TIG焊熱輸入對316LN奧氏體不銹鋼 焊接接頭性能的影響

屈超雄 余小兵 鄧廷宇 胡名星 梁天勤

(二重(德陽)重型裝備有限公司,四川 德陽 618000)

316LN是在標準300系列316L不銹鋼中,加入質量分數0.10%～0.16%氮的一種低碳、控氮型奧氏體不銹鋼。氮在很多金屬材料中被視為雜質成分存在,但作為強力的固溶強化元素,僅加入質量分數0.15%的氮就能顯著增加奧氏體不銹鋼的強度,低溫時氮在奧氏體不銹鋼中的強化效應更加顯著[1]。因此,316LN在很多低溫、高強結構中使用,如核電主管道[2]、核聚變反應堆磁體系統[3]。但在低溫、重載的復雜受力條件下,也對316LN焊接接頭超低溫環境中的強度、韌性有較高的要求,如超導聚變堆設計要求磁體支撐結構金屬在液氮溫度下夏比沖擊吸收能量平均不低于85 J,單個不得低于70 J[4]。

在超低溫應用場合中,為獲得更高的316LN焊接接頭強度、韌塑性性能,一般會采用熔池保護效果更好的TIG焊。但相較于手工電弧焊、埋弧焊等焊接方法,TIG焊存在焊接效率低的缺點。本文通過TIG焊熱輸入參數對比試驗,研究不同熱輸入參數對焊接接頭性能的影響,在保證316LN焊接接頭強度與韌塑性性能的情況下,合理提升焊接熱輸入,提高TIG熔覆焊接效率。

1 試驗材料

1.1 焊接母材

焊接試驗母材為316LN不銹鋼鍛件,母材化學成分要求如表1所示。試板尺寸30 mm×200 mm×350 mm,加工制備成2 mm鈍邊階梯狀U型單面對接坡口,如圖1所示。

圖1 試板坡口型式

表1 母材化學成分要求(質量分數,%)

母材微觀組織為純奧氏體組織,呈典型的鍛件板塊狀結構,如圖2所示。

圖2 母材微觀組織

1.2 焊接材料

不銹鋼的焊接材料主要有藥芯焊條、埋弧焊絲和焊劑、實芯焊絲以及藥芯焊絲。選擇以TIG焊進行焊接時,選用的焊材型式一般為實芯焊絲和藥芯焊絲。藥芯焊絲屬于渣氣聯合保護,焊縫保護效果較好,但焊后焊縫正、背面均需要清渣,在實際焊接過程中遇到坡口較深的焊縫時,焊渣很難清理干凈,如超導聚變堆設計要求磁體支撐結構中就有許多焊縫深度超過100 mm的深坡口。另外,正常焊接過程中,藥芯焊絲熔渣陷落于熔池中而成為非金屬夾雜物的機會較少,但藥芯反應過程中熔池內部因冶金反應形成的氧化物、硫化物等顆粒,不同于熔渣,因其本身理化特性及浮出條件的差別,有的能夠順利排出至熔渣中,有的未能及時排出而成為焊縫金屬中的夾雜物。這些焊縫“內生”夾雜物,如SiO2、Al2O3等氧化物夾雜在組織中相對尺寸大,并且質地堅硬,在破壞性試驗過程中極易產生應力集中成為裂紋源,進而降低沖擊韌性[5]。綜合分析,采用實芯焊絲進行焊接,并初步選擇ER317L實芯焊絲作為焊接材料,其焊絲檢測化學成分如表2所示。

表2 焊絲化學成分(質量分數,%)

316LN屬于奧氏體不銹鋼,選取合適焊接材料進行焊接時,焊縫金屬組織一般以奧氏體組織為主。但受焊接熔池化學成分及凝固方式的影響,也會出現δ鐵素體殘留。在進行破壞性試驗時,在沖擊載荷的作用下,應力容易在δ鐵素體與奧氏體的界面處集中并導致裂紋萌生[6]。因此,為最大程度提高焊縫金屬低溫韌性性能,期望焊縫金屬鐵素體含量盡可能低,或全部為奧氏體組織。

