30 mm厚不銹鋼電子束焊接接頭組織與性能

耿永亮，蔣 鵬，劉希林，劉志穎，熊進輝

（洛陽船舶材料研究所，河南洛陽471039）

30 mm厚不銹鋼電子束焊接接頭組織與性能

耿永亮，蔣 鵬，劉希林，劉志穎，熊進輝

（洛陽船舶材料研究所，河南洛陽471039）

對30 mm厚0Cr18Ni10Ti不銹鋼進行電子束焊接試驗，在合適的工藝參數下得到焊接變形小、無內部缺陷、成形良好的接頭。在室溫下測試該接頭的顯微組織、顯微硬度和力學性能，結果顯示焊縫區(qū)組織為奧氏體和呈骨架鐵素體，接頭的硬度分布均勻，無明顯弱化區(qū)域。接頭處抗拉強度為578 MPa，焊接系數0.91，焊縫處沖擊韌值AKV達到300 J/cm2，焊縫韌性與母材相比顯著提高。

電子束焊接；不銹鋼；接頭組織；力學性能

0 前言

不銹鋼具有優(yōu)異的抗氧化性和耐腐蝕性，是石油化工、船舶、航空航天以及核工業(yè)制造中核動力裝置不可或缺的材料之一。其中奧氏體不銹鋼的焊接工藝對其生產規(guī)模應用具有非常重要的作用[1]。對奧氏體不銹鋼焊接工藝及性能研究較多，主要以鎢極氬弧焊為主，但近年來隨著航空、航天、船舶、原子能等工業(yè)的發(fā)展[2]，傳統(tǒng)焊接技術已無法滿足大厚板不銹鋼的焊接質量、焊接效率和焊接變形更為嚴苛的要求，相關研究人員對不銹鋼焊接工藝的開發(fā)和研究從未停止，如郭亮[3]等人進行了304不銹鋼激光-MIG復合焊接，張國偉[4]進行了60 mm厚304不銹鋼激光超窄間隙（5 mm）焊接，陸善平[5]、劉觀輝[6]等人開發(fā)了A-TIG焊接工藝，提高了不銹鋼焊接效率等。

電子束焊接技術在航空、航天、船舶和其他軍用、民用制造業(yè)中得到了高度重視和發(fā)展應用，與其他熔化焊相比，電子束焊具有功率密度大、深寬比大、熱影響區(qū)小、焊接變形小、焊接效率高且穩(wěn)定、易于控制實現自動化等優(yōu)點[7]。本研究進行了30 mm厚0Cr18Ni10Ti奧氏體不銹鋼板電子束焊接試驗，并

分析接頭組織、顯微硬度和力學性能。

1 實驗方法

實驗材料為退火態(tài)0Cr18Ni10Ti奧氏體不銹鋼，試板尺寸為30 mm×150 mm×320 mm。焊接試驗在中國船舶重工集團公司第七二五研究所進行，采用SST公司生產的EBOCAM KS610_TIWN G600KM型大電子束焊機進行焊接，該設備最高加速電壓為150 kV，最大焊接束流400 mA，功率60 kW，真空室體積為3.5 m×3.5 m×6 m。

奧氏體不銹鋼具有良好的焊接性，但易產生焊接變形，主要原因是熱膨脹系數高（約為碳鋼1.4倍）和熱導率較低（約為碳鋼的34％）[8]。電子束焊接具有焊接變形小、速度快、效率高等特點。本研究未采用工裝對焊接試件進行強制約束，僅在試件兩端點焊固定，點焊長度10 mm，測量試件焊接前后變形結果發(fā)現，焊后試件在垂直焊接方向收縮了0.64 mm。

電子束焊接工藝對熱裂紋的產生有著重要影響，焊接時提高工件冷卻速度和降低熱輸入量是避免焊縫枝晶粗大和過熱區(qū)晶粒粗化重要措施，采用下焦點方式焊接，能夠有效增加熔深，降低熱輸入量[9]，具體焊接工藝參數見表1。

表1 電子束焊接工藝參數

由圖1可知，在該工藝下電子束焊接試板正反面成形狀況良好，無咬邊、飛濺和焊瘤等缺陷，對焊縫進行100％X射線檢測，結果顯示接頭處無裂紋、氣孔等缺陷，符合GB/T 4730.2《承壓設備無損探傷檢測第2部分：射線檢測》的射線Ⅰ級合格指標。

