MAG焊工藝對(duì)奧氏體不銹鋼力學(xué)與電化學(xué)性能的影響

王海成

（甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，甘肅 蘭州 730000）

奧氏體不銹鋼由于其具有良好的耐腐蝕性、耐熱性和較好的力學(xué)性能，被廣泛適用于制造耐腐蝕、耐高溫和低溫的設(shè)備和部件。同時(shí)奧氏體不銹鋼具有良好的焊接性，幾乎所有熔焊方法都可以使用。隨著焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)一種材料進(jìn)行焊接，選擇合適的焊接方法與焊接工藝對(duì)材料的力學(xué)性能及使用性能同樣有著很大的影響。本文從MAG焊工藝對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行焊接，對(duì)其焊接接頭及母材作力學(xué)性能及電化學(xué)性能分析。探究MAG焊工藝對(duì)奧氏體不銹鋼焊接的適用性與可靠性。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法

1.1 0Cr18Ni9不銹鋼基礎(chǔ)試驗(yàn)研究

本實(shí)驗(yàn)選用0Cr18Ni9不銹鋼為母材，其厚度為10mm，如圖1所示。由于試件長(zhǎng)期放置，可能引起其化學(xué)成分的變化，所以通過FMP直讀光譜儀對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)一步進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)尺寸為Φ=50mm圓，如圖，測(cè)定母材化學(xué)成分見表1。

表1 0Cr18Ni9不銹鋼化學(xué)成分

圖1 選用0Cr18Ni9不銹鋼化學(xué)材料為母材

對(duì)母材進(jìn)行拉伸等力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，通過拉伸試驗(yàn)，可以測(cè)得其屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度，斷后伸長(zhǎng)率，斷面收縮率。拉伸試驗(yàn)按GB/T2651-1989進(jìn)行。

根據(jù)試件拉伸實(shí)驗(yàn)，繪制曲線。試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)拉伸應(yīng)變曲線，計(jì)算母材及焊縫的力學(xué)性能指標(biāo)：

強(qiáng)度指標(biāo)：

抗拉強(qiáng)度： Rm=Fm/SO

塑性指標(biāo)：

斷后伸長(zhǎng)率： A=（LU-LO）×100%/LO

斷面收縮率： Z=（SU-SO）×100%/SO

根據(jù)拉伸試驗(yàn)的要求跟標(biāo)準(zhǔn)，作出0Cr18Ni9不銹鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示：

圖2 0Cr18Ni9不銹鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

母材在金相顯微鏡下的組織形態(tài)如圖3，4所示：

圖3 母材在金相顯微鏡下20μm的組織形態(tài)

圖4 母材在金相顯微鏡下的50μm組織形態(tài)

從母材的顯微組織中可以看出，0Cr18Ni9不銹鋼組織為單一的奧氏體組織，晶粒為等軸多邊形，且晶粒內(nèi)存在孿晶（圖中點(diǎn)狀物為殘留滲碳體）。

1.2 0Cr18Ni9不銹鋼MAG焊焊接接頭試驗(yàn)研究

切取試樣，試件規(guī)格為200mm×100mm×10mm十塊，切取過程中，避免切口出現(xiàn)毛刺，卷邊等，將試樣分為五組，進(jìn)行MAG多道焊焊接，選取合適的焊接電流參數(shù)范圍，具體焊接參數(shù)見表2。

表2 焊接參數(shù)

計(jì)算各試樣背面焊線能量：

線能量計(jì)算公式：q=IU/v

式中：I——焊接電流（A）；

U——電弧電壓（V）；

V——焊接速度（cm/s）；

q——線能量（J/cm）。

計(jì)算得各試樣背面焊線能量：

q1=10350（J/cm） q2=16560（J/cm）

q3=10350（J/cm） q4=19200（J/cm）

q5=12000（J/cm）

通過對(duì)母材不銹鋼進(jìn)行MAG焊，對(duì)其焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，由于在焊接過程中選擇與母材相匹配的不銹鋼焊絲CHM308，在焊接過程中，焊絲對(duì)母材中合金元素的含量影響可能導(dǎo)致其化學(xué)成分的改變，從而導(dǎo)致其力學(xué)性能的差異，所以通過FM直讀光譜儀對(duì)焊接接頭的化學(xué)成分進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)定。通過對(duì)焊接接頭化學(xué)成分的測(cè)定，其主要元素的含量見表3：

表3 焊接接頭化學(xué)成分

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

各試樣拉伸應(yīng)變曲線如圖5所示：

圖5 試驗(yàn)分析曲線圖

各試樣力學(xué)性能指標(biāo)見表4：

表4 各試樣力學(xué)性能指標(biāo)

根據(jù)硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)得母材及焊接接頭其洛氏硬度值見表5：

表5 母材及焊接接頭洛氏硬度值

計(jì)算各試樣熱影響區(qū)及焊縫區(qū)硬度的平均值。見表6。

表6 各試樣熱影響區(qū)及焊縫區(qū)硬度平均值

根據(jù)硬度值做出硬度曲線，如圖6所示。

圖6 硬度值做出硬度曲線

根據(jù)沖擊試驗(yàn)，測(cè)得的沖擊功見表7：

沖擊功：用Ak表示，單位J；

沖擊韌性，即沖擊值：用ak表示J/cm2；

缺口處的截面積：用F表示，單位cm2；

沖擊韌性ak=Ak/F。

測(cè)量沖擊后試樣斷口處的截面積，計(jì)算得各試樣其沖擊韌性值，見表7。

以下是焊縫在金相顯微鏡下的組織形態(tài)，如圖7所示。

表7 試樣參數(shù)

