焊接工藝對(duì)304不銹鋼管材焊接接頭組織與性能影響的研究

樊 萌,郭廣思

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159；2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，沈陽(yáng) 110016)

焊接工藝對(duì)304不銹鋼管材焊接接頭組織與性能影響的研究

樊 萌1,2,郭廣思1

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159；2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，沈陽(yáng) 110016)

304不銹鋼“O”型密封環(huán)主要用于管路系統(tǒng)、壓力容器的密封。采用密封式全位置TIG管管焊槍(不加焊絲)，進(jìn)行焊接接頭的制作。研究焊接工藝、熱處理制度對(duì)焊接接頭組織、性能的影響。合適的工藝參數(shù)，使得焊接后管材的強(qiáng)度、硬度及擴(kuò)口、壓扁工藝性能均可達(dá)到使用要求；對(duì)焊接接頭進(jìn)行1020℃固溶熱處理，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，焊接接頭延伸率提高，組織趨于均勻化，當(dāng)保溫時(shí)間為90min時(shí)，焊接接頭可獲得較好的力學(xué)性能及較為均勻的組織。

304不銹鋼;“O”型密封環(huán);焊接接頭;顯微組織;力學(xué)性能

在航空、航天、核電和石油化工等領(lǐng)域，壓力容器一般都是在溫度高、壓力大、腐蝕性強(qiáng)等條件下工作，因此傳統(tǒng)的橡膠類(lèi)密封圈不能滿(mǎn)足使用要求。金屬空心“O”形密封環(huán)具有耐高溫、耐腐蝕、氣密性好的特性，適用于低溫、高溫、高壓及高真空密封的場(chǎng)合[1]。通常情況下根據(jù)密封介質(zhì)的壓力、溫度、理化性質(zhì)(腐蝕性、易燃性、放射性、滲透性)來(lái)選擇金屬空心“O”形密封環(huán)所用材料，在反應(yīng)堆壓力容器中常采用Inconel718合金制造“O”形密封環(huán)。而對(duì)于一般工業(yè)壓力容器，通常采用不銹鋼來(lái)制造金屬空心“O”形環(huán)。在不同的情況下也可用低碳鋼管、鋁管、銅管、因科鎳管、蒙乃爾管、鎳鉻合金等[2-4]。

在國(guó)內(nèi)，空心金屬“O”形環(huán)的研究始于二十世紀(jì)六十年代初期，當(dāng)時(shí)研究空心金屬“O”形環(huán)是為了解決發(fā)動(dòng)機(jī)上600℃以上的高溫密封問(wèn)題[5]。之后，有研究者對(duì)焊接技術(shù)進(jìn)行了研究：原航天部一院“O”形環(huán)三結(jié)合研究小組，對(duì)1Cr18Ni9Ti不銹鋼空心金屬“O”形環(huán)焊接工藝進(jìn)行了試驗(yàn)總結(jié)，認(rèn)為采用電阻對(duì)焊法，焊后接頭內(nèi)孔容易堵塞、密封性能較差[6]；蔣應(yīng)田等[7]通過(guò)鎢極氬弧焊和微束等離子焊的配合，解決了φ20mm×0.8mm不銹鋼薄壁管焊接存在的焊接變形大、焊縫成形不好的問(wèn)題；上海四方鍋爐廠(chǎng)[8]采用自行設(shè)計(jì)、制造的難熔電極自動(dòng)氫弧焊專(zhuān)用設(shè)備，對(duì)1Cr18Ni9Ti空心金屬“O”形環(huán)進(jìn)行焊接，得到質(zhì)量良好的焊接接頭。也有一些研究者對(duì)“O”形環(huán)焊接性能進(jìn)行了研究：張敬才[9]對(duì)種不銹鋼“O”形環(huán)的壓扁特性進(jìn)行了分析；陳洪軍等[10]對(duì)304不銹鋼多種截面尺寸的“O”形環(huán)短管試樣進(jìn)行多級(jí)壓扁回彈試驗(yàn)及“O”形環(huán)力學(xué)行為的有限元分析；合肥通用機(jī)械研究所高壓密封課題組[11]對(duì)不銹鋼“O”形環(huán)進(jìn)行了常溫、高溫密封試驗(yàn)以及一些基礎(chǔ)的試驗(yàn)；石澤華等[12]對(duì)718“O”形圈氦氣定量密封進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)、分析，實(shí)驗(yàn)證明了718金屬“O”形圈在氦分子氣體介質(zhì)條件下密封性能優(yōu)良。

