E308LT1-4不銹鋼藥芯焊絲焊接接頭組織與性能研究

張思宇 任鶴 張江楠 胡冰

摘要：針對奧氏體不銹鋼304鋼的低溫工作條件，研究了該材料的焊接工藝和焊后的熱處理技術(shù)。通過拉伸、低溫沖擊試驗及金相組織觀察等手段，驗證了焊接參數(shù)及焊后熱處理工藝對焊接接頭性能的影響。試驗結(jié)果顯示，采用熔化極氣體保護焊方法及E308LT1-4焊絲焊接的304鋼可滿足-196 ℃低溫工況下的使用要求。

關(guān)鍵詞：E308LT1-4;藥芯焊絲;焊接工藝

0 引言

奧氏體不銹鋼是最常用的耐腐蝕材料，且焊接性能較好，應(yīng)用范圍廣。奧氏體不銹鋼具有導熱率低，熱膨脹系數(shù)高，長時間高溫下易出現(xiàn)貧Cr組織等特點。因此，在奧氏體不銹鋼焊接過程中需合理選取焊接參數(shù)，并加強過程控制，以確保焊接工藝評定結(jié)果滿足標準規(guī)定要求。奧氏體不銹鋼可應(yīng)用的焊接方法有很多，例如氬弧焊（TIG）、手工電弧焊（SMAW），但這兩種方法的焊接效率低下，焊材利用率低，會增加成本。對于手工電弧焊方法，焊接熱輸入量很大，焊接變形較大，不利于奧氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)的焊接。而使用熔化極氣體保護焊（GMAW）方法可以大幅提高生產(chǎn)效率，且由于藥芯焊絲電弧具有成型屬性，所以焊縫外觀成型良好。藥芯焊絲的成本較焊條也要低很多，可大范圍應(yīng)用于奧氏體不銹鋼的板材焊接及各類管路，特別是大型管路的焊接。對于藥芯焊絲而言，常用純CO2保護方式，而對于焊接接頭的性能而言，采用富氬保護氣體更為有利。本文以超低碳奧氏體不銹鋼304為研究對象，選用了富氬氣體專用的E308LT1-4焊絲，通過分析其母材化學成分及性能要求，合理選取焊接參數(shù)并通過嚴格的過程控制手段，得到滿足使用要求的焊接工藝，滿足-196 ℃低溫工況的使用要求。

1 試驗材料與方法

本試驗選用的母材為304材料。焊接材料為不銹鋼藥芯焊絲E308LT1-4，滿足AWS A5.22 E308LT1-4標準要求，規(guī)格為？準1.2 mm，其化學成分如表1所示。試驗采用熔化極氣體保護焊，在水平位置對接焊，保護氣體為80%Ar+20%CO2。

2 焊接及熱處理工藝

本試驗選用的焊接試板尺寸為450 mm×320 mm×40 mm，采用水平位置焊接，60°X型坡口。采用多層多道焊接方式，盡量減小擺動。正面打底焊接后從試板背面進行清根，采用砂輪徹底修磨背面焊縫后，對打底焊道進行液體滲透檢測（PT），合格后再進行背面焊縫的焊接。

由于304鋼是奧氏體不銹鋼，焊接性能較好，焊接時可以不預熱。因此，本試驗選擇不銹鋼藥芯焊絲E308LT1-4，此焊絲專門適用于保護氣體組分為75%～80%Ar+其余組分CO2的熔化極氣體保護焊，可以進行全位置焊接。對于不銹鋼焊接，易采用小線能量進行焊接，焊后為了降低焊接應(yīng)力，降低焊縫應(yīng)力腐蝕開裂的風險，同時為了避開不銹鋼的易發(fā)生晶間腐蝕敏感溫度區(qū)間，選用消應(yīng)力溫度為410～430 ℃，保溫時間3～4 h。試驗焊接工藝參數(shù)如表2所示。

3 試驗結(jié)果與分析

藥芯焊絲焊接中有氣孔是主要的缺陷，為驗證試驗所選用的焊接參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響，首先對試驗焊接試板進行了X射線探傷檢查，檢測結(jié)果合格。下面將從力學性能結(jié)構(gòu)和微觀組織兩個方面進行分析。

