李 寧，劉少龍，丁雪松，徐雨紅，范文磊，蘇煥朝，王博玉

(1.華電國際電力股份有限公司朔州熱電分公司，朔州 036000；2.華電山西能源有限公司，太原 030006；3.西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710048)

0 引 言

0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼是在18-8型奧氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一個鋼種，因其具有優(yōu)異的耐腐蝕性能及熱穩(wěn)定性，而廣泛應(yīng)用于電站管道工程中[1-2]。在我國不銹鋼管道施工中，主要采用鎢極氬弧焊(Tungsten Inert Gas Arc Welding，TIG)的方式連接不銹鋼管[3]。在采用普通TIG焊接小口徑薄壁不銹鋼管時，因焊接熱輸入較高，常常會引起焊縫金屬力學(xué)性能下降，導(dǎo)致管接頭性能達(dá)不到技術(shù)要求而失效。脈沖鎢極氬弧焊(P-TIG)是在鎢極氬弧焊工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新工藝，該工藝通過峰值電流、基值電流、脈沖頻率及脈寬比之間的配合控制焊接熱輸入，脈沖工藝參數(shù)的交替影響使熔池發(fā)生電磁震蕩，破碎粗大的晶粒，從而提高焊縫金屬的力學(xué)性能[4]，因此可采用P-TIG焊接小徑薄壁不銹鋼管來避免管接頭出現(xiàn)力學(xué)性能下降的問題。目前國內(nèi)對小口徑薄壁不銹鋼管TIG的研究主要集中在背面保護(hù)氣體的選擇[5]、工藝優(yōu)化[6-7]及焊接變形的控制[8-9]方面，但是有關(guān)P-TIG工藝的研究較少。作者以電站管道工程電液調(diào)節(jié)(EH)系統(tǒng)用0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼管為研究對象，通過改變P-TIG焊的峰值電流、基值電流、脈沖頻率等參數(shù)焊接不銹鋼管，對比研究了不同工藝參數(shù)下接頭焊縫區(qū)及熱影響區(qū)的組織及拉伸性能，為小徑薄壁0Cr18Ni9不銹鋼管P-TIG工藝參數(shù)的優(yōu)化提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

母材為0Cr18Ni9鋼小徑薄壁EH油管，規(guī)格為F14 mm×2 mm，長度為90 mm，室溫抗拉強(qiáng)度不低于520 MPa，屈服強(qiáng)度不低于205 MPa，斷后伸長率不低于40%，焊絲選擇直徑為1.6 mm的ER308L焊絲，母材和焊絲的化學(xué)成分如表1所示。焊前將鋼管對接口內(nèi)外兩側(cè)各20 mm區(qū)域打磨出金屬光澤，并用酒精去除油脂、鐵銹等污物。采用YC-400TX型焊接電源進(jìn)行方波脈沖TIG，采用直流正接，焊接電壓為12 V，在前期研究基礎(chǔ)上選取的脈沖工藝參數(shù)見表2。焊接過程的電弧保護(hù)及背部保護(hù)氣體均采用氬氣，氣體流量分別為10，5 L·min-1。

表1 0Cr18Ni9不銹鋼和ER308L焊絲的化學(xué)成分

表2 P-TIG脈沖工藝參數(shù)

在焊接接頭處切取金相試樣，經(jīng)研磨、拋光，用4 g氯化鐵+65 mL鹽酸+100 mL蒸餾水配制的溶液腐蝕后，利用GX71型倒置光學(xué)顯微鏡(OM)觀察接頭焊縫區(qū)及熱影響區(qū)的組織，并利用ImageJ軟件測量焊縫區(qū)δ鐵素體含量及熱影響區(qū)中奧氏體晶粒平均尺寸。根據(jù)GB/T 2651-2008，采用整管拉伸試樣，按照GB/T 228-2016進(jìn)行室溫拉伸試驗，拉伸速度為1 mm·min-1，每組脈沖工藝取3個平行試樣，計算平均值，用VEGA3XMU型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察拉伸斷口形貌。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可以看出，3種脈沖工藝下接頭焊縫區(qū)的組織均為奧氏體+δ鐵素體組織。根據(jù)ER308L焊絲成分計算得到，鉻當(dāng)量與鎳當(dāng)量之比為1.76，此時在熔池冷卻過程中，鐵素體先從熔池內(nèi)析出后經(jīng)固態(tài)相變轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，來不及轉(zhuǎn)變的鐵素體呈蠕蟲狀、骨骼狀、板條狀及類板條狀殘留在奧氏體基體中[10]。1#工藝下焊縫區(qū)δ鐵素體呈蠕蟲狀分布在奧氏體晶界及晶內(nèi)，統(tǒng)計得到δ鐵素體面積分?jǐn)?shù)為18.677%； 2#工藝下焊縫區(qū)δ鐵素體呈骨骼狀分布在奧氏體晶界及晶內(nèi)，分布雜亂，無明顯方向性，δ鐵素體面積分?jǐn)?shù)為16.907%；3#工藝下焊縫區(qū)δ鐵素體呈骨骼狀分布在奧氏體晶界及晶內(nèi)，但其枝晶尺寸較小，面積分?jǐn)?shù)為17.680%。在δ鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的固態(tài)相變過程中，在熔池冷卻速率及化學(xué)成分偏析的影響下，鐵素體形成元素富集嚴(yán)重的δ鐵素體枝晶中心部分以蠕蟲狀保留至室溫，而整個枝晶則以骨骼狀保留至室溫[11]。與1#工藝相比，2#工藝和3#工藝的脈沖平均電流較大，焊接熱輸入較大，熔池冷卻速率較小，從而保證了δ鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，室溫組織中的殘留鐵素體含量較少。2#工藝與3#工藝相比，一個脈沖周期內(nèi)脈沖時間相差較小且脈沖平均電流相近，熔池冷卻速率主要由脈沖峰值電流決定，3#工藝的脈沖峰值電流較小，熔池冷卻速率較大，δ鐵素體沒有充分時間轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，因此室溫組織中的殘留鐵素體含量較多。

