焊絲成分對310不銹鋼TIG焊凝固裂紋敏感性的影響

張 鵬

（國網天津市電力公司，天津 300000）

310 不銹鋼是一種Cr與Ni含量較高的奧氏體不銹鋼，具備優良的耐腐蝕性和較高的蠕變強度，廣泛應用于石油化工、核電以及軍工等領域[1]。較高的合金元素含量，會導致310不銹鋼在熔化焊過程中極易出現凝固裂紋，限制其在焊接結構中的推廣應用。因此，有必要對這類不銹鋼的凝固裂紋產生機制進行研究，并提出避免出現這種缺陷的方法。

凝固裂紋屬于焊接熱裂紋的一種，出現在焊縫內部，主要由于在熱應力的作用下，枝晶相互分離，進而導致晶間液膜破裂所致[2]。David等人系統的研究了熔池合金成分與奧氏體不銹鋼熔化焊凝固裂紋敏感性的聯系[3]。其結果表明，焊縫開裂的傾向與焊縫金屬的凝固模式密切相關。Yu等人設計出一套專用的焊槍[4]，實現焊后對試件進行急冷，使熔池尾端的非平衡組織保留至室溫。對枝晶生長形態的觀測表明，奧氏體枝晶間的界面較平直，而鐵素體枝晶間的界面曲折，這影響了晶間的液膜分布，進而影響裂紋產生的幾率。

工件在熔化焊過程中加熱冷卻速率快，熔池中冶金反應復雜。目前針對奧氏體不銹鋼裂紋敏感性的研究多采用試驗觀測手段，難以從熱動力學角度對焊接冶金反應過程進行機理分析。本文研究基于相圖計算技術，對采用不同焊絲的310不銹鋼TIG焊的熔池冶金反應進行分析。通過與試驗數據的對比，本研究揭示了通過調整熔池成分，抑制凝固裂紋產生的機理。

1 研究方法

1.1 焊接試驗

采用鎢極氬弧焊（TIG焊）對1.5 mm厚SUS 310奧氏體不銹鋼進行進行焊接試驗，焊接電源為YC-300B型逆變交直流氬弧焊機。焊接試板統一采用線切割方法制作成150 mm×50 mm大小，并且在焊前用工裝卡具固定牢固。焊接試驗分別采用自熔焊、填充ER308及ER430焊絲的方案（焊絲直徑1.2 mm）。母材與焊絲的化學成分列于表1中。采用KR350A-500A送絲機填絲，填絲速度為30 mm/s。焊接參數為：12 L/min保護氣流量（99.7%純度氬氣），85 A焊接電流，2.5 mm弧長，2.5 mm/s焊槍移動速度。

表1 母材與焊絲成分（wt.%）

焊后在試件焊縫區取金相試樣，采用10 mL HNO3+10 mL HCl+10 mL CH3COOH配制腐蝕劑，用于觀測微觀組織與開裂情況。此外，采用SPECTROLAB型直讀光譜儀對試樣焊縫區取樣進行元素含量測量。

1.2 焊縫凝固模式分析

基于相圖計算軟件JMat-Pro，結合不銹鋼合金系熱動力學數據庫，對不同采用填絲方案的焊縫區進行相變分析。對焊縫區的相變分析重點集中在液相線與固相線之間的凝固轉變過程，主要涉及合金元素對液相（L）、高溫鐵素體相（δ）與奧氏體相（γ）三者冶金反應的影響。常規分析方法（Cr/Ni當量法）如schaeffler圖和Delong圖等，難以精確的分析復雜的凝固模式轉變[4]。隨著合金元素含量的變化，奧氏體不銹鋼存在A、AF、FA以及F等四種凝固模式，分別對應如下冶金反應[5]。

2 試驗結果及討論

2.1 焊縫微觀組織演化及裂紋敏感性

三類焊縫的典型金相組織如圖1所示。可以看出，自熔焊試樣內部開裂嚴重，填充ER308的試樣輕微開裂，而填充ER430的試樣內部沒有裂紋。焊縫內部的裂紋均位于枝晶邊界處，表明沿晶開裂特征顯著。此外，自熔焊試樣與填充ER308的試樣金相組織特征近似，均表現為奧氏體枝晶組織，而填充ER430的試樣表現為晶粒邊緣出現第二相版條狀組織的特征。

圖1 焊縫金相組織

焊縫區取樣的直讀光譜測試數據列于表2中?？梢钥闯?，采用不同的填絲方案，引起焊縫區的化學成分產生顯著的變化。

表2 焊縫處平均元素含量（wt.%）

根據焊縫區的直讀光譜測試結果，進行相變分析，結果列于圖2中?？梢钥闯?，由于填絲方案的變化導致熔池成分顯著變化，最終導致凝固模式產生變化。310不銹鋼自熔焊試樣表現為A凝固模式，填充ER308的試樣表現為AF凝固模式，填充ER430的試樣表現為FA凝固模式。這里需要指出，平衡相變的計算由于未考慮微觀偏析效應，因此計算結果與實際非平衡凝固產生的冶金反應過程存在差異，但是合金元素含量對凝固模式影響的總趨勢保持一致。

圖2 焊縫區相變分析

2.2 凝固模式對凝固裂紋敏感性的影響

根據對焊接過程中熱應力的演化規律分析[4]，在熔池的尾端凝固區，在工件拘束的作用下，枝晶存在分離傾向，導致裂紋的產生。在熔池尾端的固液共存區，枝晶間的分離與剩余液相向間隙的填充同時存在。如果剩余液相能有效填充至枝晶間隙，則有利于已產生的裂紋愈合，從而避免開裂的產生。對于奧氏體不銹鋼，參考δ/γ與γ/γ界面能的差異、第二相析出程度以及高溫塑性等因素[5]，導致凝固過程中剩余液相向枝晶間隙填充的難易程度差異，進而導致凝固裂紋敏感性由高至低的順序依次為：A凝固模式＞AF凝固模式＞FA凝固模式或F凝固模式。這主要與凝固過程中δ相的析出程度有關，如圖3所示。

圖3 凝固模式對凝固裂紋敏感性的影響機理

多元相圖計算表明，當SUS 310奧氏體不銹鋼自熔焊時，熔池凝固過程中以γ相為主導，極易產生裂紋；采用填充ER308方案時，在一定程度上緩解開裂現象，但是不能完全避免；采用填充ER430的方案，熔池凝固過程中析出較多的δ相，這有助于抑制凝固裂紋的產生。在室溫焊縫組織中，SUS 310奧氏體不銹鋼自熔焊與填充ER308焊絲的試樣以奧氏體為主要組成，而填充ER430焊絲的試樣中為雙相組織。

3 結論

（1）SUS 310奧氏體不銹鋼自熔焊的凝固裂紋敏感性極高。填充ER308焊絲，可以減輕SUS 310奧氏體不銹鋼開裂程度；填充ER308焊絲，可以有效抑制焊縫中裂紋產生。

（2）焊絲成分不同改變了熔池成分，進而改變了熔池的凝固模式。在凝固過程中，提高δ相析出比例，有助于抑制裂紋產生。

（3）SUS 310奧氏體不銹鋼自熔焊與填充ER308焊絲的試樣的焊縫在室溫以奧氏體為主，而填充ER430焊絲的試樣中為雙相組織。