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,鐵素體體積分數增加,接頭各區域的硬度均有提高,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,此時焊縫的成形質量較好,鐵素體體積分數為7.4%,硬度較高,抗拉強度最大,為 640MPa,拉伸斷口呈現韌性斷裂特征。 

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 醫療等行業的焊接結構中[1]。與常規熔化焊相比, 電子束焊接具有熱影響區小、對母材熱損傷小、接頭 強度高且焊縫狹窄、變形量小等優點,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,所以焊接時易出現熱開裂 現象[2-3];為了避免熱裂紋的產生,304不銹鋼的焊 接大多采用電弧填充焊,通過優化焊材的成分,使焊 縫在凝固過程中產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,主要依賴調整焊接工藝參數 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(質量分數/%)為 0.04C,11.5Ni,18.2Cr,1.8Mn,0.6Si,0.02雜質,余 Fe。焊前,先用400# 和600# 砂紙對待焊區及附近 區域進行打磨處理,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,經打磨、拋 光,用50mLHCl+10mLHNO3+100mLH2O+ 10gFeCl3 溶液腐蝕40s后,在VHK-600K型數碼 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,測試區域為焊縫橫截面中心位置向上1mm 處,測量時放大倍數為500倍,視場數不低于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 中出現未焊透現象,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 面出現凹陷現象,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,當熱源離 開時,熔池仍未穩定,導致焊縫上表面出現凹陷現 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 晶粒呈現等軸樹枝晶的特征,其兩側為柱狀晶結構。 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,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 溶質濃度的提升,成分過冷度不斷變大,結晶形態依 次從平面晶向胞狀晶、胞狀樹枝晶和樹枝晶轉變,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在4%~12%范圍 內。研究[8]表明,奧氏體不銹鋼焊縫中,鐵素體體積 分數最優在5%左右。鐵素體的出現一方面可以限 制磷、硫等雜質元素的偏聚,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:接頭焊縫區硬度高于母材區,從熔 合線到焊縫中心,硬度先降低再升高,在焊縫中心區 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、硬度以及更優異的塑性和韌性,這是 因為細晶粒受到外力而發生的塑性變形可分散在更 多的晶粒內進行,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域晶粒更細小,因此焊縫 中心區域的硬度更高。 

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 增大呈現先增大后減小的趨勢。斷裂均發生在母材區,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;真空環境可為焊接過程提 供極為優異的保護作用,能夠避免出現合金燒損、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,接頭出現未焊透缺陷,當焊接速度為 30mm·s-1時,接頭焊縫的成形質量較好。焊縫的 顯微組織主要由兩側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)焊接接頭焊縫區的硬度高于母材區,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。 

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