然而，對(duì)不銹鋼“O”形密封環(huán)的焊接工藝、熱處理工藝與性能評(píng)價(jià)的研究還相對(duì)較少，而這些方面對(duì)“O”形密封環(huán)的使用性能有著重要影響。本文通過(guò)對(duì)焊接工藝、熱處理制度和焊接接頭組織、性能的研究，獲得具有良好使用性能的管路系統(tǒng)、壓力容器密封用304不銹鋼“O”形密封環(huán)焊接接頭。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為304不銹鋼管材，其尺寸規(guī)格為?18 mm×1.5mm。采用iArc orbital 1200數(shù)字化程控管焊電源+H3000型密封式全位置管管焊槍(不加焊絲),對(duì)兩種焊接工藝(工藝A、工藝B)施焊后的焊接接頭進(jìn)行形貌觀察，初步確定了合適的焊接工藝(工藝B),并通過(guò)力學(xué)性能和壓扁、擴(kuò)口工藝性能分析進(jìn)一步確認(rèn)了所選工藝的合理性。設(shè)計(jì)熱處理制度對(duì)焊接接頭進(jìn)行熱處理，通過(guò)分析其微觀組織，測(cè)試其拉伸性能及顯微硬度，來(lái)探討熱處理工藝、組織、性能三者之間的關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭焊接工藝的確定

采用如表1所示的焊接工藝進(jìn)行焊接。焊接后目視觀察內(nèi)外表面質(zhì)量：其外表面焊接良好、魚(yú)鱗紋清晰，焊縫寬度均勻；但其內(nèi)表面成形不均勻，并存在未焊透的情況。

為了避免產(chǎn)生未焊透缺陷，小幅度增加焊接電流再次進(jìn)行焊接接頭制作，其焊接工藝如表2所示。目視觀察其內(nèi)外表面質(zhì)量：內(nèi)外焊縫成形均勻穩(wěn)定、焊縫窄小，不大于4mm；表面可見(jiàn)清晰魚(yú)鱗紋，沒(méi)有未焊透等情況，質(zhì)量良好。利用X射線(xiàn)進(jìn)行檢測(cè)，未見(jiàn)缺陷。由此可知，工藝B為較理想的焊接工藝。

表1 焊接工藝——工藝A

2.2 焊接接頭顯微組織分析

奧氏體不銹鋼凝固時(shí)，是以鐵素體還是奧氏體為初始析出相，取決于鋼的成分。如果鉻當(dāng)量、鎳當(dāng)量比值高于18∶12，則凝固初析相為δ鐵素體；如果鉻當(dāng)量、鎳當(dāng)量比值低于18∶12，則凝固初析相為奧氏體。而實(shí)驗(yàn)所用材料為304奧氏體不銹鋼(0Cr18Ni9)，其鉻當(dāng)量、鎳當(dāng)量比值高于18∶12，故其凝固初析相是δ鐵素體；但在凝固后部分鐵素體轉(zhuǎn)變成了奧氏體，使其最終形成的組織是以?shī)W氏體為基體，其間存在鐵素體的組織。因此，304不銹鋼焊縫凝固模式為FA凝固模式[13]。