圖7 焊縫在金相顯微鏡下的組織形態(tài)

從圖7金相圖中可以看出，焊縫有明顯的外延生長(zhǎng)特性，焊縫中部的晶粒方向幾乎是平行的。焊縫晶粒來源于母材晶粒，在焊縫中心終止。晶粒沿原晶粒方向生長(zhǎng)，在向焊縫中心生長(zhǎng)的過程中其生長(zhǎng)方向趨向于垂直焊縫表面。熔合區(qū)顯微組織為等軸樹狀晶，其晶粒較小，中心處為等軸樹枝晶。次外層為柱狀晶，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于焊接過程產(chǎn)生較高的溫度的熱循環(huán)以及較大的冷卻速度，使熔核區(qū)的組織發(fā)生了再結(jié)晶，使得其組織變得細(xì)小。熱影響區(qū)組織較母材沒有發(fā)生明顯的變化。熔核區(qū)較窄形成了熔核和母材之間的分界線。從而產(chǎn)生了新的細(xì)小晶粒組織。由于本實(shí)驗(yàn)試板為10mm，在焊接過程中，由于熔池底部的冷卻速度較大，從而促使了柱狀晶的生長(zhǎng)。加上所用材料導(dǎo)熱性差，熱膨脹系數(shù)小的原因，從而導(dǎo)致了粗的柱狀晶的形成。實(shí)驗(yàn)采取多層多道焊，由于前一層焊道對(duì)下一層起到加熱的作用。從而加強(qiáng)了前一層焊道的再結(jié)晶現(xiàn)象。通過接頭金相，可以看到其最終的形態(tài)是粗大的等軸的柱狀晶與沿柱狀晶分布的δ鐵素體。

試樣電化學(xué)性能測(cè)試采用恒電位儀電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)方法。參比電極為飽和甘汞電極,輔助電極為Pn電極,電解質(zhì)為3.5%NaCl腐蝕液在室溫（20℃）條件下測(cè)量。采用電化學(xué)腐蝕設(shè)備LK9805-電化學(xué)分析儀,掃描速率為50mV/min。電位范圍從-3mV～+3mV。測(cè)試其電流的變化，同時(shí)記錄電位、電流數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出電位與電流的極化曲線。根據(jù)曲線，研究母材及焊接接頭的電化學(xué)腐蝕性能。實(shí)驗(yàn)前，在母材與焊縫上分別截取試樣，對(duì)其表面進(jìn)行打磨、拋光。然后將試樣放在腐蝕溶液中浸泡5min，使試樣表面均勻浸入腐蝕液。取出試樣，在試樣背面用錫焊將電極與試樣焊接在一起。用膠帶把母材與焊縫包裹起來，待干燥后取出膠帶。開始電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)參照GB4334.5-2000進(jìn)行。

圖8為母材與各焊縫試樣的在焊縫區(qū)及HAZ區(qū)極化曲線。

圖8 極化曲線

從極化曲線中可以看出，母材及焊縫的自腐蝕電位都約在-0.5左右。最小自腐蝕電流表示試樣在溶液中的抗腐蝕能力，自腐蝕電流越小，則材料表面抗腐蝕能力越強(qiáng)。鈍化電流是不銹鋼表面形成鈍化膜后的腐蝕電流，表示試樣在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的抗腐蝕能力。鈍化電流越小，則材料表面抗腐蝕能力越強(qiáng)。從焊縫區(qū)及HAZ區(qū)極化曲線中可以看出，母材的抗腐蝕能力最好。同時(shí)不同線能量對(duì)焊縫的腐蝕性能也有影響。在合適的焊接電流參數(shù)范圍內(nèi)，隨著線能量的增加，焊接接頭的腐蝕速度有上升趨勢(shì)。因此，在實(shí)際焊接過程中，要避免線能量過大的現(xiàn)象。

2 結(jié)論

1）在焊接過程中，為避免焊縫樹枝晶粒粗大，造成偏析程度增大，應(yīng)盡量采用小電流快速焊工藝，且不應(yīng)預(yù)熱。在多層多道焊時(shí)，應(yīng)采取通氣措施防止背面氧化，同時(shí)降低層間溫度。

2）焊接后，焊件達(dá)到使用要求但是達(dá)不到母材的力學(xué)性能，可見0Cr18Ni9其力學(xué)性能更好。

3）通過硬度測(cè)試得知焊接線能量變化時(shí)，熱影響區(qū)的硬度值與母材的硬度值差異很大，絕大多數(shù)都低于母材，由此可知該區(qū)域的組織與母材存在著較大的差異，不僅使焊接接頭性能下降，而且不利于抗腐蝕性能。

4）采用不同的焊接線能量焊接時(shí)，焊縫的抗腐蝕性能也所變化。隨著線能量的增加，焊接接頭的腐蝕速度有上升趨勢(shì)。因此應(yīng)該選擇適當(dāng)?shù)暮附泳€能量才有利于銹鋼的抗腐蝕性能。