雙鎢極不銹鋼與低合金鋼異種金屬焊縫組織性能

方迪生　高永光　劉萬存　李志杰

摘要：采用雙鎢極高效焊接方法在低合金鋼表面堆焊不銹鋼，詳細分析焊縫稀釋率、微觀組織、異種金屬過渡區Ⅱ型邊界、馬氏體帶等現象，并檢測了堆焊層化學成分、硬度、沖擊、晶間腐蝕等性能。結果表明，隨著熱輸入的增加，雙鎢極焊縫稀釋率增加，微觀組織晶粒尺寸增大，Ⅱ型邊界遷移距離更遠，馬氏體帶局部變長。當雙鎢極熱輸入控制在一定程度時，其硬度、化學、沖擊、晶間腐蝕等焊縫性能與單鎢極接近;但當雙鎢極熱輸入過高時，雙鎢極焊縫硬度、沖擊等性能明顯惡化。

關鍵詞：雙鎢極;不銹鋼堆焊;組織與性能

中圖分類號：TG444+.74文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）03-0086-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.16

0 前言

核反應堆壓力容器是核電廠全壽命運行中不可更換的核心設備。在其制造過程中，堆焊周期占整體生產周期1/3以上。目前堆焊方法主要有帶極堆焊、鎢極氬弧焊和焊工電弧焊。帶極堆焊熔敷效率高，但焊接質量易出現隱患;手工電弧焊自動化程度低，且焊接質量不穩定;氬弧焊焊接質量最好，但焊接效率低，限制了其工程化應用。

與單鎢極焊接工藝相比，雙鎢極焊接焊縫成形與質量佳，焊接速度和熔敷效率明顯提高[1]，應用于產品制造可大大提升生產效率，降低生產成本和能源消耗。本文詳細研究雙鎢極不銹鋼堆焊焊縫組織與性能，對雙鎢極工程化應用具有重要的實際意義。

1 原理與方法

雙鎢極氬弧焊工作原理如圖1所示，系統有兩臺焊接電源，分別對焊槍中兩根彼此絕緣的鎢極供電，兩根鎢極與母材產生獨立電弧，因電磁力而形成耦合電弧。雙鎢極電弧具有電弧壓力小、焊縫熔深淺、深寬比小等特點[2]。

試驗采用φ4 mm鎢極，磨削角度30°，雙鎢極之間夾角30°，尖端距離控制在2 mm左右。母材為SA-508 Gr.3試板，尺寸300 mm×300 mm×50 mm。焊材采用φ1.2 mm實心焊絲，首層堆焊ER309L，其余層堆焊ER308L。保護氣體采用99.999%高純氬氣。采用雙鎢極堆焊Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三組不同熱輸入焊縫，另外采用單鎢極堆焊一組焊縫作為對比，焊接參數如表1所示。首層堆焊完成后，部分焊縫切取橫截面試樣，經研磨、拋光和腐蝕后，獲取焊縫熔深、余高、稀釋率等數據。其余焊縫繼續堆焊，作為金相、化學、沖擊、硬度、腐蝕等檢測取樣。

2 試驗結果與討論

2.1 焊縫成形與稀釋率

焊縫宏觀形貌如圖2所示。可以看出，單鎢極、雙鎢極①和雙鎢極②均獲得了良好的焊縫成形，且無可見缺陷。而雙鎢極③因熱輸入過大，焊縫出現明顯流淌現象，焊縫成形較差。根據首層焊縫橫截面，獲得單鎢極、雙鎢極①、雙鎢極②、雙鎢極③焊縫熔深分別為0.83 mm、0.86 mm、0.86 mm、1.02 mm，稀釋率分別為23.7%、18.4%、20.7%、31.25%，首層焊縫厚度分別為2.48 mm、2.57 mm、3.85 mm、3.90 mm。與單鎢極相比，雙鎢極熱輸入較低時，稀釋率更低。

2.2 堆焊層微觀組織

2.2.1 首層焊縫微觀組織

金相試樣經砂紙研磨、拋光后，采用王水電解腐蝕，利用光學顯微鏡直接觀察，首層焊縫微觀組織如圖3所示。4種焊縫均為典型的先析出鐵素體與奧氏體混合組織，奧氏體呈柱狀，鐵素體分布在奧氏體晶界上。雙鎢極與單鎢極焊縫組織區別并不明顯，只有雙鎢極②和雙鎢極③在熱輸入增大后晶粒尺寸明顯增大。首層焊縫與第二層焊縫過渡區如圖4所示。可以看出，首層焊縫與第二層焊縫微觀組織形貌無太大差別，均由奧氏體與鐵素體組成，但第二層焊縫晶粒尺寸小于首層焊縫。其主要原因是首層堆焊時采取了預熱措施，延長了焊縫冷卻時間，焊縫晶粒長大時間延長。

2.2.2 首層焊縫Ⅱ型邊界[3]

單鎢極焊縫和雙鎢極焊縫中均發現了近似平行于熔合線的Ⅱ型邊界，如圖5所示。

單鎢極焊縫如圖5a所示，Ⅱ型邊界的跨度相對較小。雙鎢極焊縫如圖5b～5d所示，Ⅱ型邊界跨度超過了圖片顯示范圍。此外，隨著雙鎢極熱輸入的增加，Ⅱ型邊界離熔合線越遠。這是因為熱輸入增加使得焊縫熱影響區微觀組織奧氏體化停留時間延長，Ⅱ型邊界遷移時間延長。

