MAG焊工藝對奧氏體不銹鋼力學與電化學性能的影響

王海成

（甘肅省特種設備檢驗檢測研究院，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性能，被廣泛適用于制造耐腐蝕、耐高溫和低溫的設備和部件。同時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。隨著焊接技術的不斷發展，對一種材料進行焊接，選擇合適的焊接方法與焊接工藝對材料的力學性能及使用性能同樣有著很大的影響。本文從MAG焊工藝對奧氏體不銹鋼進行焊接，對其焊接接頭及母材作力學性能及電化學性能分析。探究MAG焊工藝對奧氏體不銹鋼焊接的適用性與可靠性。

1 實驗內容及方法

1.1 0Cr18Ni9不銹鋼基礎試驗研究

本實驗選用0Cr18Ni9不銹鋼為母材，其厚度為10mm，如圖1所示。由于試件長期放置，可能引起其化學成分的變化，所以通過FMP直讀光譜儀對其化學成分進一步進行測定。試驗尺寸為Φ=50mm圓，如圖，測定母材化學成分見表1。

表1 0Cr18Ni9不銹鋼化學成分

圖1 選用0Cr18Ni9不銹鋼化學材料為母材

對母材進行拉伸等力學性能實驗，通過拉伸試驗，可以測得其屈服強度，抗拉強度，斷后伸長率，斷面收縮率。拉伸試驗按GB/T2651-1989進行。

根據試件拉伸實驗，繪制曲線。試驗結束后，根據拉伸應變曲線，計算母材及焊縫的力學性能指標：

強度指標：

抗拉強度： Rm=Fm/SO

塑性指標：

斷后伸長率： A=（LU-LO）×100%/LO

斷面收縮率： Z=（SU-SO）×100%/SO

根據拉伸試驗的要求跟標準，作出0Cr18Ni9不銹鋼的應力-應變曲線如圖2所示：

圖2 0Cr18Ni9不銹鋼的應力-應變曲線

母材在金相顯微鏡下的組織形態如圖3，4所示：

圖3 母材在金相顯微鏡下20μm的組織形態

圖4 母材在金相顯微鏡下的50μm組織形態

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，且晶粒內存在孿晶（圖中點狀物為殘留滲碳體）。

1.2 0Cr18Ni9不銹鋼MAG焊焊接接頭試驗研究

切取試樣，試件規格為200mm×100mm×10mm十塊，切取過程中，避免切口出現毛刺，卷邊等，將試樣分為五組，進行MAG多道焊焊接，選取合適的焊接電流參數范圍，具體焊接參數見表2。

表2 焊接參數

計算各試樣背面焊線能量：

線能量計算公式：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）

通過對母材不銹鋼進行MAG焊，對其焊接接頭進行力學性能測試，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，焊絲對母材中合金元素的含量影響可能導致其化學成分的改變，從而導致其力學性能的差異，所以通過FM直讀光譜儀對焊接接頭的化學成分進行進一步測定。通過對焊接接頭化學成分的測定，其主要元素的含量見表3：

表3 焊接接頭化學成分

實驗結果分析：

各試樣拉伸應變曲線如圖5所示：

圖5 試驗分析曲線圖

各試樣力學性能指標見表4：

表4 各試樣力學性能指標

根據硬度試驗標準，測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

計算各試樣熱影響區及焊縫區硬度的平均值。見表6。

表6 各試樣熱影響區及焊縫區硬度平均值

根據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

根據沖擊試驗，測得的沖擊功見表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。

測量沖擊后試樣斷口處的截面積，計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，如圖7所示。

表7 試樣參數

圖7 焊縫在金相顯微鏡下的組織形態

從圖7金相圖中可以看出，焊縫有明顯的外延生長特性，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，在向焊縫中心生長的過程中其生長方向趨向于垂直焊縫表面。熔合區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，出現這種現象是由于焊接過程產生較高的溫度的熱循環以及較大的冷卻速度，使熔核區的組織發生了再結晶，使得其組織變得細小。熱影響區組織較母材沒有發生明顯的變化。熔核區較窄形成了熔核和母材之間的分界線。從而產生了新的細小晶粒組織。由于本實驗試板為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。加上所用材料導熱性差，熱膨脹系數小的原因，從而導致了粗的柱狀晶的形成。實驗采取多層多道焊，由于前一層焊道對下一層起到加熱的作用。從而加強了前一層焊道的再結晶現象。通過接頭金相，可以看到其最終的形態是粗大的等軸的柱狀晶與沿柱狀晶分布的δ鐵素體。

試樣電化學性能測試采用恒電位儀電化學腐蝕試驗方法。參比電極為飽和甘汞電極,輔助電極為Pn電極,電解質為3.5%NaCl腐蝕液在室溫（20℃）條件下測量。采用電化學腐蝕設備LK9805-電化學分析儀,掃描速率為50mV/min。電位范圍從-3mV～+3mV。測試其電流的變化，同時記錄電位、電流數據，對數據進行處理，得出電位與電流的極化曲線。根據曲線，研究母材及焊接接頭的電化學腐蝕性能。實驗前，在母材與焊縫上分別截取試樣，對其表面進行打磨、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。開始電化學腐蝕試驗。試驗參照GB4334.5-2000進行。

圖8為母材與各焊縫試樣的在焊縫區及HAZ區極化曲線。

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。鈍化電流是不銹鋼表面形成鈍化膜后的腐蝕電流，表示試樣在長時間內的抗腐蝕能力。鈍化電流越小，則材料表面抗腐蝕能力越強。從焊縫區及HAZ區極化曲線中可以看出，母材的抗腐蝕能力最好。同時不同線能量對焊縫的腐蝕性能也有影響。在合適的焊接電流參數范圍內，隨著線能量的增加，焊接接頭的腐蝕速度有上升趨勢。因此，在實際焊接過程中，要避免線能量過大的現象。

2 結論

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，應盡量采用小電流快速焊工藝，且不應預熱。在多層多道焊時，應采取通氣措施防止背面氧化，同時降低層間溫度。

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

3）通過硬度測試得知焊接線能量變化時，熱影響區的硬度值與母材的硬度值差異很大，絕大多數都低于母材，由此可知該區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，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。因此應該選擇適當的焊接線能量才有利于銹鋼的抗腐蝕性能。