焊絲成分對310不銹鋼TIG焊凝固裂紋敏感性的影響

張 鵬

（國網(wǎng)天津市電力公司，天津 300000）

310 不銹鋼是一種Cr與Ni含量較高的奧氏體不銹鋼，具備優(yōu)良的耐腐蝕性和較高的蠕變強度，廣泛應(yīng)用于石油化工、核電以及軍工等領(lǐng)域[1]。較高的合金元素含量，會導(dǎo)致310不銹鋼在熔化焊過程中極易出現(xiàn)凝固裂紋，限制其在焊接結(jié)構(gòu)中的推廣應(yīng)用。因此，有必要對這類不銹鋼的凝固裂紋產(chǎn)生機制進行研究，并提出避免出現(xiàn)這種缺陷的方法。

凝固裂紋屬于焊接熱裂紋的一種，出現(xiàn)在焊縫內(nèi)部，主要由于在熱應(yīng)力的作用下，枝晶相互分離，進而導(dǎo)致晶間液膜破裂所致[2]。David等人系統(tǒng)的研究了熔池合金成分與奧氏體不銹鋼熔化焊凝固裂紋敏感性的聯(lián)系[3]。其結(jié)果表明，焊縫開裂的傾向與焊縫金屬的凝固模式密切相關(guān)。Yu等人設(shè)計出一套專用的焊槍[4]，實現(xiàn)焊后對試件進行急冷，使熔池尾端的非平衡組織保留至室溫。對枝晶生長形態(tài)的觀測表明，奧氏體枝晶間的界面較平直，而鐵素體枝晶間的界面曲折，這影響了晶間的液膜分布，進而影響裂紋產(chǎn)生的幾率。

工件在熔化焊過程中加熱冷卻速率快，熔池中冶金反應(yīng)復(fù)雜。目前針對奧氏體不銹鋼裂紋敏感性的研究多采用試驗觀測手段，難以從熱動力學(xué)角度對焊接冶金反應(yīng)過程進行機理分析。本文研究基于相圖計算技術(shù)，對采用不同焊絲的310不銹鋼TIG焊的熔池冶金反應(yīng)進行分析。通過與試驗數(shù)據(jù)的對比，本研究揭示了通過調(diào)整熔池成分，抑制凝固裂紋產(chǎn)生的機理。

1 研究方法

1.1 焊接試驗

采用鎢極氬弧焊（TIG焊）對1.5 mm厚SUS 310奧氏體不銹鋼進行進行焊接試驗，焊接電源為YC-300B型逆變交直流氬弧焊機。焊接試板統(tǒng)一采用線切割方法制作成150 mm×50 mm大小，并且在焊前用工裝卡具固定牢固。焊接試驗分別采用自熔焊、填充ER308及ER430焊絲的方案（焊絲直徑1.2 mm）。母材與焊絲的化學(xué)成分列于表1中。采用KR350A-500A送絲機填絲，填絲速度為30 mm/s。焊接參數(shù)為：12 L/min保護氣流量（99.7%純度氬氣），85 A焊接電流，2.5 mm弧長，2.5 mm/s焊槍移動速度。

表1 母材與焊絲成分（wt.%）

焊后在試件焊縫區(qū)取金相試樣，采用10 mL HNO3+10 mL HCl+10 mL CH3COOH配制腐蝕劑，用于觀測微觀組織與開裂情況。此外，采用SPECTROLAB型直讀光譜儀對試樣焊縫區(qū)取樣進行元素含量測量。

1.2 焊縫凝固模式分析

基于相圖計算軟件JMat-Pro，結(jié)合不銹鋼合金系熱動力學(xué)數(shù)據(jù)庫，對不同采用填絲方案的焊縫區(qū)進行相變分析。對焊縫區(qū)的相變分析重點集中在液相線與固相線之間的凝固轉(zhuǎn)變過程，主要涉及合金元素對液相（L）、高溫鐵素體相（δ）與奧氏體相（γ）三者冶金反應(yīng)的影響。常規(guī)分析方法（Cr/Ni當(dāng)量法）如schaeffler圖和Delong圖等，難以精確的分析復(fù)雜的凝固模式轉(zhuǎn)變[4]。隨著合金元素含量的變化，奧氏體不銹鋼存在A、AF、FA以及F等四種凝固模式，分別對應(yīng)如下冶金反應(yīng)[5]。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 焊縫微觀組織演化及裂紋敏感性