表2 焊接工藝——工藝B

由工藝B所制備的焊接接頭，從微觀組織照片中(圖1)可以看出，其母材的微觀組織是由等軸奧氏體晶粒組成；其熱影響區(qū)的奧氏體晶粒未出現(xiàn)長(zhǎng)大現(xiàn)象，其晶粒大小與母材晶粒尺寸相當(dāng)；其焊縫組織由初始鐵素體枝晶和枝晶間的奧氏體組成，如圖1a、1b所示。

圖1 焊后-焊接接頭微觀組織

從金相圖1d可以看出，呈黑色的組織為樹(shù)枝晶狀δ鐵素體，它是在凝固初期形成的，屬于含Cr較高的區(qū)域。在焊縫凝固過(guò)程中，樹(shù)枝晶邊緣由于鉻含量較少，而轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，從而留下了蠕蟲(chóng)狀的鐵素體骨架[14]。因此，焊縫微觀組織是蠕蟲(chóng)狀鐵素體分布于奧氏體基體中，且柱狀的樹(shù)枝晶基本上都是垂直于熔合線(xiàn)外延生長(zhǎng)。

在凝固過(guò)程中，焊縫邊緣的柱狀晶垂直于熔合線(xiàn)速度較塊地向焊縫中心發(fā)展，這是因?yàn)楹缚p中心溫度很高，母材溫度相對(duì)較低，使得這個(gè)方向具有最大的溫度梯度，散熱最快；而晶?？偸窍蛑菀咨L(zhǎng)的方向快速生長(zhǎng)，因此凝固時(shí)形成了粗大的柱狀晶，如圖1d所示。而焊縫中心離母材較遠(yuǎn)，其周?chē)鷾囟茸兓幻黠@，四周溫度相對(duì)均勻，過(guò)冷度小，生長(zhǎng)速度慢，在晶粒還沒(méi)來(lái)得及長(zhǎng)大時(shí)就已經(jīng)凝固了，所以凝固時(shí)形成了細(xì)小的等軸晶，如圖1c所示。所以最終焊縫組織分為兩部分，焊縫中心為細(xì)小組織，焊縫邊緣為粗大組織。

2.3 焊接接頭硬度分析

利用維氏硬度計(jì)對(duì)由工藝B所制備的焊接接頭分區(qū)域(焊中心區(qū)、焊縫邊緣區(qū)、熱影響區(qū)、母材)進(jìn)行維氏硬度測(cè)試。焊縫中心區(qū)的硬度(213HV1.0)高于焊縫邊緣區(qū)(169HV1.0)、熱影響區(qū)(161HV1.0)和母材(154HV1.0)區(qū)域的硬度。這是因?yàn)楹缚p中心是細(xì)小的等軸晶，焊縫邊緣區(qū)為粗大的柱狀晶，母材及熱影響區(qū)為粗大的等軸晶，由于焊縫中心的細(xì)晶強(qiáng)化作用[15]，所以焊縫中心的硬度高于其他區(qū)域的硬度。另一方面，因?yàn)楹缚p金屬中生成鐵素體起了強(qiáng)化作用，所以相對(duì)于母材和熱影響區(qū)增加了焊縫中心的強(qiáng)度水平[16]。

2.4 焊接接頭力學(xué)性能、工藝性能分析

對(duì)由工藝B所制備的焊接接頭進(jìn)行室溫拉伸強(qiáng)度與延伸率實(shí)驗(yàn)。原始管材：抗拉強(qiáng)度為619.3MPa，延伸率為66.0 %。焊后管材：抗拉強(qiáng)度為604.5MPa，延伸率為34.2 %。可以看出：焊接接頭拉伸強(qiáng)度高于原始管材，延伸率低一些，因此認(rèn)為與管材母材強(qiáng)度相當(dāng)。

利用力學(xué)拉伸機(jī)，對(duì)原始管材及焊接接頭進(jìn)行全閉合壓扁，目視觀察表面，均未發(fā)現(xiàn)裂紋；對(duì)二者進(jìn)行擴(kuò)口量30%的實(shí)驗(yàn)，也未發(fā)現(xiàn)裂紋。由此可以看出，由工藝B所制作的焊接接頭，其塑性良好，與原始管材的抗變形能力相當(dāng)，可滿(mǎn)足工藝要求。

