Z2CND17-12不銹鋼自動脈沖TIG焊性能試驗

（青島蘭石重型機械設(shè)備有限公司，山東 青島 266426）

0 前言

鎢極惰性氣體保護焊具有焊接過程穩(wěn)定、焊縫成形優(yōu)良等優(yōu)點，是一種高質(zhì)量、高精度的焊接方法。

Z2CND17-12奧氏體不銹鋼為RCC-M標(biāo)準(zhǔn)中的牌號，該牌號材料因其良好的化學(xué)成分、力學(xué)性能、耐腐蝕性能、組織穩(wěn)定性和抗中子輻照性能廣泛用于核電站設(shè)備。Z2CND17-12不銹鋼組織為奧氏體，比其他不銹鋼更容易焊接，不會因溫度變化而發(fā)生相變、對氫脆不敏感、在焊態(tài)下其接頭具有較好的塑性和韌性等。容易出現(xiàn)的焊接性問題為：焊接熱裂紋、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、脆化、表面氧化；此外，由于導(dǎo)熱系數(shù)低、熱膨脹系數(shù)大，局部加熱時溫度分布不均勻且收縮量較大，使接頭在焊接過程中產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力[1]。

由于奧氏體不銹鋼中鎳含量較高，在焊接過程中鐵水較為粘稠，焊接時如果電流太小，鐵水流動性不好會導(dǎo)致焊縫成形不佳，電流太大又難以保證焊接質(zhì)量。常規(guī)手工焊接方法是恒電流焊接，焊接熱輸入較大，易出現(xiàn)氣孔敏感性高、接頭塑性較差等問題。脈沖TIG焊是靠峰值電流Im和基值電流Ij來控制線能量，每一次峰值電流通過時，焊件上就產(chǎn)生一個點狀熔池，峰值電流停歇時，點狀熔池就冷凝結(jié)晶，同時由基值電流來維持電弧穩(wěn)定燃燒，以便下一次峰值電流導(dǎo)通時峰值電流能可靠穩(wěn)定地燃燒。只要合理地調(diào)節(jié)脈沖頻率等相關(guān)參數(shù)，就可以很好地控制線能量[2]，并能實現(xiàn)自動焊接，提高生產(chǎn)效率，保證焊接質(zhì)量。隨著脈沖焊接技術(shù)的出現(xiàn)及發(fā)展，越來越多的研究表明，脈沖TIG焊可有效降低焊縫的氣孔敏感性，提高接頭力學(xué)性能。另外，脈沖電流的作用使電弧壓力有較大提高，采用脈沖電流焊接時，周期性變化的電弧壓力對熔池的攪拌作用能夠破碎枝晶，增加熔池的結(jié)晶中心，促進焊縫晶粒細化，從而提高接頭力學(xué)性能[3]。

1 試驗材料、方法及性能檢測

1.1 試驗材料

試驗材料為Z2CND17-12不銹鋼的管狀試件，尺寸φ88.9mm×11.13mm，焊接接頭采用V型坡口，坡口角度30°±2.5°，鈍邊0 mm。焊接材料選用牌號為ER316L的氬弧焊絲，焊絲直徑φ1.0 mm，符合法國標(biāo)準(zhǔn)RCC-M S2915。母材和焊絲的化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1、表2所示。

表1 母材和焊絲的化學(xué)成分 %

表2 母材和焊絲的力學(xué)性能

1.2 試驗方法

采用自動脈沖TIG焊，鈰鎢極直徑φ3.2 mm，保護氣為φ（Ar）99.99%。焊前將試件坡口管端內(nèi)外各10 mm范圍打磨至露出金屬光澤，確保焊接區(qū)域清潔、干燥、無污物、無油銹。通過多次試驗，自動脈沖TIG焊的最佳焊接工藝參數(shù)如表3所示，解決了封底焊接時易出現(xiàn)燒穿、未焊透及焊接過程易出現(xiàn)層間未熔合、側(cè)壁未熔合、氣孔、夾鎢等問題[4]。

表3 焊接工藝參數(shù)

1.3 性能檢測

焊接完成后，試件按照RCC-M標(biāo)準(zhǔn)進行目視檢測、液體滲透檢測與RT射線檢測，結(jié)果均合格。

對焊接接頭進行拉伸、彎曲、沖擊及金相顯微組織的檢測分析。檢測標(biāo)準(zhǔn)及試樣尺寸如下：

（1）依據(jù)RCC-M MC1211標(biāo)準(zhǔn)要求的NF EN895-1999、NF EN 10002-1標(biāo)準(zhǔn)制取拉伸試樣，試樣尺寸見圖1a，采用561-001Q微機控制電液伺服萬能試驗機進行拉伸試驗。

（2）依據(jù)RCC-MMC1221標(biāo)準(zhǔn)要求的NFEN10045.1-1990標(biāo)準(zhǔn)制取沖擊試樣，試樣尺寸見圖1b。

（3）依據(jù)NF EN910-1997標(biāo)準(zhǔn)制取彎曲試樣，試樣尺寸見圖1c、1d，采用564-001Q微機控制電液伺服彎曲試驗機進行接頭的面背彎性能試驗。