圖1 電子束焊接接頭宏觀形貌

2 實驗結果分析

2.1 金相組織分析

依據GB/T 13298-1991《金屬顯微組織檢驗方法》用王水腐蝕焊接接頭，并在OLYMPUS GX71金相顯微鏡下觀察焊接接頭。圖2為焊接接頭焊縫中心、熔合線及母材區(qū)的低倍組織形貌，焊縫處晶粒取向受到溫度梯度方向的影響，晶粒競相生長呈現為明顯的柱狀晶。奧氏體不銹鋼焊接時易形成方向性強的柱狀晶焊縫組織，焊縫處的柱狀晶組織會增加焊縫的熱裂紋傾向，主要是由于焊縫金屬在凝固時S、P、Sb、Sn等雜質元素易于偏析，在晶界間形成液態(tài)夾層，同時奧氏體不銹鋼熱膨脹系數大，在收縮時非常容易在焊縫處產生凝固裂紋。

在304不銹鋼電子束焊接接頭中，焊縫區(qū)窄（寬度約6 mm），熱影響區(qū)小，焊接變形量小，能夠有效減小焊接熱裂紋傾向。焊縫組織多是以奧氏體+鐵素體為主，如圖3a所示，鐵素體呈網狀分布在奧氏體晶界處。文獻[10]指出奧氏體不銹鋼焊縫中鐵素體（δ）能夠有效防止焊縫中凝固裂紋傾向，由于鐵素體含碳量低，塑、韌性良好，強度硬度低，同時能夠更多地溶解S、P、Si等元素，減少偏析和低熔點共晶化合物，奧氏體不銹鋼焊縫在凝固過程中生成的鐵素體能夠有效地減小接頭處熱裂紋傾向。同時，鐵素體能夠降低焊后接頭處的殘余應力[11]。根據奧氏體不銹鋼鉻鎳當量計算公式[4]

計算可得Creq/Nieq=1.54，根據舍弗勒相圖[4]，焊縫在冷卻時以鐵素體向奧氏體轉變的FA模式凝固，最終形成了奧氏體與鐵素體共存的凝固組織，其中鐵素體的形態(tài)分布取決于冷卻速度，焊縫處冷卻速度相對較低，網狀的鐵素體整體分布呈現為骨架狀[4]，在熔合線處，冷卻速度相對較大，鐵素體為短小的針狀分布。電子束焊接時冷卻速度快，得到的熱影響區(qū)小，由圖2d可知，接頭處的熱影響區(qū)寬度約為0.3 mm，對比圖2b和圖2d，熱影響區(qū)處無明顯的晶粒粗化現象。

2.2 顯微硬度分析

為考察接頭微觀組織性能的均勻性，根據GB/ T 4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗第1部分：試驗方法》標準，在VMH-I04顯微硬度計上進行接頭顯微硬度測試，測量載荷100 g，加載時間15 s，測

試點間隔0.25 mm。在距離接頭上表面5 mm、15 mm和25 mm（上、中、下）三個位置處進行測量，測量結果如圖4所示。

圖2 組織形貌

圖3 焊縫組織分布

由圖4可知，在接頭的上、中、下三個位置不同區(qū)域的顯微硬度分布相對均勻無明顯差異，母材硬度均值為226 HV，焊縫及熱影響區(qū)在接頭上、中、下三個不同位置處的顯微硬度測試均值分別為221 HV，214 HV和213 HV，接頭在橫向與縱向上無明顯的薄弱區(qū)域，與文獻[12]中手工TIG焊結果不同。文獻[12]中焊縫區(qū)域硬度均值最高，最大值出現在焊縫金屬兩側靠近熔合線處，而最小值出現在熔合區(qū)，接頭的硬度存在著嚴重的不均勻性。本研究采用電子束焊接得到的接頭熱影響區(qū)小，在高溫范圍內停留時間短，金屬間化合物σ相來不及析出，且在