按焊絲檢測化學成分,計算所選焊絲Nieq、Creq：

Nieq=Ni+30C+(N-0.045)×30+0.87=25.37

Creq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb=23.825

根據Espy修改的Schaeffler相組分圖進行分析[1],焊縫金屬應為100%奧氏體組織,符合預期要求,確認選擇ER317L作為試驗焊接材料。

2 試驗方法與參數

2.1 試驗方法

300系列奧氏體不銹鋼具有優良的焊接性,幾乎所有熔焊方法和部分壓焊方法都獲得良好的焊接接頭,從經濟、技術性等方面考慮,常用的有手工電弧焊、氬弧焊、氣體保護焊、埋弧焊、等離子弧焊以及激光焊等。但從焊接性上考慮,TIG焊接過程穩定,總體焊接熱輸入較低,氬氣保護焊接熔池,使被焊金屬及焊材中的合金元素不易燒損,更適合高性能要求不銹鋼的焊接。

手工TIG焊時,由于手工TIG焊槍套筒結構尺寸所限,為保證良好的電弧可達性,一般需要對接狀態60°以上坡口角度,并且手工TIG焊接時焊接速度不穩定,影響焊接熱輸入量的確定。因此,試驗采用窄間隙自動TIG進行焊接,不僅可以精確控制焊接參數,較小窄間隙坡口開口度,配合設備保護罩等結構,還能對熔池產生更佳的熔池保護效果。

2.2 試驗參數及過程要求

焊前采用環保碳氫清洗劑處理坡口及兩側50 mm區域范圍,充分去除焊接區域油污、雜質,并使用壓縮空氣吹掃清理。試板無間隙裝配對接,預設5 mm焊接反變形,剛性工裝固定試板,并按表3參數,采用SNC-PC600窄間隙熱絲TIG焊機,分別焊接3塊對比試驗試板。

表3 焊接試驗參數

表3中采用較低的電流、電壓對3塊對比試板進行打底焊接,并使用不同的過程參數對試板坡口進行填充、蓋面,分別完成最大熱輸入1.5 kJ/mm、2.0 kJ/mm、2.8 kJ/mm對比組試板焊接,設置適當的電流脈沖,配合窄間隙自動焊鎢極擺動,確保焊縫側邊融合。焊縫背面采用無鐵基不銹鋼砂輪片打磨清根,并封底焊接。焊接全過程控制層間溫度≤150℃,逐層清理焊縫層間雜質。

2.3 焊后處理

有研究表明焊態和760℃熱處理條件下,316LN焊接接頭性能均展現良好的理化性能,焊后熱處理雖然不會對焊接接頭強度性能產生顯著影響,但對焊接接頭進行焊后熱處理可以改善接頭的應力狀態,降低焊接接頭內部的殘余應力,從而對提高焊接接頭塑性性能與接頭沖擊韌性有幫助[7]。但700～900℃時,奧氏體不銹鋼極易沿晶界快速析出碳化物,若熱處理過程溫度參數控制不佳,在該溫度區間停留時間過長,在晶界析出的碳化物將導致晶間腐蝕。

為在降低焊接接頭殘余應力的情況下,減小焊后熱處理帶來的風險,決定在常溫狀態下,采用振動時效對試板進行焊后處理,振動時效峰值頻率80 Hz、轉速5000 r/min。利用振動時效時共振條件下對金屬構件施加的循環動應力作用,在構件高殘應力區,激振應力與構件中的殘余應力疊加,使晶體發生微觀位錯變形[8],從而實現降低焊接接頭殘余應力的目的。

2.4 試件取樣

A、B、C三塊試板焊接完成后,分別在焊態條件下制作焊縫金屬的夏比V型沖擊試樣,在焊縫中心位置隨機取樣三處,試樣垂直于焊縫,缺口開在焊縫中心。制作焊縫金屬的拉伸試樣,試樣和焊縫垂直,試樣上的焊縫應位于試樣的中心處,每塊試板取樣一處。制作焊縫金屬的彎曲試樣,試樣和焊縫垂直,試樣上的焊縫應位于試樣的中心處,每塊試板取樣一處。制作高倍組織試樣,垂直于焊縫取樣,并覆蓋焊縫熔覆金屬和焊縫兩側的熱影響區。