圖1 不同脈沖工藝下接頭焊縫區(qū)的顯微組織Fig.1 Microstructures of weld of joints under different pulse processes: (a) 1# process; (b) 2# process and (c) 3# process

母材及不同脈沖工藝下接頭熱影響區(qū)的顯微組織如圖2所示，統(tǒng)計得到，0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼母材的奧氏體晶粒平均尺寸為58.43 mm，1#工藝、2#工藝與3#工藝下接頭熱影響區(qū)中奧氏體晶粒平均尺寸分別為87.62，96.17，92.7 mm，可見P-TIG接頭熱影響區(qū)奧氏體晶粒發(fā)生明顯粗化。靠近焊縫一側(cè)熔合線附近的δ鐵素體呈柱狀晶向焊縫中心生長。

圖2 母材及不同脈沖工藝下接頭熱影響區(qū)的顯微組織Fig.2 Microstructures of base metal (a) and heat-affected zone of joints under different pulse processes (b-d):(b) 1# process; (c) 2# process and (d) 3# process

2.2 拉伸性能

由表3可以看出：1#工藝下接頭的拉伸性能最優(yōu)，屈服強(qiáng)度為401.38 MPa，抗拉強(qiáng)度為701.51 MPa，屈強(qiáng)比為0.57。1#工藝下接頭熱影響區(qū)奧氏體晶粒平均尺寸較小，根據(jù)Hall-Petch公式，材料的強(qiáng)度與晶粒尺寸呈反比關(guān)系，且晶粒尺寸越小，晶界越多，位錯在滑移過程中越容易在晶界處產(chǎn)生位錯堆積，從而提高材料的強(qiáng)度及塑性。由于3組工藝下接頭焊縫區(qū)奧氏體晶界或晶內(nèi)存在δ鐵素體組織，可以抑制含磷、硫等有害雜質(zhì)的低熔點共晶相在晶界析出，且δ鐵素體在奧氏體不銹鋼焊縫中屬于強(qiáng)化相，在拉伸過程中能夠阻礙位錯的滑移，從而提高焊縫的強(qiáng)度[12-14]，且3組接頭熱影響區(qū)奧氏體晶粒存在明顯的粗化現(xiàn)象，因此3組工藝下接頭拉伸試樣均在熱影響區(qū)或母材處斷裂。

表3 不同脈沖工藝下接頭的拉伸性能及斷裂位置

由圖3可以看出，3組工藝下接頭拉伸斷口均由韌窩組成，這是材料經(jīng)過塑性變形后，在斷口處產(chǎn)生的顯微空洞經(jīng)形核、長大后相互連接形成的[15]。因此，3組工藝下接頭的斷裂形式均為典型的韌性斷裂。1#工藝下接頭拉伸斷口韌窩為等軸韌窩，形狀均勻且尺寸較小。2#工藝與3#工藝下接頭拉伸斷口韌窩粗大，且深度淺，大韌窩附近存在少量的小韌窩。因此，工藝1下接頭的拉伸性能最優(yōu)。

圖3 不同脈沖工藝下接頭拉伸斷口形貌Fig.3 Tensile fracture morphology of joints under different pulse processes: (a) 1# process; (b) 2# process and (c) 3# process

3 結(jié) 論

(1) 采用脈沖鎢極氬弧焊對薄壁0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼管進(jìn)行焊接，3組脈沖工藝下接頭焊縫區(qū)組織均為奧氏體+δ鐵素體；當(dāng)脈沖頻率及脈寬比一定時，隨著脈沖平均電流的增加，δ鐵素體從蠕蟲狀轉(zhuǎn)變?yōu)楣趋罓睿姚蔫F素體含量減??；在相同水平的脈沖平均電流及脈寬比下，隨脈沖峰值電流由60 A減小到50 A，骨骼狀δ鐵素體尺寸變小、含量增加。接頭熱影響區(qū)奧氏體晶粒發(fā)生明顯粗化。

(2) 不同脈沖工藝下接頭拉伸時均在熱影響區(qū)或母材處發(fā)生韌性斷裂。接頭的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度均大于母材強(qiáng)度下限值，且當(dāng)基值電流為20 A，峰值電流為40 A，脈沖頻率為0.3 Hz，脈寬比為50%時，接頭的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度最高，分別為401.38，701.51 MPa，屈強(qiáng)比為0.57，拉伸性能最優(yōu)，拉伸斷口中的韌窩為等軸韌窩，形狀均勻且尺寸較小。