双钨极不锈钢与低合金钢异种金属焊缝组织性能

方迪生　高永光　刘万存　李志杰

摘要：采用双钨极高效焊接方法在低合金钢表面堆焊不锈钢，详细分析焊缝稀释率、微观组织、异种金属过渡区Ⅱ型边界、马氏体带等现象，并检测了堆焊层化学成分、硬度、冲击、晶间腐蚀等性能。结果表明，随着热输入的增加，双钨极焊缝稀释率增加，微观组织晶粒尺寸增大，Ⅱ型边界迁移距离更远，马氏体带局部变长。当双钨极热输入控制在一定程度时，其硬度、化学、冲击、晶间腐蚀等焊缝性能与单钨极接近;但当双钨极热输入过高时，双钨极焊缝硬度、冲击等性能明显恶化。

关键词：双钨极;不锈钢堆焊;组织与性能

中图分类号：TG444+.74文献标志码：A文章编号：1001-2303（2020）03-0086-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.16

0 前言

核反应堆压力容器是核电厂全寿命运行中不可更换的核心设备。在其制造过程中，堆焊周期占整体生产周期1/3以上。目前堆焊方法主要有带极堆焊、钨极氩弧焊和焊工电弧焊。带极堆焊熔敷效率高，但焊接质量易出现隐患;手工电弧焊自动化程度低，且焊接质量不稳定;氩弧焊焊接质量最好，但焊接效率低，限制了其工程化应用。

与单钨极焊接工艺相比，双钨极焊接焊缝成形与质量佳，焊接速度和熔敷效率明显提高[1]，应用于产品制造可大大提升生产效率，降低生产成本和能源消耗。本文详细研究双钨极不锈钢堆焊焊缝组织与性能，对双钨极工程化应用具有重要的实际意义。

1 原理与方法

双钨极氩弧焊工作原理如图1所示，系统有两台焊接电源，分别对焊枪中两根彼此绝缘的钨极供电，两根钨极与母材产生独立电弧，因电磁力而形成耦合电弧。双钨极电弧具有电弧压力小、焊缝熔深浅、深宽比小等特点[2]。

试验采用φ4 mm钨极，磨削角度30°，双钨极之间夹角30°，尖端距离控制在2 mm左右。母材为SA-508 Gr.3试板，尺寸300 mm×300 mm×50 mm。焊材采用φ1.2 mm实心焊丝，首层堆焊ER309L，其余层堆焊ER308L。保护气体采用99.999%高纯氩气。采用双钨极堆焊Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三组不同热输入焊缝，另外采用单钨极堆焊一组焊缝作为对比，焊接参数如表1所示。首层堆焊完成后，部分焊缝切取横截面试样，经研磨、抛光和腐蚀后，获取焊缝熔深、余高、稀释率等数据。其余焊缝继续堆焊，作为金相、化学、冲击、硬度、腐蚀等检测取样。

2 试验结果与讨论

2.1 焊缝成形与稀释率

焊缝宏观形貌如图2所示。可以看出，单钨极、双钨极①和双钨极②均获得了良好的焊缝成形，且无可见缺陷。而双钨极③因热输入过大，焊缝出现明显流淌现象，焊缝成形较差。根据首层焊缝横截面，获得单钨极、双钨极①、双钨极②、双钨极③焊缝熔深分别为0.83 mm、0.86 mm、0.86 mm、1.02 mm，稀释率分别为23.7%、18.4%、20.7%、31.25%，首层焊缝厚度分别为2.48 mm、2.57 mm、3.85 mm、3.90 mm。与单钨极相比，双钨极热输入较低时，稀释率更低。

2.2 堆焊层微观组织

2.2.1 首层焊缝微观组织

金相试样经砂纸研磨、抛光后，采用王水电解腐蚀，利用光学显微镜直接观察，首层焊缝微观组织如图3所示。4种焊缝均为典型的先析出铁素体与奥氏体混合组织，奥氏体呈柱状，铁素体分布在奥氏体晶界上。双钨极与单钨极焊缝组织区别并不明显，只有双钨极②和双钨极③在热输入增大后晶粒尺寸明显增大。首层焊缝与第二层焊缝过渡区如图4所示。可以看出，首层焊缝与第二层焊缝微观组织形貌无太大差别，均由奥氏体与铁素体组成，但第二层焊缝晶粒尺寸小于首层焊缝。其主要原因是首层堆焊时采取了预热措施，延长了焊缝冷却时间，焊缝晶粒长大时间延长。