2.2.3 首層焊縫馬氏體帶

金相試樣經打磨、拋光，采用4%硝酸酒精腐蝕后可觀察到明顯區別于熔敷區和熱影響區的灰色帶，它包括單相馬氏體區以及馬氏體與其他組織混合區[4-5]，統稱為馬氏體帶。單鎢極和雙鎢極①馬氏體帶如圖6所示。圖6a和6b分別為馬氏體帶整體形貌，包含相對較寬的馬氏體帶（B區、C區）和較窄的馬氏體帶（A區），A區為焊縫中普遍情況，B、C區是由化學元素局部濃度變化造成的。對比單鎢極與雙鎢極焊縫發現，雙鎢極馬氏體帶寬度有所增加（C區對比B區）。根據微觀硬度測定值，二者最高硬度相差不大。但雙鎢極①熔敷金屬硬度由266.9 HV過渡到馬氏體硬度441.2 HV相對較緩，而單鎢極馬氏體帶硬度變化較陡。

圖7a、7b分別為雙鎢極②和雙鎢極③馬氏體帶情況，圖7c、7d為馬氏體帶相對較寬區域，圖7e、 7f為馬氏體帶較窄區域。由圖可知，雙鎢極②與雙鎢極①焊縫馬氏體帶情況基本相同。但當雙鎢極③熱輸入過大時，焊縫馬氏體帶寬度和長度均減小，其原因可能是元素擴散時間延長。

2.3 焊縫性能

2.3.1 化學成分和鐵素體含量

采用直讀光譜儀和氧氮氫分析儀，根據GB/T 223對距離母材熔合線0.5～2 mm堆焊焊縫（首層焊縫）進行化學檢測。光譜儀分析采用塊狀試樣，氧氮氫分析采用屑狀試樣。化學檢測結果如表2所示。

采用德朗圖法計算Ni、Cr當量，獲得鐵素體含量。單鎢極、雙鎢極①、雙鎢極②、雙鎢極③鐵素體含量分別為9.1%、7.7%、8.1%、4.5%。單鎢極、雙鎢極①、雙鎢極②焊縫相近，但雙鎢極③焊縫鐵素體含量明顯下降，其原因可能是熱輸入過高導致焊縫中σ相析出。

2.3.2 硬度分布

采用維氏硬度儀由熔合線下方5 mm處至熔合線上方6 mm處每隔0.5 mm進行硬度測試。試驗力為98 N，保持時間為12 s，測試結果如圖8所示。單鎢極、雙鎢極①、雙鎢極②硬度分布和大小均較為接近。但雙鎢極③焊縫熔化區硬度有所降低，熱影響區硬度明顯增大。其原因是雙鎢極③熱輸入過大，熔敷金屬奧氏體組織粗大，而熱影響區碳化物析出增多。

2.3.3 沖擊韌性

根據GB/T 2650-2008進行沖擊性能試驗，試樣尺寸10 mm×10 mm×55 mm。試驗在常溫下進行，單鎢極、雙鎢極①、雙鎢極②平均沖擊吸收功分別為158 J、157.3 J、157.7 J，較為接近，但雙鎢極③沖擊吸收功為141.3 J，相比明顯下降。主要原因可能是隨著熱輸入的增加，不銹鋼焊縫有害相σ相析出，焊縫脆性增加。

2.3.4 晶間腐蝕

按照GB/T 4334-2008 E法進行晶間腐蝕，試樣尺寸3 mm×10 mm×70 mm，焊態。經腐蝕后進行彎曲試驗，然后放大10倍進行觀察，結果表明，單鎢極、雙鎢極焊縫均未發現晶間腐蝕裂紋及傾向。

3 結論

（1）雙鎢極氬弧焊可獲得宏觀成形良好、無可見缺陷的焊縫，與單鎢極相比，雙鎢極焊接速度提高1.8倍，同時熔敷效率提高2.5倍以上。

（2）隨著焊接熱輸入的增加，雙鎢極焊縫晶粒尺寸增大，Ⅱ型邊界和馬氏體帶情況變差。但在熱輸入較小的情況下，二者相差不大。

（3）在熱輸入控制在一定范圍內時，雙鎢極與單鎢極焊縫硬度、沖擊、晶間腐蝕等性能接近。

參考文獻：

[1] 王樹寶. 雙鎢極氬弧焊物理特性及工藝研究[D]. 黑龍江：哈爾濱工業大學，2006.

[2] ???顧學亮. 雙鎢極氬弧焊電弧物理及工藝特性研究[D]. 黑龍江：哈爾濱工業大學，2007.

[3] Nelson T W，Lippold J C，Mills M J. Investigation of boundaries and structures in dissimilar metal welds. Science and technology of welding and joining. 1998，3（5）：248-255.

[4] John C.Lippold，Damian，J.Kotecki. 不銹鋼焊接冶金學及焊接性[M]. 陳劍虹，譯. ?北京： 機械工業出版社，2008：1113.

[5] Pan C，Wang R，Gui J，et al. Direct TEM observation of microstructures ofthe austenitic/carbon steels welded joint[J].Journal of materials science，1990（25）：3281-3285.