微空洞經形核、長大后相互連接形成的[15]。因此，3組工藝下接頭的斷裂形式均為典型的韌性斷裂。1#工藝下接頭拉伸斷口韌窩為等軸韌窩，形狀均勻且尺寸較小。2#工藝與3#工藝下接頭拉伸斷口韌窩粗大，且深度淺，大韌窩附近存在少量的小韌窩。因此，工藝1下接頭的拉伸性能最優。

圖3 不同脈沖工藝下接頭拉伸斷口形貌Fig.3 Tensile fracture morphology of joints under different pulse processes: (a) 1# process; (b) 2# process and (c) 3# process

3 結 論

(1) 采用脈沖鎢極氬弧焊對薄壁0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼管進行焊接，3組脈沖工藝下接頭焊縫區組織均為奧氏體+δ鐵素體；當脈沖頻率及脈寬比一定時，隨著脈沖平均電流的增加，δ鐵素體從蠕蟲狀轉變為骨骼狀，且δ鐵素體含量減小；在相同水平的脈沖平均電流及脈寬比下，隨脈沖峰值電流由60 A減小到50 A，骨骼狀δ鐵素體尺寸變小、含量增加。接頭熱影響區奧氏體晶粒發生明顯粗化。

(2) 不同脈沖工藝下接頭拉伸時均在熱影響區或母材處發生韌性斷裂。接頭的屈服強度及抗拉強度均大于母材強度下限值，且當基值電流為20 A，峰值電流為40 A，脈沖頻率為0.3 Hz，脈寬比為50%時，接頭的屈服強度及抗拉強度最高，分別為401.38，701.51 MPa，屈強比為0.57，拉伸性能最優，拉伸斷口中的韌窩為等軸韌窩，形狀均勻且尺寸較小。