三類焊縫的典型金相組織如圖1所示。可以看出，自熔焊試樣內(nèi)部開裂嚴重，填充ER308的試樣輕微開裂，而填充ER430的試樣內(nèi)部沒有裂紋。焊縫內(nèi)部的裂紋均位于枝晶邊界處，表明沿晶開裂特征顯著。此外，自熔焊試樣與填充ER308的試樣金相組織特征近似，均表現(xiàn)為奧氏體枝晶組織，而填充ER430的試樣表現(xiàn)為晶粒邊緣出現(xiàn)第二相版條狀組織的特征。

圖1 焊縫金相組織

焊縫區(qū)取樣的直讀光譜測試數(shù)據(jù)列于表2中。可以看出，采用不同的填絲方案，引起焊縫區(qū)的化學(xué)成分產(chǎn)生顯著的變化。

表2 焊縫處平均元素含量（wt.%）

根據(jù)焊縫區(qū)的直讀光譜測試結(jié)果，進行相變分析，結(jié)果列于圖2中。可以看出，由于填絲方案的變化導(dǎo)致熔池成分顯著變化，最終導(dǎo)致凝固模式產(chǎn)生變化。310不銹鋼自熔焊試樣表現(xiàn)為A凝固模式，填充ER308的試樣表現(xiàn)為AF凝固模式，填充ER430的試樣表現(xiàn)為FA凝固模式。這里需要指出，平衡相變的計算由于未考慮微觀偏析效應(yīng)，因此計算結(jié)果與實際非平衡凝固產(chǎn)生的冶金反應(yīng)過程存在差異，但是合金元素含量對凝固模式影響的總趨勢保持一致。

圖2 焊縫區(qū)相變分析

2.2 凝固模式對凝固裂紋敏感性的影響

根據(jù)對焊接過程中熱應(yīng)力的演化規(guī)律分析[4]，在熔池的尾端凝固區(qū)，在工件拘束的作用下，枝晶存在分離傾向，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。在熔池尾端的固液共存區(qū)，枝晶間的分離與剩余液相向間隙的填充同時存在。如果剩余液相能有效填充至枝晶間隙，則有利于已產(chǎn)生的裂紋愈合，從而避免開裂的產(chǎn)生。對于奧氏體不銹鋼，參考δ/γ與γ/γ界面能的差異、第二相析出程度以及高溫塑性等因素[5]，導(dǎo)致凝固過程中剩余液相向枝晶間隙填充的難易程度差異，進而導(dǎo)致凝固裂紋敏感性由高至低的順序依次為：A凝固模式＞AF凝固模式＞FA凝固模式或F凝固模式。這主要與凝固過程中δ相的析出程度有關(guān)，如圖3所示。

圖3 凝固模式對凝固裂紋敏感性的影響機理

多元相圖計算表明，當(dāng)SUS 310奧氏體不銹鋼自熔焊時，熔池凝固過程中以γ相為主導(dǎo)，極易產(chǎn)生裂紋；采用填充ER308方案時，在一定程度上緩解開裂現(xiàn)象，但是不能完全避免；采用填充ER430的方案，熔池凝固過程中析出較多的δ相，這有助于抑制凝固裂紋的產(chǎn)生。在室溫焊縫組織中，SUS 310奧氏體不銹鋼自熔焊與填充ER308焊絲的試樣以奧氏體為主要組成，而填充ER430焊絲的試樣中為雙相組織。

3 結(jié)論

（1）SUS 310奧氏體不銹鋼自熔焊的凝固裂紋敏感性極高。填充ER308焊絲，可以減輕SUS 310奧氏體不銹鋼開裂程度；填充ER308焊絲，可以有效抑制焊縫中裂紋產(chǎn)生。

（2）焊絲成分不同改變了熔池成分，進而改變了熔池的凝固模式。在凝固過程中，提高δ相析出比例，有助于抑制裂紋產(chǎn)生。

（3）SUS 310奧氏體不銹鋼自熔焊與填充ER308焊絲的試樣的焊縫在室溫以奧氏體為主，而填充ER430焊絲的試樣中為雙相組織。