工藝參數對304L不銹鋼GTAW熔覆金屬中鐵素體含量的影響

李方亮， 程尚華， 邵珠晶， 武少杰， 程方杰，2

(1.天津大學,天津 300072; 2.天津市現代連接技術重點實驗室,天津 300072)

0 前言

工業革命以來，人類對化石燃料的消耗越來越大，這導致了環境污染和全球變暖等問題，液化天然氣(LNG)作為一種新能源形式，不僅碳排放量比煤炭要低，而且產生的熱能多。由于LNG的生產、運輸和存儲設備都是在極低的溫度下工作的，這對于建造材料的耐低溫性能提出了很高的要求。

奧氏體不銹鋼因具有面心立方結構而沒有明顯的低溫脆性，且具有較高的強度、塑韌性，較好的耐腐蝕能力，易加工和可焊性強等特點，使得其在LNG相關設備的制造中得到大量應用。一般來說，在奧氏體不銹鋼焊接過程中不可避免地會產生一定量的鐵素體，少量鐵素體可以抑制焊接熱裂紋的產生[1]。但由于鐵素體是體心立方結構，具有低溫脆性，因此鐵素體含量過高將嚴重降低奧氏體不銹鋼的低溫性能。為了保證奧氏體不銹鋼焊接接頭的低溫韌性和耐腐蝕性，必須嚴格控制焊縫中鐵素體的含量。傳統的方法是通過使用高Ni焊材來穩定奧氏體相和控制鐵素體含量，然而高Ni焊材的高成本限制了其在工業生產中的大規模應用。N元素能夠替代昂貴的Ni元素作為奧氏體穩定元素，而且添加方式有多種，其中通過保護氣體添加N元素就是一種方便而且靈活的方法[2-6]。

1 試驗材料與方案

試驗所選母材為304L奧氏體不銹鋼板，焊材為308L奧氏體不銹鋼實心焊絲，母材和焊材的主要成分見表1。

在研究氮氣比例和電弧電壓這兩個因素的影響時，采用的是多層多道堆焊工藝，試驗用焊接平板尺寸為300 mm×250 mm×6 mm，焊接參數見表2，1～5組改變N2比例，3，6，7組改變電弧電壓。每層堆焊厚度約為2 mm，焊道排布如圖1所示，為了便于檢測每一層的鐵素體數(FN)和化學成分，每一層堆焊層比上一層短20～25 mm。層間溫度均控制在150 ℃以下。

表1 試驗用材料的成分(質量分數，%)

表2 多層多道焊接試驗參數

圖1 304L鋼板多層多道焊示意圖

探究焊接速度影響時，采用單層單道堆焊方法，試驗用焊接平板尺寸為200 mm×150 mm×3 mm，焊接試驗參數見表3。

在堆焊過程中，采用直流正接施焊。對焊后試樣分別進行成分分析、FN測量及顯微組織觀察，探討氮氣含量、電弧電壓和焊接速度對焊縫FN和組織的影響規律。

使用型號為FMP30鐵素體檢測儀測量每道焊縫的FN，為后續的FN分析提供支持。該設備利用磁感應原理制成，室溫下殘留的δ-鐵素體相是磁性的，而奧氏體則是非磁性的，這樣就可以對試樣中的鐵素體含量進行測量，其具有無損測量、簡單易用等特點。從FN測量儀獲得的單道焊縫FN值受幾個約束因素的影響，如薄板厚度、焊道厚度及表面曲率等，后面會對此有詳細討論。考慮到焊縫不同位置鐵素體含量不同，每次在熔覆金屬表面四個不同位置測量試樣的FN，并根據測量值計算FN平均值，為后續分析FN變化規律提供依據。

表3 單層單道焊接試驗參數

2 試驗結果與分析

2.1 氮氣含量對堆焊層平均鐵素體數的影響

對所測每道焊縫的化學成分取平均值，使用WRC-1992相圖的當量公式(1)和(2)分別計算焊縫的Creq和Nieq，計算結果見表4。

Creq=Cr+Mo+0.7Nb

(1)

Nieq=Ni+35C+20N+0.25Cu

(2)

表4 保護氣中氮氣含量對Creq和Nieq的影響

在Fe-Cr-Ni系ω(Fe)=70%的偽二元相圖上，鉻、鎳比18∶12是凝固先析出相改變的分界線，鉻鎳比高于此值為FA凝固模式，低于此值為AF凝固模式。通過計算發現，當保護氣中氮氣的百分比達到1.5%以上時，可能會發生凝固模式的轉變，即從FA模式轉變為AF模式。

根據計算的Creq和Nieq在WRC-1992相圖中的位置預測焊縫的FN，與實際測量的多層多道焊縫FN平均值繪制在一張圖中，如圖2所示。由圖2中的兩條曲線可以發現，實測的FN值普遍比根據相圖預測的結果低。分析認為，這是因為WRC-1992相圖是基于單道焊的試驗結果，而在該研究所采用的多層多道焊中后續焊道對前一焊道的再熱作用導致了復雜的固態相變發生，從而使得鐵素體含量進一步減少。

