楊 濤¹,袁夢揚¹,簡海林¹,李 東²

(1.國核電站運行服務技術有限公司,上海200233;2.上海工程技術大學材料工程學院,上海201620)

摘 要:在加速電壓為120kV、聚焦電流為2460mA、焊接電流為12mA條件下,采用真空電 子束對3mm厚304不銹鋼板進行焊接,研究了焊接速度(10~40mm·s-1)對接頭顯微組織和力 學性能的影響。結果表明:焊縫的顯微組織主要由兩側(cè)的柱狀晶及中心的等軸晶組成;隨著焊接速 度的增大,焊縫晶粒尺寸減小,鐵素體體積分數(shù)增加,接頭各區(qū)域的硬度均有提高,抗拉強度先增大 后減小,拉伸后接頭均在母材處斷裂。試驗條件下真空電子束焊接304不銹鋼的最佳焊接速度為 30mm·s-1,此時焊縫的成形質(zhì)量較好,鐵素體體積分數(shù)為7.4%,硬度較高,抗拉強度最大,為 640MPa,拉伸斷口呈現(xiàn)韌性斷裂特征。

關鍵詞:304不銹鋼;真空電子束焊;焊接速度;鐵素體含量;拉伸性能

中圖分類號:TG456.3 文獻標志碼:A 文章編號:1000-3738(2021)12-0031-05

0 引 言

304奧氏體不銹鋼具有較好的耐腐蝕和耐高溫 性能、較高的強度、良好的韌性,以及優(yōu)異的可加工 性等,廣泛應用在汽車、化工、核電、建筑裝飾及食品 醫(yī)療等行業(yè)的焊接結構中[1]。與常規(guī)熔化焊相比, 電子束焊接具有熱影響區(qū)小、對母材熱損傷小、接頭 強度高且焊縫狹窄、變形量小等優(yōu)點,在304不銹鋼 精密零件的連接上具有廣闊的應用前景。304不銹 鋼的室溫顯微組織是奧氏體,在熔體凝固時奧氏體 結晶界面相對比較平直,所以焊接時易出現(xiàn)熱開裂 現(xiàn)象[2-3];為了避免熱裂紋的產(chǎn)生,304不銹鋼的焊 接大多采用電弧填充焊,通過優(yōu)化焊材的成分,使焊 縫在凝固過程中產(chǎn)生部分鐵素體來打破平直的結晶界面。然而,激光、電子束等高能束焊接為自熔焊 接,無法進行焊材填充,主要依賴調(diào)整焊接工藝參數(shù) 來降低熱裂紋傾向[4]。目前,學者對304不銹鋼電 子束焊接的研究主要集中在焊縫宏觀形貌的優(yōu)化、 熔池行為及異種合金焊接等方面[5-8],有關焊接速度 對顯微組織和力學性能影響方面的研究相對較少, 尤其是焊接速度對焊縫中鐵素體含量影響的研究更 少[9-10]。為此,作者通過在不同焊接速度下對304 不銹鋼進行真空電子束焊接,研究了焊接速度對焊 接接頭顯微組織和力學性能的影響,為電子束焊接 在304不銹鋼結構制造中的應用提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

焊接母材為尺寸150mm×200mm×3mm的 304不銹鋼熱軋板,其實測抗拉強度為640MPa,屈 服強度為272MPa,主要化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為 0.04C,11.5Ni,18.2Cr,1.8Mn,0.6Si,0.02雜質(zhì),余 Fe。焊前,先用400# 和600# 砂紙對待焊區(qū)及附近 區(qū)域進行打磨處理,以去除表面的氧化膜,然后采用 無水乙醇超聲清洗,吹干后放置在烘箱中于150℃ 烘干2h。焊接設備為ProBeamK110型電子束焊 機,將處理好的待焊板材安裝在焊接平臺上,抽真 空,真空度不大于500Pa,加速電壓為120kV,聚焦 電流為2460mA,焊接電流為12mA,焊接速度為 10,20,30,40mm·s-1。 焊后在焊接接頭處截取金相試樣,經(jīng)打磨、拋 光,用50mLHCl+10mLHNO3+100mLH2O+ 10gFeCl3 溶液腐蝕40s后,在VHK-600K型數(shù)碼 光學顯微鏡上觀察焊縫橫截面形貌、顯微組織,并按 照GB/T1954—2008采用金相法測定鐵素體體積 分數(shù),測試區(qū)域為焊縫橫截面中心位置向上1mm 處,測量時放大倍數(shù)為500倍,視場數(shù)不低于12個。 采用 HXD-1000TMC/LCD型顯微硬度計測焊縫橫 截面的顯微硬度,載荷為1.96N,保載時間為20s, 測試間距為0.1mm。在焊接接頭處以焊縫為中心 垂直于焊接方向截取拉伸試樣,承載截面尺寸為 6mm×3mm,標距為30 mm,按照 GB/T228— 2002采用 AG-IC型材料萬能試驗機進行室溫拉伸 試驗,拉伸速度為1 mm·min-1,采用 HitachiS3400N型掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 對宏觀形貌和顯微組織的影響

