王 紅，張 博，任 鶴，胡 冰，梁 盈

（1.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869；2.沈陽(yáng)中辰鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141；3.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)核電泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869）

對(duì)于某些航天試驗(yàn)工況來(lái)講，可以達(dá)到-196℃，在此溫度條件下，對(duì)焊接接頭的低溫沖擊性能是一個(gè)考驗(yàn)。304L不銹鋼因?yàn)槠涞吞肌⒏咩t鎳等優(yōu)點(diǎn)，已有大量數(shù)據(jù)表明可以使用在-196℃，需要合理的焊接工藝滿足304L不銹鋼低溫沖擊性能要求。傳統(tǒng)的手工電弧焊方法雖可獲得質(zhì)量較好的焊接接頭，但焊接效率較低，不適用于大型部件的焊接工作。藥芯焊絲氣體保護(hù)焊接（FCAW）因?yàn)槠涮厥獾暮附颖Ｗo(hù)機(jī)制，焊縫的綜合力學(xué)性能好[1]，特別是對(duì)于苛刻的焊接條件下，有利于保證焊接接頭的性能，且其焊接效率較高，焊接成型良好。本課題以304L不銹鋼為研究對(duì)象，選用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊接，E308LT1-4焊絲，保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2，選取三組不同的焊接線能量進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)拉伸、低溫沖擊試驗(yàn)及金相組織觀察等手段分析304L不銹鋼低溫工況焊接接頭低溫性能與組織。

1 試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)選用的母材為超低碳奧氏體不銹鋼304L鍛件，滿足標(biāo)準(zhǔn)NB/T47010-2017，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1。焊接材料為不銹鋼藥芯焊絲E308LT1-4，滿足AWS A5.22 E308LT1-4標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)格ф1.2mm，其化學(xué)成分見表2。

2 焊接及熱處理工藝

本試驗(yàn)選用的焊接試板尺寸為500X300X40mm3，采用水平位置焊接，60°X型坡口，鈍邊2mm。試板拼接示意圖見圖1。

圖1 試板拼接示意圖

由于304L不銹鋼是奧氏體不銹鋼，綜合的可焊接性良好，在施焊時(shí)不需預(yù)熱，但需要嚴(yán)格控制層間溫度，本次試驗(yàn)嚴(yán)格控制焊接層間溫度小于150℃。本試驗(yàn)的焊接方法為藥芯焊絲熔化極氣體保護(hù)焊，保護(hù)氣體為混合氣體，其比例為80%Ar+20%CO2。為了保證304L不銹鋼的低溫焊接接頭性能，應(yīng)該采用合理的線能量，以保證焊接冷卻過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生粗大的組織，進(jìn)而影響焊接接頭的力學(xué)性能[2]。本試驗(yàn)所選的三組線能量分別為12.2 kJ/cm、16.1kJ/cm、22.1 kJ/cm。具體工藝參數(shù)見表3試驗(yàn)焊接工藝參數(shù)表。

表3 試驗(yàn)焊接工藝參數(shù)

表1 304L不銹鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能

表2 E308LT1-4焊絲的化學(xué)成分(w%)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)于采用藥芯焊絲的焊接過(guò)程而言，因?yàn)楸Ｗo(hù)藥芯自身受潮等問(wèn)題，可能在焊接過(guò)程中產(chǎn)生氣孔等缺陷。本次試驗(yàn)為了避免氣孔等焊接缺陷對(duì)焊接接頭力學(xué)性能測(cè)試產(chǎn)生的影響，在焊后對(duì)焊接試板進(jìn)行了X射線檢測(cè)，符合NB/T47013，I級(jí)合格。然后從焊接接頭的拉伸、沖擊性能及焊縫組織等方面進(jìn)行分析。

3.1 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

不同線能量下304L不銹鋼焊接接頭的抗拉強(qiáng)度見表4，由表4中數(shù)據(jù)可得，在本課題所選用焊接工藝范圍內(nèi)，三組拉伸試樣的性能試驗(yàn)結(jié)果均大于母材的使用要求。當(dāng)線能量為12.2 kJ/cm時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度平均值達(dá)到643MPa；當(dāng)線能量為16.1 kJ/cm時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度平均值達(dá)到650MPa；當(dāng)線能量為22.1 kJ/cm時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度平均值達(dá)到630MPa?？梢婋S著線能量的增大，焊接接頭的拉伸強(qiáng)度先升高再下降，這是因?yàn)殡S著線能量的增加，焊接接頭冷卻速度降低，組織粗大，從而降低了焊接接頭的拉伸強(qiáng)度。

表4 不同線能量下304L不銹鋼焊接接頭拉伸力學(xué)性能

不同線能量下304L不銹鋼焊接接頭的沖擊性能見表5，由表5可見，試驗(yàn)所選用的三組線能量下的焊接接頭在-196℃低溫沖擊性能均大于標(biāo)準(zhǔn)值31J。但當(dāng)線能量為16.1 kJ/cm時(shí)，焊接接頭的沖擊性能最好，其焊縫中心沖擊功平均值達(dá)到41J，熱影響區(qū)沖擊功平均值達(dá)到51J。而當(dāng)線能量為22.1 kJ/cm時(shí)，焊縫的沖擊性能有明顯下降，焊縫中心沖擊功平均值為31J，熱影響區(qū)沖擊功平均值達(dá)到37J。當(dāng)線能量增大時(shí)，焊絲中的合金元素會(huì)有燒損，不利于焊縫的性能。因此對(duì)于304L不銹鋼焊接而言，選擇適當(dāng)小的焊接線能量對(duì)焊接接頭的低溫沖擊性能是有益處的。

表5 不同線能量下304L不銹鋼焊接接頭沖擊力學(xué)性能

3.2 焊接接頭組織分析

圖2 （a）、(b)、(c)分別為不同線能量下焊縫的金相組織。由圖2（a）可以看出，焊縫的組織為奧氏體加上鐵素體，鐵素體局部成網(wǎng)格狀和樹枝狀。晶粒整體均勻細(xì)小，各晶粒間的角度無(wú)明顯的差異，基本是朝一個(gè)方向生長(zhǎng)。由圖2（b）可以看出，組織為奧氏體+少量鐵素體，晶粒較圖2（a）更加的均勻細(xì)小，顯現(xiàn)出等軸晶生長(zhǎng)方式，晶粒間角度較為一致，方向較為統(tǒng)一不雜亂?？梢?，在此線能量下，有利于獲得較好的金相組織。由圖2（c）可以看出，組織為奧氏體+少量鐵素體，但晶粒較圖2（b）有明顯的粗大，這是由于焊接線能量增大造成的。但焊縫整體組織較為均勻，基本超一個(gè)方向生長(zhǎng)，這與焊接操作過(guò)程中采用直道焊接，減小擺動(dòng)有關(guān)。

圖2 304L不銹鋼焊縫的金相組織

4 結(jié)論

（1）在試驗(yàn)所選范圍內(nèi)，304L不銹鋼采用FCAW方法，E308LT1-4焊絲，當(dāng)線能量為16.1kJ/cm時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度最好，-196℃沖擊功最好，焊接接頭的力學(xué)性能滿足母材要求。

（2）304L不銹鋼焊縫焊縫組織為奧氏體+少量樹枝狀鐵素體。當(dāng)線能量為16.1kJ/cm時(shí)，焊縫組織均勻細(xì)小。當(dāng)線能量為22.1kJ/cm時(shí)，焊縫組織明顯粗大。