圖 1 補(bǔ)強(qiáng)板形狀與尺寸
Figure 1. Shape and size of patch plate
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0. 引言
304L不銹鋼具有優(yōu)異的耐腐蝕性能、耐熱性、耐微酸性和良好的力學(xué)性能、加工性能等，廣泛應(yīng)用于核電站關(guān)鍵設(shè)備（如第二代核電站乏燃料水池）[1-3]，但在服役過(guò)程中會(huì)因長(zhǎng)期處于含特定離子的水介質(zhì)環(huán)境而發(fā)生局部腐蝕甚至開(kāi)裂。焊接是修復(fù)上述局部缺陷的主流方法，其中鎢極惰性氣體保護(hù)（TIG）焊因具有焊接質(zhì)量高、焊接過(guò)程穩(wěn)定和成本低等優(yōu)點(diǎn)成為常用方法[4]。目前，有關(guān)304L不銹鋼TIG焊接的研究主要集中在對(duì)接焊和堆焊修復(fù)方面。研究[5-6]發(fā)現(xiàn)，過(guò)高的熱輸入會(huì)使304L不銹鋼TIG對(duì)接接頭的顯微硬度降低，力學(xué)性能下降。HU等[7]研究發(fā)現(xiàn)，單層多道TIG堆焊層內(nèi)部存在氣孔及多處未熔合缺陷。在采用對(duì)接焊或堆焊修復(fù)板材局部缺陷時(shí)，修復(fù)區(qū)域的熱量較集中，易引起該區(qū)域組織粗化、性能劣化，并因較高的殘余應(yīng)力而產(chǎn)生新的焊接缺陷。補(bǔ)強(qiáng)板焊接通過(guò)將補(bǔ)強(qiáng)板覆蓋于待修復(fù)板材（底板）缺陷區(qū)域，可有效分散熱量，避免板材性能劣化。然而，TIG焊存在焊縫熔深淺、熔透能力有限的問(wèn)題[8]，容易導(dǎo)致補(bǔ)強(qiáng)板邊緣與母材的連接強(qiáng)度不足，降低修復(fù)質(zhì)量。在焊接過(guò)程中對(duì)焊槍引入周期性擺動(dòng)，可以?xún)?yōu)化熔池流動(dòng)與焊縫形貌，細(xì)化晶粒，從而提升接頭力學(xué)性能[9]。針對(duì)補(bǔ)強(qiáng)板的TIG焊，焊槍擺動(dòng)幅度是擺動(dòng)TIG焊接中最關(guān)鍵的工藝參數(shù)之一，其通過(guò)改變電弧作用區(qū)域和熔池動(dòng)力學(xué)行為，對(duì)焊縫成形、缺陷控制及力學(xué)性能產(chǎn)生系統(tǒng)性影響。為此，作者采用自動(dòng)TIG焊結(jié)合擺動(dòng)焊接技術(shù)，在不同焊槍擺動(dòng)幅度下對(duì)304L不銹鋼進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)板焊接試驗(yàn)，研究了焊槍擺動(dòng)幅度對(duì)接頭組織和性能的影響，擬為核電用不銹鋼補(bǔ)強(qiáng)板修復(fù)提供技術(shù)參考。
1. 試樣制備與試驗(yàn)方法
母材為304L不銹鋼底板和補(bǔ)強(qiáng)板，補(bǔ)強(qiáng)板形狀與尺寸如圖1所示，焊接材料為直徑1 mm的ER316L焊絲，母材和焊絲的化學(xué)成分如表1所示。
表 1 304L不銹鋼和ER316L焊絲的化學(xué)成分
Table 1. Chemical composition of 304L stainless steel and ER316L welding wire
| 材料 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | N | Fe | |
| 304L不銹鋼 | 0.028 | 0.45 | 1.61 | 18.28 | 8.12 | 0.13 | 0.044 | 余 |
| ER316L焊絲 | 0.027 | 0.56 | 1.69 | 18.30 | 11.21 | 2.10 | 0.039 | 余 |
按圖2所示將補(bǔ)強(qiáng)板置于待修復(fù)底板的缺陷位置上方，采用自制自動(dòng)TIG焊接設(shè)備，將焊槍定位至補(bǔ)板上選定的某一斜邊中點(diǎn)，向中心兩側(cè)進(jìn)行周期性擺動(dòng)施焊，擺動(dòng)幅度分別為2，3，4 mm，焊接保護(hù)氣體為純度99.99%的氬氣，流量為20 L·min−1，焊接電流為140 A，送絲速度為20 mm·s−1，焊接速度為100 mm·min−1，擺動(dòng)速度為4 mm·s−1。
圖 2 焊接過(guò)程示意
Figure 2. Welding process schematic
焊接完成后，采用線切割垂直于焊縫方向截取尺寸為10 mm×10 mm×15 mm的金相試樣，經(jīng)打磨、拋光后進(jìn)行腐蝕處理，采用Leica-DMi8c型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。采用D8 FOCUS型X射線衍射儀（XRD）進(jìn)行物相組成分析，采用銅靶Kα射線，掃描速率為10 （°）·min−1，掃描范圍為20°~90°，工作電壓為40 kV，工作電流為40 mA。采用HVS-1000Z型維氏硬度計(jì)測(cè)試焊縫中心顯微硬度，載荷為9.8 N，保載時(shí)間為10 s，測(cè)點(diǎn)間距為0.3 mm，測(cè)至少3個(gè)點(diǎn)取平均值。在焊縫上截取尺寸為10 mm×10 mm×15 mm的試樣，采用Versa STAT 3F型電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)試驗(yàn)，以飽和甘汞（SCE）電極為參照電極，鉑電極為輔助電極，試樣為工作電極，腐蝕介質(zhì)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%NaCl溶液，通過(guò)測(cè)量電化學(xué)阻抗譜（EIS）和極化曲線評(píng)估耐腐蝕性能。