由圖1可以看出:當焊接速度為10,20mm·s-1 時,304不銹鋼電子束焊接頭焊縫表面存在少量飛 濺;隨著焊接速度的增大,焊縫寬度變窄,邊緣趨于 平直,表面魚鱗紋曲率變大。不同焊接速度下所有 焊縫表面均成形良好,無表面裂紋、氣孔等缺陷。

由圖2可知:當焊接速度為10mm·s-1時,焊縫 的截面積最大,隨著焊接速度的增大,焊縫正面和背 面熔寬均減小;當焊接速度為40mm·s-1時,試樣 中出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象,這是由于在焊接電流和電壓一 定條件下,隨焊接速度的增大,焊接熱輸入減小而造 成的。當焊接速度為10,20mm·s-1時,焊縫上表 面出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象,這是因為當焊接速度過慢時,焊接 熱輸入過大,引起熔池表面金屬劇烈蒸發(fā),當熱源離 開時,熔池仍未穩(wěn)定,導致焊縫上表面出現(xiàn)凹陷現(xiàn) 象。綜上可知,使焊接接頭獲得良好成形形貌的最 佳焊接速度為30mm·s-1。由圖3可知;熔合線處 存在一層細小的柱狀晶;焊縫區(qū)域存在垂直于熔合線 方向并指向熔池中心的樹枝晶,樹枝晶間分布著細小 的等軸晶和柱狀晶。在焊接過程中晶粒先在熔合線 上形核,然后朝著與散熱相反的方向生長。隨著焊接 速度增大,熔合線附近柱狀晶晶胞的尺寸變小,且枝 晶間的黑色析出物增多,使晶界和亞晶界變得曲折, 這可有效地抑制熱裂紋的萌生和擴展[11]。

由圖4可以看出,不同焊接速度下焊縫中心的 晶粒呈現(xiàn)等軸樹枝晶的特征,其兩側(cè)為柱狀晶結構。 在焊接熔池的不同位置,不同的溫度梯度和結晶速 率造成了不同的成分過冷度,從而形成不同的結晶 形態(tài),使得焊縫不同位置具有不同的結晶組織。從 焊接熔池邊緣到中心的結晶過程中,隨著固/液界面 前沿液相中溫度梯度的降低、結晶速率的加快以及 溶質(zhì)濃度的提升,成分過冷度不斷變大,結晶形態(tài)依 次從平面晶向胞狀晶、胞狀樹枝晶和樹枝晶轉(zhuǎn)變,最 終在熔池中心形成少量等軸晶[12]。隨著焊接速度 的增大,焊縫中心結晶速率提高,導致焊縫中心晶粒 越來越細小。

2.2 對鐵素體含量的影響

由圖5可以看出,隨著焊接速度的增大,焊接接 頭焊縫中鐵素體含量增加,且均在 GB/T1954— 2008中要求的鐵素體體積分數(shù)在4%~12%范圍 內(nèi)。研究[8]表明,奧氏體不銹鋼焊縫中,鐵素體體積 分數(shù)最優(yōu)在5%左右。鐵素體的出現(xiàn)一方面可以限 制磷、硫等雜質(zhì)元素的偏聚,另一方面可以使晶界變 得凹凸不平而改變晶界的浸潤性,從而有效降低焊 縫的熱裂紋敏感性。但是,在奧氏體不銹鋼中,過高 的鐵素體含量會造成焊縫塑性及韌性的降低[13];鐵 素體含量的變化還可對不銹鋼的孔蝕和應力腐蝕開 裂產(chǎn)生影響,但對晶間腐蝕的影響不大[14]。理論 上,鐵素體的含量與鉻元素含量有關;增大電流、降 低焊接速度都可導致焊縫鐵素體含量降低。這是因 為電流的增大或焊接速度的下降都會增大焊接熱輸 入,造成熔池溫度升高,導致焊縫中強鐵素體元素鉻的燒損,使得鐵素體含量降低[11,15]。隨著焊接速度 的增大,焊接熱輸入降低,鉻元素的燒損程度降低, 因此鐵素體含量增加。

