焊接線能量對304L不銹鋼焊接接頭低溫性能與組織的影響

王 紅，張 博，任 鶴，胡 冰，梁 盈

（1.沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869；2.沈陽中辰鋼結構工程有限公司，遼寧 沈陽 110141；3.沈陽鼓風機集團核電泵業有限公司，遼寧 沈陽 110869）

對于某些航天試驗工況來講，可以達到-196℃，在此溫度條件下，對焊接接頭的低溫沖擊性能是一個考驗。304L不銹鋼因為其低碳、高鉻鎳等優點，已有大量數據表明可以使用在-196℃，需要合理的焊接工藝滿足304L不銹鋼低溫沖擊性能要求。傳統的手工電弧焊方法雖可獲得質量較好的焊接接頭，但焊接效率較低，不適用于大型部件的焊接工作。藥芯焊絲氣體保護焊接（FCAW）因為其特殊的焊接保護機制，焊縫的綜合力學性能好[1]，特別是對于苛刻的焊接條件下，有利于保證焊接接頭的性能，且其焊接效率較高，焊接成型良好。本課題以304L不銹鋼為研究對象，選用藥芯焊絲氣體保護焊接，E308LT1-4焊絲，保護氣體為80%Ar+20%CO2，選取三組不同的焊接線能量進行對比試驗，通過拉伸、低溫沖擊試驗及金相組織觀察等手段分析304L不銹鋼低溫工況焊接接頭低溫性能與組織。

1 試驗材料與方法

本試驗選用的母材為超低碳奧氏體不銹鋼304L鍛件，滿足標準NB/T47010-2017，其化學成分及力學性能見表1。焊接材料為不銹鋼藥芯焊絲E308LT1-4，滿足AWS A5.22 E308LT1-4標準，規格ф1.2mm，其化學成分見表2。

2 焊接及熱處理工藝

本試驗選用的焊接試板尺寸為500X300X40mm3，采用水平位置焊接，60°X型坡口，鈍邊2mm。試板拼接示意圖見圖1。

圖1 試板拼接示意圖

由于304L不銹鋼是奧氏體不銹鋼，綜合的可焊接性良好，在施焊時不需預熱，但需要嚴格控制層間溫度，本次試驗嚴格控制焊接層間溫度小于150℃。本試驗的焊接方法為藥芯焊絲熔化極氣體保護焊，保護氣體為混合氣體，其比例為80%Ar+20%CO2。為了保證304L不銹鋼的低溫焊接接頭性能，應該采用合理的線能量，以保證焊接冷卻過程中不會產生粗大的組織，進而影響焊接接頭的力學性能[2]。本試驗所選的三組線能量分別為12.2 kJ/cm、16.1kJ/cm、22.1 kJ/cm。具體工藝參數見表3試驗焊接工藝參數表。

表3 試驗焊接工藝參數

表1 304L不銹鋼的化學成分及力學性能

表2 E308LT1-4焊絲的化學成分(w%)

3 試驗結果與分析

對于采用藥芯焊絲的焊接過程而言，因為保護藥芯自身受潮等問題，可能在焊接過程中產生氣孔等缺陷。本次試驗為了避免氣孔等焊接缺陷對焊接接頭力學性能測試產生的影響，在焊后對焊接試板進行了X射線檢測，符合NB/T47013，I級合格。然后從焊接接頭的拉伸、沖擊性能及焊縫組織等方面進行分析。

3.1 力學性能試驗結果分析

不同線能量下304L不銹鋼焊接接頭的抗拉強度見表4，由表4中數據可得，在本課題所選用焊接工藝范圍內，三組拉伸試樣的性能試驗結果均大于母材的使用要求。當線能量為12.2 kJ/cm時，焊接接頭的抗拉強度平均值達到643MPa；當線能量為16.1 kJ/cm時，焊接接頭的抗拉強度平均值達到650MPa；當線能量為22.1 kJ/cm時，焊接接頭的抗拉強度平均值達到630MPa。可見隨著線能量的增大，焊接接頭的拉伸強度先升高再下降，這是因為隨著線能量的增加，焊接接頭冷卻速度降低，組織粗大，從而降低了焊接接頭的拉伸強度。

表4 不同線能量下304L不銹鋼焊接接頭拉伸力學性能

不同線能量下304L不銹鋼焊接接頭的沖擊性能見表5，由表5可見，試驗所選用的三組線能量下的焊接接頭在-196℃低溫沖擊性能均大于標準值31J。但當線能量為16.1 kJ/cm時，焊接接頭的沖擊性能最好，其焊縫中心沖擊功平均值達到41J，熱影響區沖擊功平均值達到51J。而當線能量為22.1 kJ/cm時，焊縫的沖擊性能有明顯下降，焊縫中心沖擊功平均值為31J，熱影響區沖擊功平均值達到37J。當線能量增大時，焊絲中的合金元素會有燒損，不利于焊縫的性能。因此對于304L不銹鋼焊接而言，選擇適當小的焊接線能量對焊接接頭的低溫沖擊性能是有益處的。

表5 不同線能量下304L不銹鋼焊接接頭沖擊力學性能

3.2 焊接接頭組織分析

圖2 （a）、(b)、(c)分別為不同線能量下焊縫的金相組織。由圖2（a）可以看出，焊縫的組織為奧氏體加上鐵素體，鐵素體局部成網格狀和樹枝狀。晶粒整體均勻細小，各晶粒間的角度無明顯的差異，基本是朝一個方向生長。由圖2（b）可以看出，組織為奧氏體+少量鐵素體，晶粒較圖2（a）更加的均勻細小，顯現出等軸晶生長方式，晶粒間角度較為一致，方向較為統一不雜亂。可見，在此線能量下，有利于獲得較好的金相組織。由圖2（c）可以看出，組織為奧氏體+少量鐵素體，但晶粒較圖2（b）有明顯的粗大，這是由于焊接線能量增大造成的。但焊縫整體組織較為均勻，基本超一個方向生長，這與焊接操作過程中采用直道焊接，減小擺動有關。

圖2 304L不銹鋼焊縫的金相組織

4 結論

（1）在試驗所選范圍內，304L不銹鋼采用FCAW方法，E308LT1-4焊絲，當線能量為16.1kJ/cm時，焊接接頭的抗拉強度最好，-196℃沖擊功最好，焊接接頭的力學性能滿足母材要求。

（2）304L不銹鋼焊縫焊縫組織為奧氏體+少量樹枝狀鐵素體。當線能量為16.1kJ/cm時，焊縫組織均勻細小。當線能量為22.1kJ/cm時，焊縫組織明顯粗大。