雙熔敷極奧氏體不銹鋼焊條電弧焊接頭組織與性能研究

馬 琦,趙 偉,蘇國強(qiáng),張 輝

1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250353；2.山東省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院,山東 濟(jì)南 250031

雙熔敷極焊條電弧焊不同于其它焊接方法,在焊接時(shí),母材不接電源,在其內(nèi)部有兩根相互絕緣的焊芯,連接電源的負(fù)極和陽極[1]。因此,其具有熱輸入小、效率高、節(jié)約資源等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。其是采用間接電弧進(jìn)行焊接的方法,在前期研究中,學(xué)者們已經(jīng)對其焊接電弧穩(wěn)定性、熔滴過渡等[4-6]進(jìn)行了研究。

奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱性較差,焊接時(shí),母材容易過熱[3]。因此,采用雙熔敷極焊條電弧焊對316 L不銹鋼進(jìn)行焊接,會獲得更優(yōu)異的力學(xué)性能。本文研究了120～210 A的焊接電流對316 L不銹鋼焊接接頭顯微組織及力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所需要的母材為316 L不銹鋼板,厚度為8 mm,其化學(xué)成分如表1所示。焊條采用的是ESAB的E316L型焊條,焊芯直徑為3.2 mm,焊條長度為350 mm,熔敷金屬化學(xué)成分如表2所示。

表1 316 L不銹鋼化學(xué)成分 %

表2 E316L型焊條熔敷金屬化學(xué)成分 %

1.2 焊接

焊接前,對焊接試板和焊條在電阻爐中加熱烘干,之后采用打磨機(jī)去除試板表面的氧化膜和油污,并用酒精擦洗。焊接過程中,焊接電流分別采用120、150、180、210 A。

1.3 顯微組織及力學(xué)性能測試

對焊接試樣進(jìn)行切割,采用不同粒度的砂紙進(jìn)行打磨,之后采用金相試樣拋光機(jī)進(jìn)行拋光,用王水(濃鹽酸與濃硝酸體積比3∶1混合)對其進(jìn)行腐蝕。采用LEIKA DM2700M型號徠卡金相顯微鏡觀察顯微組織形貌；用HXD-1000TMC顯微硬度計(jì)測試焊接接頭的硬度。試驗(yàn)力為200 g,時(shí)間為15 s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 母材組織

如圖1所示,316 L不銹鋼母材組織為等軸奧氏體晶粒,晶粒大小較為均勻。

圖1 母材顯微組織

2.2 焊接接頭宏觀形貌

焊接接頭在不同電流下的宏觀形貌如圖2所示。可見,在120 A的焊接電流下,母材幾乎沒有熔化,結(jié)合區(qū)成型較差。隨著焊接電流增加,熔深逐漸增加,融合比逐漸增加。雙熔敷極焊條電弧焊時(shí),母材熔化是靠熔滴和弧柱的熱量來實(shí)現(xiàn)[7-8]。因此,相對傳統(tǒng)電弧焊而言,其母材熔化量較少。

注:(a)120 A；(b)150 A；(c)180 A；(d)210 A。圖2 焊接接頭宏觀形貌

2.3 焊接接頭顯微組織

2.3.1 焊接接頭不同區(qū)域顯微組織分析

雙熔敷極奧氏體不銹鋼焊條電弧焊形成的焊接接頭,從焊縫金屬到母材,存在著化學(xué)成分、冷卻速度、溫度梯度等[9]方面的差異,會產(chǎn)生顯微組織梯度。因此,我們對微觀組織的研究為焊縫頂部、底部、熔合區(qū)和熱影響區(qū)。焊接接頭各焊接電流150 A時(shí)不同區(qū)域組織如圖3所示。

注:(a)焊縫頂部；(b)焊縫底部；(c)熔合區(qū)；(d)粗晶區(qū)；(e)細(xì)晶區(qū)。圖3 焊接接頭顯微組織

焊縫頂部為致密的等軸晶晶粒,并且焊縫頂部的晶粒較大,這主要是因?yàn)轫敳坷鋮s速度較慢。

在熔合區(qū)熔合線清晰可見,晶粒細(xì)小,熱影響區(qū)晶粒較為粗大。

焊接熱影響區(qū)在焊接過程中未熔化,但其組織也會隨著焊接過程的進(jìn)行而改變。根據(jù)峰值溫度不同將其分為靠近熔合區(qū)區(qū)域的粗晶區(qū)和靠近母材區(qū)域的細(xì)晶區(qū)。粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)都是等軸奧氏體晶粒,且粗晶區(qū)等軸奧氏體晶粒尺寸稍大,細(xì)晶區(qū)等軸奧氏體晶粒尺寸稍小。

2.3.2 焊接電流對焊縫顯微組織的影響

在雙熔敷極焊條電弧焊焊接過程中,不同的焊接熱輸入會導(dǎo)致焊縫顯微組織發(fā)生變化。如圖4所示,從圖中可以觀察到在不同的焊接熱輸入下,其焊縫顯微組織均為等軸晶晶粒,晶界明顯。并且均無裂紋、氣孔的產(chǎn)生。當(dāng)焊接電流為120 A時(shí),焊縫晶粒最為細(xì)小,約為8 μm。隨著焊接電流逐步增大,熔池冷卻速度減慢,焊縫組織晶粒尺寸變大,晶界開始粗化。焊接電流為150 A時(shí),晶粒尺寸約為11 μm；焊接電流為180 A時(shí),晶粒尺寸約為13 μm；當(dāng)焊接電流為210 A時(shí),晶粒尺寸約為15 μm。

注:(a)120 A；(b)150 A；(c)180 A；(d)210 A。圖4 焊接接頭焊縫顯微組織

2.4 焊接接頭顯微硬度分布

對不同焊接電流下獲得的焊縫進(jìn)行了顯微硬度測試,實(shí)驗(yàn)過程中,選取12個(gè)不同的點(diǎn)進(jìn)行硬度測試,求取其平均硬度。結(jié)果如圖5所示?？梢?隨著焊接電流的增大,焊縫的顯微硬度逐漸增加。這可能是由于隨著焊接電流增加,母材熔化量變大,而母材比熔敷金屬含碳量高所致[10-11]。

圖5 焊接接頭的顯微硬度

3 結(jié) 論

采用雙熔敷極奧氏體不銹鋼焊條電弧焊工藝成功對316 L不銹鋼進(jìn)行了焊接,焊接過程中電流分別為120、150、180和210 A。通過觀察其宏觀形貌、顯微組織和力學(xué)性能,得出結(jié)論:

1)焊接電流為120 A時(shí),焊接接頭成形較差,母材幾乎不熔化,焊縫和母材的連接較差。

2)焊縫組織為致密的等軸晶晶粒,焊縫頂部的晶粒比焊縫底部的晶粒稍粗,隨著焊接電流增加,焊縫晶粒尺寸逐漸增加。熔合區(qū)組織為柱狀晶晶粒,熔合線清晰可見。粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)為等軸奧氏體晶粒,粗晶區(qū)等軸奧氏體晶粒較大,細(xì)晶區(qū)等軸奧氏體晶粒較小。

3)隨著焊接電流增加,母材熔化量增加,由于母材含碳量高于熔敷金屬,焊縫顯微硬度增加。