2.3 對硬度的影響

由圖6可知:接頭焊縫區(qū)硬度高于母材區(qū),從熔 合線到焊縫中心,硬度先降低再升高,在焊縫中心區(qū) 域達到峰值;隨著焊接速度的增大,接頭相同位置處 的硬度略有升高,這是因為隨著焊接速度的增大,組 織中的鐵素體含量增加,而鐵素體可以在一定程度 上提高奧氏體不銹鋼的強度,表現(xiàn)為焊縫顯微硬度 的略微提高。常溫下,細晶粒金屬比粗晶粒金屬具 有更高的強度、硬度以及更優(yōu)異的塑性和韌性,這是 因為細晶粒受到外力而發(fā)生的塑性變形可分散在更 多的晶粒內(nèi)進行,塑性變形較均勻,應力集中較小; 同時晶粒越細小,晶界面積越大,晶界越曲折,越不 利于裂紋擴展[11,15]。焊縫中心存在一些細小的等 軸晶,相比較于焊縫其他區(qū)域晶粒更細小,因此焊縫 中心區(qū)域的硬度更高。

2.4 對拉伸性能的影響

由圖7(a)可以看出,不同焊接速度下,焊接接 頭的抗拉強度在550~640MPa之間,隨焊接速度 增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。斷裂均發(fā)生在母材區(qū),這說明焊縫的強度大于母材,也說明采用電子束 焊接304不銹鋼時具有較好的工藝相容性。其中, 焊接速度為30mm·s-1所對應的接頭抗拉強度最 大,達640MPa,其斷口上分布著大小不一的韌窩及 撕裂棱,如圖7(b)所示,呈現(xiàn)典型的韌性斷裂特征, 表明焊縫金屬具有較好的塑性。電子束焊接具有極 高的能量密度,可以降低焊接熱輸入,細化焊縫晶 粒,提高焊接接頭的強度;真空環(huán)境可為焊接過程提 供極為優(yōu)異的保護作用,能夠避免出現(xiàn)合金燒損、氣 孔夾雜等缺陷;狹窄的焊縫寬度極大地降低了焊接 接頭的殘余應力[11,15],從而可以提高焊接接頭的抗 拉強度。

3 結 論

(1)當電子束焊接304不銹鋼的焊接速度為 10,20mm·s-1時,焊縫表面凹陷,當焊接速度為 40mm·s-1時,接頭出現(xiàn)未焊透缺陷,當焊接速度為 30mm·s-1時,接頭焊縫的成形質(zhì)量較好。焊縫的 顯微組織主要由兩側(cè)的柱狀晶及中心的等軸晶組 成,隨著焊接速度的增大,焊縫晶粒尺寸減小,焊縫 中鐵素體含量增加。

(2)焊接接頭焊縫區(qū)的硬度高于母材區(qū),且從熔合線到焊縫中心,硬度先降低再升高;隨著焊接速 度的增加,焊縫的硬度略微升高。隨著焊接速度的 增加,焊接接頭的抗拉強度先增大后減小,且焊接接 頭拉伸時均在母材區(qū)斷裂,當焊接速度為30mm· s-1時,接頭的抗拉強度最大,為640MPa,斷裂方式 為韌性斷裂。試驗條件下電子束焊接304不銹鋼的 最佳焊接速度為30mm·s-1。

參考文獻:

[1] 汽車零部件編輯部.奧托昆普看好中國汽車用不銹鋼市場前景 [J].汽車零部件,2015(6):7-8. Editorial Department of Automobile Parts. Outokumpu optimisticabouttheforegroundinautousingstainlesssteel marketinChina[J].AutomobileParts,2015(6):7-8.

[2] ZHANGL,LUO K Y,LUJZ,etal.Effectsoflasershock processing with different shocked paths on mechanical propertiesoflaserweldedANSI304stainlesssteeljoint[J]. MaterialsScienceandEngineering:A,2011,528(13/14):4652- 4657.