3 試驗結果及分析

3.1 沖擊試驗結果

從試板A、B、C的焊縫、熱影響區、母材分別取樣,制作沖擊試樣,采用微機控制電液伺服萬能試驗機,進行77 K沖擊試驗,試驗結果對比情況如表4。

表4 77 K沖擊試驗結果

根據試驗結果,試板A、B、C母材呈現良好的沖擊韌性性能,77 K沖擊吸收能量均在380 J以上,典型值在385～395 J之間,3件試板母材沖擊韌性性能基本接近。隨著焊接熱輸入的增加,試板A、B、C焊縫及焊縫熱影響區77 K沖擊吸收能量總體呈下降趨勢,但焊縫沖擊吸收能量平均值相差僅5 J,且焊接熱輸入最低的試板A與焊接熱輸入最高的試板C,均存在最低103 J試驗沖擊值。因此,試驗熱輸入區間范圍,雖然焊接接頭沖擊韌性性能總體呈下降趨勢,但差異不大。

3.2 力學性能試驗結果

制備的拉伸及彎曲試樣,在室溫下進行試驗,試驗結果對比情況如表5所示。

表5 室溫拉伸及彎曲試驗結果

3種不同焊接熱輸入試板室溫拉伸性能均高于GB/T 24511—2017中對應材料強度、斷后伸長率要求值,焊接接頭室溫塑性性能良好,彎曲試驗均未見有裂紋產生。3件試板室溫拉伸試驗數據接近,雖然高熱輸入量的試驗組強度及韌性性能略高于低熱輸入的試驗組,但未超出一般情況下母材組織、化學成分、檢驗檢測等因素波動差異導致的偏差。

3.3 微觀組織

3種不同焊接熱輸入試板的焊縫微觀組織如圖3所示,同時采用MP-30鐵素體測量儀通過磁性法檢測焊縫金屬鐵素體情況如表6所示。

(a)試板A熔合區 (b)試板A焊縫 (c)試板B熔合區

表6 焊縫鐵素體檢測結果

由圖3可見,試件A、B、C焊接接頭母材、熱影響區及焊縫均為典型奧氏體組織。

試件熔合區金相組織方面,試件A、B、C金相照片中可清晰分辨焊縫與母材邊界,對比其中熱影響區母材與圖2母材組織晶粒,3種試驗熱輸入條件均未導致明顯的母材熱影響區晶粒組織過大。

試件焊縫區金相組織方面,試件A、B、C焊縫區微觀組織呈現清晰的奧氏體胞狀晶和枝晶組織,是典型的焊縫熔池奧氏體模式凝固時形成的組織形態,微觀金相組織中均未見明顯的鐵素體,與焊接材料選擇時預測的焊縫金屬組織一致。但采用MP-30鐵素體測量儀通過磁性法仍可檢測出少量鐵素體,按Schaeffler相組分圖計算分析,雖然推測焊縫金屬組織為全奧氏體組織,但焊縫金屬Creq偏高,靠近鐵素體組織生成相圖區域,推測凝固時Cr、Mo等鐵素體形成元素在胞狀晶和枝晶邊界偏析,造成局部化學成分不均,產生少量鐵素體。因此,焊縫區微觀組織為近乎純奧氏體組織,并以胞狀晶、柱狀晶為主,為焊縫金屬提供了韌塑性保障,并且試件A、B、C焊縫區微觀組織晶粒、形態接近,與焊縫接頭力學性能、沖擊吸收能量數值接近的試驗結果相印證。

4 結論

(1)在熱輸入1.5～2.8 kJ/mm時,焊縫金屬77 K低溫沖擊總體下降,但下降幅度小,窄間隙自動TIG焊在該熱輸入范圍內對焊縫低溫韌性性能影響較小。

(2)熱輸入1.5～2.8 kJ/mm范圍窄間隙自動TIG焊,焊縫及熱影響區組織基本一致,未出現焊接熱輸入增加后焊縫及熱影響區晶粒粗大現象,能夠滿足低溫條件下高韌性組織條件。

(3)2.8 kJ/mm焊接熱輸入下仍可獲得與1.5 kJ/mm熱輸入類似的77 K低溫韌性、常溫力學性能,因此合適的范圍內,可以通過提高熱輸入參數提高316LN材料TIG焊生產能效。