3.1 ? ?力學性能試驗結(jié)果分析

根據(jù)相關(guān)制造標準，對焊接試板進行了破壞性力學性能試驗，分別進行了拉伸、彎曲、沖擊試驗。其中焊接接頭的拉伸力學性能如表3所示。由表3數(shù)據(jù)可知，在本文所選用的焊接工藝范圍內(nèi)，焊接接頭的力學性能試驗結(jié)果均滿足標準要求。其中，焊接接頭的抗拉強度達到632 MPa，遠高于母材要求。焊接接頭在-196 ℃低溫下的沖擊性能均大于標準值31 J。焊接接頭側(cè)向180°彎曲試驗合格，彎曲試件完好無裂紋。由于E308LT1-4焊絲具有良好的屈強比，塑性較好，同時，在焊接試驗中控制了焊接線能量，有利于保證焊接質(zhì)量，進而有利于保證彎曲塑性。從各項力學性能測試數(shù)據(jù)顯示，焊接接頭的綜合力學性能滿足要求，這與試驗焊接時采用的保護氣體為Ar+CO2混合氣體有關(guān)，Ar屬于惰性氣體，在焊接過程中的保護效果更好，空氣中的各類雜質(zhì)對焊縫的影響變小，從而提升了焊接接頭的綜合性能。此外，針對奧氏體不銹鋼，焊后熱處理會對焊接接頭帶來不利影響，本實驗選取的焊后熱處理溫度非奧氏體不銹鋼敏感溫度區(qū)間，因此對焊接接頭的沖擊性能影響不大。

3.2 ? ?焊接接頭組織分析

奧氏體不銹鋼應(yīng)用在-196 ℃的低溫工況中，焊縫的低溫沖擊性能不好是影響焊縫性能的主要因素。因此要想獲得優(yōu)良的焊縫低溫沖擊性能，必須控制焊縫的組織，焊縫組織的晶粒越細小越好。對于奧氏體不銹鋼焊接來說，在焊接過程中，由于焊接熔池較小，冷卻結(jié)晶很快，為合金元素的偏析和聚集創(chuàng)造了熱力學條件，S、P、Si等元素在枝晶之間偏析，形成低熔點共晶體，容易引起熱裂紋。大量研究表明，奧氏體不銹鋼中存在少量鐵素體，有助于防止焊接過程中產(chǎn)生熱裂紋。因此，獲得均勻的奧氏體+少量鐵素體組織是提升焊縫性能的關(guān)鍵。304鋼焊接接頭的金相組織如圖1所示，由圖1（a）可以看出，焊縫的組織為奧氏體加上樹枝狀鐵素體，晶粒均勻細小，各晶粒間角度有規(guī)律性，基本朝一個方向生長，且存在大量等軸晶組織。由圖1（b）可以看出，熱影響區(qū)組織為奧氏體+少量鐵素體，組織過渡較為均勻，晶粒度均勻，無明顯，長大現(xiàn)象。因此，熱影響區(qū)整體的沖擊性都比較好。

4 結(jié)論

（1）304鋼焊接選擇熔化極氣體保護焊及E308LT1-4焊絲，線能量為16.5 kJ/cm時，焊接接頭抗拉強度達到637 MPa，-196 ℃條件下焊縫沖擊性能平均值達到34 J，熱影響區(qū)沖擊性能平均值達到41 J，180°側(cè)彎無裂紋，滿足-196 ℃低溫工況下的使用要求。

（2）采用E308LT1-4焊絲焊接的304鋼焊縫組織為奧氏體+少量樹枝狀鐵素體，焊縫中心多為等軸晶。熱影響區(qū)組織為塊狀奧氏體+少量鐵素體，晶粒均勻，無明顯長大。

收稿日期：2020-04-29

作者簡介：張思宇（1987—），男，遼寧沈陽人，碩士，工程師，研究方向：壓縮機鉚焊工藝。

任鶴（1987—），女，遼寧鞍山人，碩士，工程師，研究方向：材料加工。