2.5 熱處理制度的確定

焊接接頭的強(qiáng)度、塑性滿(mǎn)足工藝要求，但其延伸率較低；晶粒大小不均勻，焊縫中心區(qū)為細(xì)小的樹(shù)枝晶，焊縫邊緣為粗大的柱狀樹(shù)枝晶，母材為粗大的等軸晶；焊接接頭組織不均勻，焊縫中存在鐵素體，母材全部為奧氏體。為解決這些問(wèn)題，對(duì)焊接接頭進(jìn)行熱處理，使其組織均勻，從而提高焊接接頭的延伸率。

由于焊接前管材固溶熱處理的溫度為1010℃；且?jiàn)W氏體不銹鋼加熱將近1100℃時(shí)，根據(jù)保溫時(shí)間不同，鐵素體將部分或者全部溶解。因此，四個(gè)熱處理工藝分別設(shè)計(jì)為：1020℃—15min、1020℃—30min、1020℃—60min、1020℃—90min，隨后水淬到室溫，以避免碳化物在緩冷過(guò)程中再次析出[17]。

2.6 熱處理后—焊接接頭的組織、性能分析

在1020℃進(jìn)行熱處理時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，焊縫邊緣樹(shù)枝狀鐵素體及焊縫中心等軸狀鐵素體逐漸被破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；在保溫30min時(shí)，原枝晶形態(tài)已模糊，保溫90min時(shí)，已看不到樹(shù)枝狀或等軸狀的結(jié)構(gòu)，鐵素體以點(diǎn)狀形態(tài)分布于奧氏體基體中，并可以觀察到奧氏體晶界；此時(shí)焊縫邊緣區(qū)的組織形態(tài)和熱影響區(qū)、母材已基本一致，焊縫中心區(qū)的組織形態(tài)也在向熱影響區(qū)、母材組織狀態(tài)靠近，如圖2所示。

隨后進(jìn)行室溫拉伸，并分區(qū)域進(jìn)行維氏硬度測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3、表4?？梢钥闯觯涸?020℃對(duì)焊接接頭進(jìn)行焊后熱處理時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，焊接接頭的延伸率逐漸提高，焊縫中心硬度逐漸下降。固溶熱處理制度為1020℃—90min時(shí)，在抗拉強(qiáng)度較焊后管材降低5%的情況下，延伸率卻較焊后管材提高了47%。并且焊縫中心、焊縫邊緣、熱影響區(qū)及母材的硬度趨于一致。其原因是當(dāng)保溫時(shí)間為90min時(shí)，整個(gè)焊接接頭的組織趨于一致，同時(shí)去除了焊后的細(xì)晶強(qiáng)化及鐵素體第二相強(qiáng)度作用。

圖2 熱處理后-焊接接頭微觀組織

熱處理工藝抗拉強(qiáng)度/MPa延伸率/%1020℃—15min601．743．21020℃—30min594．544．01020℃—60min583．644．01020℃—90min573．850．0

表4 熱處理后—焊接接頭維氏硬度HV1.0測(cè)試結(jié)果 kgf/mm2

3 結(jié)論

(1)采用iArc orbital 1200 數(shù)字化程控管焊電源+H3000型密封式全位置管管焊槍?zhuān)瑢?duì)304不銹鋼管材(φ18mm×1.5mm)進(jìn)行焊接接頭制作時(shí)，采用工藝B可得到較好質(zhì)量的焊接接頭；焊接后管材的強(qiáng)度、 硬度力學(xué)性能及擴(kuò)口、壓扁工藝性能均可達(dá)到工藝要求。

(2)對(duì)焊接接頭進(jìn)行1020℃固溶熱處理，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，焊接接頭延伸率提高，且組織趨于均勻化，當(dāng)保溫時(shí)間為90min時(shí)，焊接接頭可獲得較好的力學(xué)性能及較為均勻的組織。

[1]蒲如平,陳凡,沈波.空心金屬密封圈的應(yīng)用[J].液壓氣動(dòng)與密封,1996(1):42-45.