2. 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 物相組成
由圖3可以看出，不同擺動(dòng)幅度下接頭焊縫中均檢測(cè)到γ相（111）、（200）、（220）晶面衍射峰和δ相（110）晶面衍射峰。隨著擺動(dòng)幅度增加，γ相（111）晶面的衍射峰強(qiáng)度減弱，δ相（110）晶面的衍射峰強(qiáng)度增加，說(shuō)明γ-奧氏體含量減少而δ-鐵素體含量增加，推測(cè)是因?yàn)閿[動(dòng)幅度增加使冷卻速率增大，δ-鐵素體相變過(guò)程受到抑制。隨著擺動(dòng)幅度增加，γ相（111）晶面衍射峰半高寬增大，說(shuō)明γ-奧氏體晶粒尺寸有所減小[10]。
圖 3 不同擺動(dòng)幅度下接頭焊縫的XRD譜
Figure 3. XRD patterns of weld seam of joint under different swing amplitudes
2.2 顯微組織
由圖4可知，不同擺動(dòng)幅度下焊縫和熔合區(qū)組織均由γ-奧氏體和δ-鐵素體組成，符合鐵素體-奧氏體凝固模式特征：熔池凝固初期，δ-鐵素體優(yōu)先析出，隨后部分轉(zhuǎn)變成γ-奧氏體，形成兩相混合組織[11-12]。當(dāng)擺動(dòng)幅度較低（2 mm）時(shí)，焊縫冷卻相對(duì)緩慢，δ-鐵素體相變相對(duì)充分，短小枝狀的殘留鐵素體之間形成粗大的奧氏體晶粒，γ-奧氏體含量較高；隨著擺動(dòng)幅度增加，由于δ-鐵素體相變受到抑制，δ-鐵素體含量增多，奧氏體含量減少且晶粒顯著細(xì)化。奧氏體晶粒顯著細(xì)化是因?yàn)殡S著擺動(dòng)幅度增大，焊縫熔寬增加，在焊接速度恒定條件下，焊縫冷卻速率增大，導(dǎo)致形核率增加[13]。當(dāng)擺動(dòng)幅度大于2 mm時(shí)，焊縫中未完全轉(zhuǎn)變的δ-鐵素體以骨架狀沿γ-奧氏體柱狀晶/等軸晶的晶界分布。相較于焊縫，熔合區(qū)奧氏體晶粒更細(xì)小，鐵素體含量更多，這是因?yàn)槿酆蠀^(qū)靠近母材，冷卻速率大于焊縫，δ-鐵素體擴(kuò)散受阻，呈條狀貫穿γ-奧氏體晶粒。隨著擺動(dòng)幅度增大，熔合區(qū)冷卻速率增大，晶粒細(xì)化明顯。
圖 4 不同擺動(dòng)幅度下接頭焊縫和熔合區(qū)的顯微組織
Figure 4. Microstructures of weld seam (a–c) and fusion zone (d–f) of joint under different swing amplitudes
2.3 顯微硬度
當(dāng)擺動(dòng)幅度為2，3，4 mm時(shí)，接頭焊縫的顯微硬度分別為154，159，163 HV；隨著擺動(dòng)幅度增加，焊縫顯微硬度提高。這是因?yàn)殡S著擺動(dòng)幅度增大，晶粒細(xì)化，晶界面積增大，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)，抵抗塑性變形能力提高，顯微硬度提升[14]；快速冷卻還會(huì)抑制δ-鐵素體向γ-奧氏體的相變，保留在組織中的δ-鐵素體含量增多，而δ-鐵素體層錯(cuò)能較高，因此硬度提高[15-16]。
2.4 耐腐蝕性能
由圖5可知，隨著擺動(dòng)幅度增大，接頭焊縫的容抗弧半徑減小，說(shuō)明焊縫的抗腐蝕能力減弱[17]。利用切線交點(diǎn)法對(duì)極化曲線進(jìn)行擬合，得到當(dāng)擺動(dòng)幅度為2，3，4 mm時(shí)，焊縫的自腐蝕電位分別為−102.1，−210.404，−211.648 mV，自腐蝕電流密度分別為0.795，2.825，1.117×103 nA·cm−2?？芍S著擺動(dòng)幅度增大，腐蝕速率加快，接頭焊縫的耐腐蝕性能減弱。擺動(dòng)幅度2 mm條件下焊縫中的奧氏體含量較高，而奧氏體組織具有較好的耐腐蝕性能[18]，因此該條件下焊縫耐腐蝕性能更優(yōu)。
圖 5 不同擺動(dòng)幅度下接頭焊縫的電化學(xué)阻抗譜和極化曲線
Figure 5. Electrochemical impedance spectroscopy (a) and polarization curves (b) of weld seam of joint under different swing amplitudes
3. 結(jié)論
（1）不同擺動(dòng)幅度（2，3，4 mm）下接頭焊縫組織主要為γ-奧氏體+δ-鐵素體。隨著擺動(dòng)幅度增加，γ相（111）晶面衍射峰強(qiáng)度降低，半高寬增加，δ相（110）晶面衍射峰強(qiáng)度增加，較大擺動(dòng)幅度（3，4 mm）下δ-鐵素體以骨架狀沿γ-奧氏體柱狀晶/等軸晶的晶界分布。
（2）隨著擺動(dòng)幅度增加，由于δ-鐵素體含量增加、γ-奧氏體含量減少且晶粒細(xì)化，接頭焊縫的顯微硬度提高，焊縫的自腐蝕電位減小，自腐蝕電流密度增大，耐腐蝕性能下降。
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