焊縫中心處柱狀晶生長方向性強，結晶凝固時偏析嚴重生成較多的溶質和雜質，是焊縫區(qū)硬度略微降低的主要原因；采用電子束焊接一次性全焊透大厚度不銹鋼試板，能夠有效避免多層多道焊接熱循環(huán)造成的熱影響區(qū)晶粒粗化，因此焊縫處硬度未發(fā)生明顯降低。需要說明的是，由于電子束焊接熱影響區(qū)非常小，寬約0.3 mm，在顯微硬度測量時，可能不能夠準確測量出該區(qū)間的硬度分布，但從三個不同位置測量數據結果看，熱影響區(qū)硬度值未發(fā)生陡變，且熱影響區(qū)非常窄小，相比其他焊接技術，電子束焊接得到的接頭均勻性更為優(yōu)異。

圖4 焊接接頭不同位置處顯微硬度分布

2.3 力學性能分析

對焊接試件取樣，分別按照《GB/T 2653-2008焊接接頭拉伸試驗方法》《GB/T 2650-2008焊接接頭沖擊試驗方法》和《GB/T 2653-2008焊接接頭彎曲試驗方法》進行了焊接接頭的拉伸、沖擊和彎曲試驗，上述實驗測試條件溫度為20℃。

表2為母材與焊接接頭進行的靜力學實驗結果，其中焊接接頭拉伸斷裂位置均發(fā)生焊縫處，焊接接頭抗拉強度均值為578 MPa。《GB/T 4237-2007不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶》規(guī)定Rm≥520 MPa，母材抗拉強度均值為631 MPa，焊接系數為0.91。接頭上部與下部各項力學性能結果顯示一致性良好，焊縫處屈服強度與母材相近，但延伸率低于母材，表明其塑性與母材相比相對較差，這是由于焊縫區(qū)組織為方向性生長強的柱狀晶，同時鐵素體組織含量與分布也會削弱焊縫處的強度。

表2 母材與接頭力學性能試驗結果

在許多實際應用時，一味實現接頭與母材等強并非合理，而接頭的塑性和韌性往往具有更重要的實際應用意義，在此對試樣進行四組全厚度側彎試驗，按照《GB/T 2653-2008焊接接頭彎曲試驗方法》規(guī)定d=4t，180°執(zhí)行，試驗結果均合格。從室溫沖擊實驗結果來看，焊縫處沖擊值均高于母材處，通過電子束焊接得到的焊縫組織具有更好的韌性。

3 結論

選擇合適的焊接工藝進行30 mm厚奧氏體不銹鋼電子束焊接試驗，獲得成形良好，變形量小，無裂紋、氣孔、未熔合等缺陷的焊接接頭，達到GB/T 4730.2《承壓設備無損探傷檢測》的射線Ⅰ級合格標準。

接頭中焊縫、熱影響區(qū)寬度窄，受電子束焊接熱源特點和焊接工藝影響，焊縫處組織為奧氏體與鐵素體，其中鐵素體在奧氏體晶界處呈骨架狀分布，在熔合線處為蠕狀分布。接頭各位置處（上、中、下）的顯微硬度均勻一致性好，接頭無明顯的弱化區(qū)域。

接頭綜合力學性能良好，其中抗拉強度大于577 MPa，焊接系數達到0.91，延伸率為35％，沖擊AKV為316 J，焊縫韌性高于母材。

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Microstructure and mechanical property of the 30mm-thickness stainless steel welded joint by the electron beam welding technique

GENG Yongliang，JIANG Peng，LIU Xilin，LIU Zhiying，XIONG Jinhui
（Luoyang Ship Material Research Institute，Luoyang 471039，China）

The electron beam welding technique was used to weld the 0Cr18Ni10Ti stainless steel plate with 30mm in thickness.A weld joint in good formation with free defects and small distortion was obtained by the proper welding parameters.The microstructure，microhardness and mechanical property of the joint were measured in this paper at the room temperature.Results show that,in the weld seam，there is mainly a mixture of the austenite and the δ-ferrite with skeletal shape.The microhardness is harmoniously distributed，which indicates that there is no reduction area in the joint.The tensile strength is 578 MPa，and welding coefficient reaches to 0.91.The average impact value ofthe weld metal reaches to300 J/cm2，showinga better toughness in the seamcompared tothat in the based metal.

electron beam welding；stainless steel；microstructure of the weld joint；mechanical property

TG456.3

B

1001－2303（2016）07－0050-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.07.12

2015-12-25

耿永亮（1989—），男，河北石家莊人，碩士，主要從事電子束焊接及加工技術的研究工作。