[2]魏麗,李欽頂.金屬空心O形密封環(huán)圈工藝性研究[J].煤礦機(jī)械,2013,34(6):138-139.

[3]陳洪軍.金屬環(huán)密封特性及N18核燃料包殼管低周疲勞研究[D].成都：西南交通大學(xué),2007.

[4]李振環(huán),楊書(shū)益.金屬空心O形密封圈石油化工設(shè)計(jì)[J].石油化工設(shè)計(jì),1995(3):51-55.

[5]白云鶴.空心金屬“O”形環(huán)[J].宇航材料工藝,1978(6):10-19.

[6]一院“O”形環(huán)三結(jié)合研究小組.不銹鋼空心金屬“O” 形環(huán)焊接工藝[J].宇航材料工藝,1976(3):3-12.

[7]蔣應(yīng)田,李憲臣,李明利.不銹鋼薄壁管的微束脈沖等離子弧焊接工藝[J].焊接,2006(9):53-56.

[8]上海四方鍋爐廠(chǎng).空心金屬“O”形環(huán)的焊接[J].化工煉油機(jī)械通訊,1974(1):23-26.

[9]張敬才.空心金屬O形環(huán)壓扁特性分析及其應(yīng)用[J].核動(dòng)力工程,1981(5):79-84.

[10]陳洪軍,蔡力勛.304不銹鋼O形環(huán)回彈量的預(yù)測(cè)模型研究[J].機(jī)械強(qiáng)度,2009,31(3):443-447.

[11]合肥通用機(jī)械研究所高壓密封課題組.高溫高壓金屬“O”形密封試驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械,1978(2):3-16.

[12]石澤華,于建平,周鳳廣,等.空心金屬O形圈常溫定量氣密封實(shí)驗(yàn)研究[J],壓力容器,2003,20(3):16-18.

[13]John C Lippold,Damian J Kotecki.不銹鋼焊接冶金學(xué)及焊接性[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008:134-146.

[14]Sindo Kou.焊接冶金學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2012:210.

[15]楊曉倩,李亞江,王娟,等.304不銹鋼P(yáng)AW-GTAW組合焊接頭顯微組織與硬度的研究[J].現(xiàn)代焊接,2016(1):23-27.

[16]John C Lippold,Damian J Kotecki.不銹鋼焊接冶金學(xué)及焊接性[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008:155.

[17]John C Lippold,Damian J Kotecki.不銹鋼焊接冶金學(xué)及焊接性[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008:153.

(責(zé)任編輯：王子君)

Research on Effect of Welding Technology on Microstructure and Performance of 304Stainless Steel Tube Welding Joint

FAN Meng1,2,GUO Guangsi1

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Institute of Metal Research,Chinese Academy ofSciences,Shenyang 110016,China)

O shape sealing rings of 304 stainless steel are mainly used in the sealing of tube system and pressure vessels.The welding joints of 304 stainless steel tubes were made with a special sealing and all position TIG tube-tube welding torch.The effect of Welding technology and heat treatment processes on microstructue and performance was mainly studied in this experiment.It indicated that the welding joints with good quality can be made with applicable process parameter.And the intension,hardness,flaring and battering process properties of tubes after welding all meet the requirements.When annealing heat treatment with 1020 centigrade were carried on the welding joints,its elongation will increase and microstructure will homogenize according to the extension of holding time.The welding joints can possess better mechanical properties and homogenic microstructure with ninty minutes holding time.Key words： 304 stainless steel;O shape sealing ring;welding joint;microsturcture;mechanical property

2016-12-12

樊萌(1981—),女,實(shí)驗(yàn)師；通訊作者：郭廣思(1963—)，女，教授，博士，研究方向：材料加工。

1003-1251(2017)03-0010-04

TG47

A