[3] 王慧.304不銹鋼激光焊接接頭形貌與組織性能研究[D].武 漢:武漢理工大學,2015. WANGH.Studyonmorphology,microstructureandproperty oflaserwelded304stainlesssteeljoints[D].Wuhan:Wuhan UniversityofTechnology,2015.

[4] 李正文,高向東,李秀忠.激光焊接不銹鋼技術[J].焊接,2016 (11):61-66. LIZW,GAOXD,LIXZ.Laserweldingofstainlesssteel[J]. Welding&Joining,2016(11):61-66.

[5] 蔡宏中,易健宏,吳霏,等.鉑基合金與 GH3128合金電子束焊 接接頭組織與性能研究[J].貴金屬,2018,39(增刊1):32-35. CAIHZ,YIJH,WUF,etal.Microstructureandpropertiesof electron beam weldedjointsofplatinum based alloy and GH3128alloy[J].PreciousMetals,2018,39(S1):32-35.

[6] 黃以平,李少林,劉海浪,等.外加磁場對電子束焊接成形性能 的影響[J].機械工程材料,2021,45(4):35-39. HUANG Y P,LIS L,LIU H L,etal.Effectofapplied magneticfield on electron beam weldingformability[J]. MaterialsforMechanicalEngineering,2021,45(4):35-39.

[7] 王厚勤,張秉剛,王廷,等.電子束定點焊接304不銹鋼熔池流 動行為數(shù)值模擬[J].焊接學報,2016,37(3):57-61. WANG H Q,ZHANG B G,WANG T,etal.Numerical simulationofmoltenpoolflowbehaviorinstationaryelectron beamweldingof304stainlesssteel[J].Transactionsofthe ChinaWeldingInstitution,2016,37(3):57-61.

[8] 李寧,王剛,王廷,等.Inconel718鎳基合金與304不銹鋼電子 束焊接[J].焊接學報,2019,40(2):82-85. LIN,WANG G,WANG T,etal.WeldabilityofInconel718 and304 stainless steel by electron beam welding [J]. TransactionsoftheChinaWeldingInstitution,2019,40(2):82- 85.

[9] 何德孚,曹志樑,周志江,等.德國 FeritscopeMP-30E磁測儀 用于測定雙相不銹鋼焊管焊縫金屬鐵素體含量的性能評述 [J].鋼管,2009,38(4):59-65. HE D F,CAO Z L,ZHOU Z J,et al.Evaluation on performanceofGermany-madeferitscope MP-30E magnetic determinatorforferritecontentin weld metalofduplex stainlesssteelweldpipe[J].SteelPipe,2009,38(4):59-65.

[10] 王冰瑤.GH4169鎳基高溫合金 MIG焊接頭組織與性能研究 [D].南京:南京航空航天大學,2018. WANGB Y.Researchon microstructureandpropertiesof MIGweldedjointsforGH4169nickel-basedsuperalloy[D]. Nanjing:NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics, 2018.

[11] KOU S. Welding metallurgy [M ]. Hoboken: WlileyInterscience,2002

[12] KSHIRSAGAR R,JONES S,LAWRENCE J,et al. Measurementofferritecontentofstainlesssteelsheetwelds usinganewferritedensitynumberscale[J].Journalof MaterialsProcessingTechnology,2019,274:116278.

[13] 張仁軍,朱洪軍,管曉光,等.鐵素體對奧氏體不銹鋼性能的影 響[J].機械工程師,2013(6):41-42. ZHANGRJ,ZHU HJ,GUANG X G,etalTheeffectof ferriteontheperformanceofausteniticstainlesssteel[J] MechanicalEngineer,2013(6):41-42.

[14] 李方亮,程尚華,邵珠晶,等.工藝參數(shù)對304L不銹鋼GTAW 熔覆金屬中鐵素體含量的影響[J].焊接,2020(3):24-28. LIFL,CHENGSH,SHAOZJ,etal.Influenceofprocess parametersonferritecontentin GTAW cladding metalof 304Lstainlesssteel[J].Welding&Joining,2020(3):24-28.

[15] LIPPOLDJC,KOTECKIDJ.Welding metallurgyand weldability of stainless steels [M ]. Hoboken: John Wiley&SonsInc.,2005.

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-機械工程材料>45卷>12期(pp:31-35)）