304不銹鋼GTAW 背面保護焊劑性能研究*

強 偉，李文卓，路永新，李 歡，米廣鑫，程 龍

（1.西安石油大學 材料科學與工程學院，西安 710065；2.克拉瑪依金磚鋼結構工程有限公司，新疆 克拉瑪依 834000）

0 前 言

不銹鋼因良好的耐腐蝕性能在壓力容器、油氣化工、工程機械、船舶等領域廣泛應用，制造焊接結構時需預防高溫氧化以免影響其耐腐蝕性[1-3]。對于焊槍無法到達焊縫背面的應用場景（如小內徑管道環縫焊接），通常只能選用單面焊接雙面成形工藝[4]。為避免焊接過程中焊縫背部氧化，相關研究人員和技術人員進行了大量嘗試，目前比較成熟的方案是封閉局部空間同時充氬，使焊縫背部在氬氣氛圍中冷卻凝固。小直徑管道環焊縫焊接時，需要在管道內部以保護塞隔出氣室，用氬氣充滿氣室達到焊縫背面保護的效果[5]。閆興貴等[6]在研究不銹鋼平板非熔化極惰性氣體保護焊（GTAW）時通過設計充氬裝置實現了焊縫背面保護。然而，局部密閉充氬的方法需額外增加裝置，施工難度增加，導致焊接效率降低，且焊接過程需要消耗大量氬氣。另一種可行的方法是焊接時在工件背面加裝Cu 或陶瓷材料襯墊以避免背部氧化，但容易帶來滲銅、夾渣等問題。采用焊接保護劑是國外的一種新方法，國內也開展了相關研究。李輝[7-8]比較了不同種類的背面保護劑對不銹鋼GTAW 焊接接頭的影響；鄭祥超、尹燕、樊鴻杰等[9-12]采用自制背面保護劑完成了薄壁304 不銹鋼管的焊接；李亞軍、丁超等[13-15]研究了美國金帝國公司Solar TYPE B 型保護劑在管道焊接方面的應用效果。

為了進一步揭示Solar TYPE B 型保護劑的作用機理，為不銹鋼單面焊接雙面成形提供可行高效的背面保護方法，本研究利用光學顯微鏡（OM）、電子顯微鏡（SEM）、能譜儀（EDS）、顯微硬度計等設備系統分析了Solar TYPE B 型保護劑作用下304 不銹鋼焊接接頭的組織性能及保護效果。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

選用規格為100 mm×200 mm×3 mm 的304奧氏體不銹鋼板材為試驗材料，化學成分見表1。

表1 試驗用304奧氏體不銹鋼板化學成分 %

1.2 試驗方法

采用電子天平稱量一定量的Solar TYPE B 型保護劑粉末（主要組分為氧化物），加入適量丙酮后充分攪拌為糊狀。將保護劑混合物均勻涂覆于不銹鋼平板一側，以接縫為中心，兩側涂覆寬度各8 mm，涂覆層厚度為1 mm。

采用GTAW 方法在304不銹鋼未涂覆保護劑的一側開展自熔焊接試驗，焊接工藝參數見表2。試驗原理如圖1所示。

表2 焊接工藝參數

圖1 涂覆保護劑的GTAW 試驗原理

垂直于焊縫切取金相試樣，用王水溶液腐蝕后，通過Axio Vert.A1 光學顯微鏡觀測焊接接頭微觀組織，利用JSM-6390A 掃描電子顯微鏡和能譜儀定量分析元素含量，采用HXD-1000TMC 硬度試驗計檢測焊接接頭硬度分布。

2 試驗結果與討論

2.1 焊縫外觀

圖2 所示為采用Solar TYPE B 型保護劑焊接獲得的焊縫正面、背面外觀形貌。由圖2（a）可見，焊縫正面成形良好，尺寸一致性好，表面光潔度高，無明顯表面缺陷，但母材表面呈灰色，存在一定程度的高溫氧化；由圖2（b）可見，焊縫背面表層覆蓋一層焊渣類似物，這是丙酮和保護劑的混合物高溫加熱后形成的產物。去除部分熔渣后露出銀白色的不銹鋼表面，表明保護劑對焊縫背部具有良好的保護效果。

圖2 采用Solar TYPE B型保護劑焊縫外觀形貌

2.2 微觀組織

圖3為采用Solar TYPE B型保護劑各區域微觀組織，由圖3（a）、圖3（c）可知，母材組織為奧氏體γ等軸晶，焊縫區主要由尺寸較小的奧氏體枝晶組成，枝晶間距平均為8.9 μm；由圖3（b）可知，熔合線的焊縫一側晶粒以熱影響區半熔化晶粒為核心，垂直于熔合線向焊縫中心方向生長，組織形態為聯生結晶形成的柱狀奧氏體晶粒。

圖3 不銹鋼焊接接頭組織形貌

對焊接接頭進行SEM和EDS測試分析，結果如圖4所示。對涂覆保護劑的焊縫背面表層進行EDS點掃描，結果顯示焊縫表面仍存在一定氧化，氧化層厚度最大12.6 μm，但氧含量較低。從焊縫內部向背面表層做EDS線掃描（圖4（b）），可以看到焊縫表層部位的氧含量同樣略有增高。

圖4 采用Solar TYPE B型保護劑焊接接頭SEM和EDS分析結果

為定量評估保護劑效果，在焊縫背面表層取樣測定含氧量，結果顯示接頭背面表層氧含量為0.001 2%。在保護劑作用下，接頭背面表層金屬的含氧量極低，說明保護劑發揮了良好效果。

2.3 顯微硬度

圖5 為焊接接頭的硬度分布。從圖5 可見，焊縫區的硬度整體較高，而熱影響區存在一定程度的軟化，最低硬度為303HV10。焊接過程中，熱影響區的金屬雖未熔化，但與熔合線距離最近，受到焊接熱量的影響極大，因此晶粒粗化明顯。根據Hall-Petch 關系，晶粒越粗大，材料性能越差，因此熱影響區的硬度下降比較嚴重。從圖3（c）可知，焊縫區晶粒相對細小，且分布均勻，由于細晶強化的作用，硬度較高。總體來看，焊接接頭的硬度與母材相比，波動較小，說明焊接對材料的力學性能影響不大。

圖5 不銹鋼焊接接頭硬度分布

3 結 論

（1）采用Solar TYPE B 型保護劑，可以獲得外觀成形良好的304 奧氏體不銹鋼GTAW焊縫。

（2）熔合線附近的焊縫組織為聯生結晶的奧氏體柱狀晶，焊縫中心組織為細小均布的奧氏體枝晶，平均枝晶間距為8.9 μm。

（3）焊縫背面表層金屬中含有一定量的O元素，但氧化程度不大，說明保護劑的保護效果良好。

（4）焊接接頭熱影響區的硬度較低，而焊縫區硬度較高，但總體硬度值波動不大。