核級不銹鋼厚壁管道TIG焊工藝研究

■ 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、較好的力學性能和工藝性能而被廣泛應用于機械設備、海洋工程以及壓力容器等領域。近年來，隨著現代工業結構向大型化、高效化的發展，厚板及厚管的焊接結構的應用有著重要的意義。對于雙相不銹鋼而言，其耐蝕性和力學性能除受化學成分的影響外，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，進而導致焊縫的抗拉強度和韌性下降；焊接熱輸入過小會產生焊道未熔合等缺陷。因此，要獲得優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性能，以期為后續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，具體化學成分如表1所示，規格為?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25mm范圍內的泥沙、水分、油污等雜質，保證焊接過程穩定。焊縫正面和背面均采用氬氣保護，保護氣流量為：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如表3所示。

3. 試驗結果

（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、中間層和蓋面層區域所經歷的焊接熱循環不同，使得接頭不同區域組織和力學性能產生差異，因此對不同區域焊縫微觀組織進行了對比分析。

表1 TP304L不銹鋼的化學成分（質量分數） （%）

表2 ER316L不銹鋼焊絲化學成分（質量分數） （%）

圖2為顯微組織取樣示意，其中A、B、C和D區域分別代表焊縫打底層，中間層，蓋面層以及熱影響區附近的熔合線區域。圖3為焊接接頭不同區域微觀組織形貌，發現焊縫組織主要由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晶析出，隨后先析出的鐵素體與液態熔池金屬發生包晶反應生成奧氏體，其中奧氏體的形核主要依附先析出的鐵素體。隨著溫度的進一步降低，大部分初生鐵素體經過固態相變轉變成奧氏體，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細小的等軸晶在焊縫中均勻分布，鐵素體呈現細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成，柱狀晶呈現的方向性主要與焊縫金屬凝固過程的散熱方向有關。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了柱狀晶生長方向的轉變，由定向生長樹枝晶向等軸晶轉變的過渡區，且等軸晶晶向發生改變，而底部和中部沒有等軸晶出現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一步的增大，這主要是由于隨著焊接層數的增加，熱積累不斷增大。圖3d為焊縫熔合線附近微觀組織，可以發現是由垂直于熔合線方向生長的柱狀晶構成，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度，以減小試驗誤差，拉伸結果如圖4所示。試樣常溫拉伸強度為606MPa，350℃下的高溫拉伸強度為418MPa，均滿足焊接接頭的性能要求。

同時發現，常溫和高溫拉伸試件皆在焊縫處斷裂，這是由于在焊縫區域存在粗大的奧氏體柱狀晶，使得晶間結合強度降低，進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

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，導致不同厚度層下熱影響區所處的位置不同。從圖5可以看出，不同厚度層上接頭硬度的分布規律大體一致。焊縫區硬度普遍高于母材。并且焊縫區硬度呈現打底層＞焊縫中心層＞焊縫蓋面層的趨勢，隨著焊接層數增加，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，進而導致焊縫接頭出現軟化現象。

4. 結語

（1）采用多層多道焊方式進行了核電用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性能進行分析。

（2）發現焊縫組織主要由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域晶粒大小、形態和取向均存在差異。

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

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