圖2 保護氣中氮氣含量對FN的影響

在圖2中，鐵素體數FN隨氮氣體積分數增加而減小，這說明通過增加混合氣中的氮氣含量，電弧空間中電離的氮原子隨之增多，從而使焊縫含氮量增加[7]。從圖2中還可以看出，當混合氣中氮含量增加至1.5%時，堆焊層的FN降低趨勢減緩。分析認為，當混合氣中的氮含量增大至1.5%時，堆焊層中溶入了更多的氮元素，導致堆焊層中的氮濃度逐漸趨于飽和，從而使堆焊層中的FN也趨于穩定[8]。

圖3為純Ar和Ar-2.0%N2混合氣下的堆焊層組織，黑色相和白色相分別代表鐵素體和奧氏體。從圖中可以發現，當混合氣為純Ar時，堆焊層的鐵素體主要以骨架狀和少量的板條狀形式分布于奧氏體基體上。對于Ar-2.0%N2混合氣下的堆焊層來說，其堆焊層的鐵素體含量明顯低于純氬堆焊層的鐵素體密度，這與圖2所示的結果一致。

圖3 保護氣中氮氣含量對金相組織的影響

通過進一步觀察發現，在Ar-2.0%N2混合氣下相鄰的焊道之間會出現大塊的奧氏體區。在多層多道焊接的層間熱循環溫度高于1 300 ℃的區域內，氮原子在鐵素體中的溶解度比奧氏體中的要高出許多，少量的原鐵素體相會吸收從附近奧氏體中擴散出來的氮原子，而在隨后較快的冷卻過程中，鐵素體中由于氮濃度增高導致鎳當量變大，從而促使其轉變成了奧氏體。

2.2 電弧電壓對堆焊層平均鐵素體數的影響

在TIG焊工藝中，電弧電壓與弧長近似成正比，電弧電壓的變化會顯著影響電弧的特性。不同電弧電壓下多層多道焊熔覆金屬內鐵素體平均含量的測量結果如圖4所示。圖中可以發現，隨著電弧電壓的升高，熔覆金屬中的鐵素體含量逐漸減少，特別是當電弧電壓達到18 V時，鐵素體含量會急劇降低，其平均FN低于1 FN。

圖4 電弧電壓對FN的影響

分析認為出現這一規律的原因大致如下：首先，由于N2在電弧的高溫熱作用下會分解為N原子，隨著電弧長度的增加，N2在電弧中的運動時間增加，N2受熱分解為N原子的過程進行地更加充分，電弧區的N密度會明顯增大；第二，隨著弧長增加，電弧區也增大，電弧空間中氮原子的絕對數量也增加，這促進了氮從電弧空間向熔池的過渡。同時，隨著電弧電壓的增大，焊縫的熔寬隨之增大，焊縫表面與保護氣接觸面積增大，溶入到焊縫中的氮原子也隨之增多，使堆焊層的FN降低；最后，增加電弧電壓使得焊接熱輸入增大，從而降低了焊縫的冷卻速度，而低的冷卻速度延長了鐵素體向奧氏體的相變(δ→γ)時間，使鐵素體含量進一步減少[9-11]。

以上結果也可看出，為了保持奧氏體不銹鋼熔覆金屬中鐵素體含量的穩定，采用TIG焊接工藝時，必須嚴格控制弧長。

2.3 焊接速度對堆焊層平均鐵素體含量的影響

圖5給出的是僅改變焊接速度,其它工藝參數不變條件下，熔覆金屬中FN值測量結果的變化規律。結果表明，隨著焊接速度的不斷提高，采用鐵素體測量儀測出的FN值會逐漸降低。這一規律跟經典理論分析的趨勢是不一致的。

圖5 焊接速度對FN的影響

圖6給出了相應焊縫的微觀照片，從金相照片上也可以定性地發現，隨著焊接速度的增加，鐵素體含量不是減少而是增加的。

出現上述問題的原因主要是由鐵素體測量儀的工作原理和試驗的具體條件造成的。根據最新的研究結果[12]可知，鐵素體測量儀實際測量的是探頭下方13 mm3球體范圍內的總鐵素體含量。圖7給出的是該試驗兩個焊接速度下的焊縫截面圖(研究焊接速度的影響時采用的是母材為3.0 mm的薄板上的單道焊接工藝)，圖中黑色實線表示熔合線，黑色虛線球表示鐵素體檢測儀磁場范圍。可以發現，隨著焊接速度的增加，焊縫截面積會明顯縮小，其在測量儀探頭作用范圍內所占的比例也明顯縮小。0.1 m/min焊接速度下的焊縫約占磁場總面積的2/3，而0.3 m/min焊接速度下的焊縫則僅占磁場總面積的1/3左右，母材的FN值僅為0.23，遠低于焊縫，焊縫截面積占比越小，鐵素體檢測儀測量的結果也就越小，因此就出現了圖5所示的規律。

圖6 焊接速度對金相組織的影響

圖7 焊接速度對堆焊層宏觀形貌的影響

3 結論

(1)增大保護氣中的氮氣含量可以使得熔覆金屬中的鐵素體含量明顯下降，而且在多層多道焊的情況下，實測的鐵素體含量會高于WRC-1992預測的結果。

(2)保護氣體中添加氮氣時，改變電弧電壓會顯著影響熔覆金屬的鐵素體含量，因此焊接過程中要嚴格控制電弧弧長。

(3)隨著焊接速度的增加，熔覆金屬中鐵素體含量也逐漸增加，但是在薄板的單道焊接情況下，使用鐵素體測量儀測量的結果會有較大的誤差，甚至出現相反的結果，需要特別注意。