不銹鋼管材鎢極氬弧焊焊接接頭微觀組織研究

陳 晨，徐俊陽，仲照旭，王斯妮，公秀鳳

(1.吉林安德電化科技有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110000；2.沈陽富創(chuàng)精密設備有限公司，遼寧 沈陽 110168)

304不銹鋼是目前應用最廣泛的奧氏體不銹鋼之一，具有非常好的綜合性能，其中包括良好的成型性和耐蝕性，尤其是經過焊接后，304不銹鋼還能夠具有非常好的焊接性能。鎢極氣體保護焊，通過氬氣氣氛對焊接部位進行保護，起到隔絕空氣的目的，從而獲得高質量的焊縫組織，并達到相應的性能要求。

本文針對304不銹鋼管材，通過最常用的氬弧焊的方式使管材得到有效連接，對獲得的焊接接頭的顯微組織和硬度進行了討論，為實際應用提供了理論依據(jù)。

1 試樣材料與方法

母材為304奧氏體不銹鋼管材，供貨狀態(tài)為固溶態(tài)，焊接管材尺寸為φ18mm*1.5mm。采用氣體（氬氣）保護的鎢極氬弧焊，環(huán)焊方式，無焊條，采用脈沖式焊接工藝。304不銹鋼母材金相組織如圖1所示，可以看出母材組織為奧氏體等軸晶組織。

圖1 304不銹鋼母材金相組織

焊接前，對管材端面及附近進行清理，清潔部分長度要達到10cm，并分別用150#、400#砂紙將端面打磨平整，清洗干凈后待用。管材端面無需開坡口。采用直徑為1.6mm的鎢極進行焊接，鎢極尖端距離工件外壁1.3mm～1.5mm.。焊接工藝如表1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

通過顯微硬度儀對焊縫及其周圍熱影響區(qū)、母材的硬度進行測量，采用維氏壓頭，壓力100g。

2 試驗結果及分析

宏觀觀察，焊縫成形良好，無氣孔、裂紋等缺陷，焊縫寬度均勻，為光亮的魚鱗狀咬合波紋，并通過X射線探傷儀的檢測。

2.1 焊縫微觀組織形貌

304不銹鋼管材焊接后金相組織如圖2所示，包括（a）焊縫中心位置及（b）熱影響區(qū)。304不銹鋼組織為奧氏體，由于其成分影響，凝固過程后，焊縫中δ-鐵素體作為初生相。

焊縫中心位置，由于各個方向生長的δ-鐵素體組織相遇，產生了細小的等軸晶組織，如圖2（a）所示。凝固初期形成的樹枝狀鐵素體是在Cr較高的區(qū)域，隨著冷卻的進行，晶核外部的樹枝晶由于含Cr較少，轉變成奧氏體，從而形成中心區(qū)域骨架型結構的富Cr的δ-鐵素體[1]。

熔化的金屬首先從熔合線附近開始凝固，由于冷卻速度快，304奧氏體不銹鋼以FA模式凝固，即鐵素體作為出生相，鐵素體中間存在奧氏體組織[2]。從圖2（b）可以看出，熔合線處出現(xiàn)胞狀奧氏體組織，并逐漸延伸至焊縫內部，焊縫內部為樹枝狀的鐵素體組織。

這是由于金屬組織成分以及冷卻速度決定的，較大的過冷度導致了胞狀晶的形成，隨著冷冷卻的進行，產生樹枝狀的鐵素體及內部的奧氏體混合組織。

熱影響區(qū)大部分晶粒未受到影響，尺寸未發(fā)生明顯變化，與母材晶粒尺寸相當。

圖2 管材焊后組織（a）焊縫中心及（b）熱影響區(qū)

圖3 焊縫及其熱影響區(qū)、母材的顯微硬度分布

2.2 焊縫及熱影響區(qū)硬度

焊縫及其熱影響區(qū)、母材的顯微硬度值，如圖3所示，起始點為焊縫中心位置，壓痕間隔400μm。從圖3可以看出母材的硬度值在170HV0.1左右；焊縫中心處硬度值在190HV0.1左右；熱影響區(qū)處硬度值在160HV0.1以下。焊縫處金屬經過熔融后，產生了鐵素體組織，細小的柱狀鐵素體骨架在奧氏體基體上分布，使得硬度進一步提高到。而熱影響區(qū)的位置，由于受到焊縫處熱量的擴散，奧氏體晶粒應力進一步松弛，導致硬度值有略微下降[3]。

試驗中采用的氬氣保護的鎢極氬弧焊是全封閉的焊槍，熱量都集中在焊槍內，產生的焊縫寬度較窄，熱量散失小，但鎢極產生的熱量對熱影響區(qū)產生了一定的影響，導致了熱影響區(qū)硬度的少量下降。

3 結論

（1）采用氣體（氬氣）保護的鎢極氬弧焊對304不銹鋼管材進行對焊焊接，可以形成外觀致密，無氣孔、裂紋、翻邊等缺陷的焊縫組織，焊縫處形成連續(xù)的魚鱗狀咬合波紋。

（2）焊縫組織以δ-鐵素體作為初生相，部分鐵素體在冷卻過程中轉變?yōu)閵W氏體組織。在焊縫內部，樹枝狀δ-鐵素體在Cr含量較高的位置形成，隨著冷卻的進行，晶核外部的樹枝晶由于含Cr較少，轉變成奧氏體，從而形成中心區(qū)域骨架型結構的δ-鐵素體以及奧氏體的混合組織。

（3）焊縫組織硬度到達190HV0.1左右，較母材170HV0.1有所提升，這是因為焊縫中產生了細小的鐵素體組織。熱影響區(qū)硬度由于受到焊接熱量的影響可以達到160HV0.1左右。