（4）按照RCC-MMC1321標(biāo)準(zhǔn)要求的NF A 05-152規(guī)定制取金相試樣，浸蝕劑選用10%草酸酒精進行電解浸蝕，電解時間1 min。采用599-003Q金相顯微鏡觀察分析焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及母材區(qū)的顯微組織。

2 試驗結(jié)果

2.1 焊接過程中及焊后焊縫外觀

焊接過程中焊縫外觀見圖2a，焊接后焊縫外觀見圖2b。焊接過程中及焊接后其焊縫正面成形和背面成形均勻穩(wěn)定，表面光潔無缺陷，焊道呈規(guī)則的魚鱗紋狀，焊縫表面顏色為銀白色，說明該焊接方法穩(wěn)定性較好，焊接工藝參數(shù)及焊接質(zhì)量可控。

2.2 接頭顯微組織

Z2CND17-12不銹鋼焊接接頭各區(qū)顯微金相組織如圖3所示。

圖1 試樣尺寸

圖2 焊縫外觀

2.2.1 母材和熱影響區(qū)顯微金相組織

圖3a是Z2CND17-12不銹鋼母材顯微金相組織，為多邊形的奧氏體，部分晶粒呈孿晶，且奧氏體晶界上有顆粒狀分布的M23C6碳化物[5]。圖3b是焊接接頭熱影響區(qū)顯微金相組織，晶粒尺寸與母材相比變化不大，說明自動脈沖TIG焊的熱輸入量較低，且靠近母材邊緣冷卻速度快，高溫停留時間短，晶粒長大趨勢不明顯。圖3c是焊接接頭熱影響區(qū)熔合線附近顯微金相組織，主要由樹枝狀δ鐵素體和蠕蟲狀δ鐵素體組成。

2.2.2 焊縫區(qū)顯微金相組織

奧氏體不銹鋼焊縫的顯微組織是由結(jié)晶方式及鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)化的固態(tài)相變共同決定的，而結(jié)晶方式和固態(tài)相變最終會隨著冷速的加快而增加，奧氏體焊縫中的鐵素體形態(tài)由骨架狀向蠕蟲狀過渡。由圖3d、3e、3f可知，其焊縫微觀金相組織上部以樹枝狀δ鐵素體為主，中部以蠕蟲狀和樹枝狀δ鐵素體為主，下部以網(wǎng)狀δ鐵素體為主。由于該試件采用脈沖多層多道焊，焊接熱輸入量較小，所以焊縫區(qū)各位置的冷卻速度存在差別，導(dǎo)致顯微組織也存在不同。

2.3 Z2CND17-12自動脈沖TIG焊接頭力學(xué)性能

2.3.1 拉伸結(jié)果

焊接接頭的拉伸結(jié)果如表4所示，抗拉強度平均值為603 MPa，均高于母材抗拉強度576 MPa，斷裂位置為母材，斷口未見明顯的可視性缺陷。因此，焊接接頭具有良好的力學(xué)性能。

表4 焊接接頭拉伸結(jié)果

2.3.2 接頭彎曲結(jié)果

接頭彎曲結(jié)果見表5。面彎與背彎試樣均未發(fā)現(xiàn)裂紋，說明焊接接頭具有良好的致密性和塑韌性。

表5 焊接接頭彎曲結(jié)果

2.3.3 接頭常溫沖擊結(jié)果

焊接接頭常溫沖擊結(jié)果如表6所示。焊縫區(qū)及熱影響區(qū)常溫沖擊值均在180 J以上，說明焊接工藝參數(shù)匹配合理，焊接接頭具有良好的韌性。試驗后拉伸、彎曲及沖擊試樣如圖4所示。

圖3 Z2CND17-12不銹鋼接頭各區(qū)顯微金相組織

表6 焊接接頭常溫沖擊結(jié)果

圖4 拉伸、彎曲及沖擊試樣

3 結(jié)論

（1）通過Z2CND17-12不銹鋼自動脈沖TIG焊試驗，得到了最佳焊接工藝參數(shù)，焊縫外觀均勻穩(wěn)定，焊接方法穩(wěn)定性較好，焊接質(zhì)量可控。

（2）Z2CND17-12不銹鋼自動脈沖TIG焊焊接接頭抗拉強度、焊縫區(qū)常溫沖擊值、

面背彎試驗均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且富裕量較大，說明焊接接頭具有良好的致密性和塑韌性。

（3）Z2CND17-12不銹鋼自動脈沖TIG焊縫微觀金相組織上部以樹枝狀δ鐵素體為主，中部以蠕蟲狀和樹枝狀δ鐵素體為主，下部以網(wǎng)狀δ鐵素體為主；熱影響區(qū)晶粒未見明顯長大，組織未見明顯變化。說明自動脈沖TIG焊采用的脈沖多層多道焊可減小焊接熱輸入量，細化焊縫晶粒和組織。

（4）Z2CND17-12不銹鋼成功采用脈沖TIG焊，為今后不銹鋼薄壁的焊接研究及工業(yè)應(yīng)用提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。