2.2.2 首层焊缝Ⅱ型边界[3]

单钨极焊缝和双钨极焊缝中均发现了近似平行于熔合线的Ⅱ型边界，如图5所示。

单钨极焊缝如图5a所示，Ⅱ型边界的跨度相对较小。双钨极焊缝如图5b～5d所示，Ⅱ型边界跨度超过了图片显示范围。此外，随着双钨极热输入的增加，Ⅱ型边界离熔合线越远。这是因为热输入增加使得焊缝热影响区微观组织奥氏体化停留时间延长，Ⅱ型边界迁移时间延长。

2.2.3 首层焊缝马氏体带

金相试样经打磨、抛光，采用4%硝酸酒精腐蚀后可观察到明显区别于熔敷区和热影响区的灰色带，它包括单相马氏体区以及马氏体与其他组织混合区[4-5]，统称为马氏体带。单钨极和双钨极①马氏体带如图6所示。图6a和6b分别为马氏体带整体形貌，包含相对较宽的马氏体带（B区、C区）和较窄的马氏体带（A区），A区为焊缝中普遍情况，B、C区是由化学元素局部浓度变化造成的。对比单钨极与双钨极焊缝发现，双钨极马氏体带宽度有所增加（C区对比B区）。根据微观硬度测定值，二者最高硬度相差不大。但双钨极①熔敷金属硬度由266.9 HV过渡到马氏体硬度441.2 HV相对较缓，而单钨极马氏体带硬度变化较陡。

图7a、7b分别为双钨极②和双钨极③马氏体带情况，图7c、7d为马氏体带相对较宽区域，图7e、 7f为马氏体带较窄区域。由图可知，双钨极②与双钨极①焊缝马氏体带情况基本相同。但当双钨极③热输入过大时，焊缝马氏体带宽度和长度均减小，其原因可能是元素扩散时间延长。

2.3 焊缝性能

2.3.1 化学成分和铁素体含量

采用直讀光谱仪和氧氮氢分析仪，根据GB/T 223对距离母材熔合线0.5～2 mm堆焊焊缝（首层焊缝）进行化学检测。光谱仪分析采用块状试样，氧氮氢分析采用屑状试样。化学检测结果如表2所示。

采用德朗图法计算Ni、Cr当量，获得铁素体含量。单钨极、双钨极①、双钨极②、双钨极③铁素体含量分别为9.1%、7.7%、8.1%、4.5%。单钨极、双钨极①、双钨极②焊缝相近，但双钨极③焊缝铁素体含量明显下降，其原因可能是热输入过高导致焊缝中σ相析出。

2.3.2 硬度分布

采用维氏硬度仪由熔合线下方5 mm处至熔合线上方6 mm处每隔0.5 mm进行硬度测试。试验力为98 N，保持时间为12 s，测试结果如图8所示。单钨极、双钨极①、双钨极②硬度分布和大小均较为接近。但双钨极③焊缝熔化区硬度有所降低，熱影响区硬度明显增大。其原因是双钨极③热输入过大，熔敷金属奥氏体组织粗大，而热影响区碳化物析出增多。

2.3.3 冲击韧性

根据GB/T 2650-2008进行冲击性能试验，试样尺寸10 mm×10 mm×55 mm。试验在常温下进行，单钨极、双钨极①、双钨极②平均冲击吸收功分别为158 J、157.3 J、157.7 J，较为接近，但双钨极③冲击吸收功为141.3 J，相比明显下降。主要原因可能是随着热输入的增加，不锈钢焊缝有害相σ相析出，焊缝脆性增加。

2.3.4 晶间腐蚀

按照GB/T 4334-2008 E法进行晶间腐蚀，试样尺寸3 mm×10 mm×70 mm，焊态。经腐蚀后进行弯曲试验，然后放大10倍进行观察，结果表明，单钨极、双钨极焊缝均未发现晶间腐蚀裂纹及倾向。

3 结论

（1）双钨极氩弧焊可获得宏观成形良好、无可见缺陷的焊缝，与单钨极相比，双钨极焊接速度提高1.8倍，同时熔敷效率提高2.5倍以上。

（2）随着焊接热输入的增加，双钨极焊缝晶粒尺寸增大，Ⅱ型边界和马氏体带情况变差。但在热输入较小的情况下，二者相差不大。

（3）在热输入控制在一定范围内时，双钨极与单钨极焊缝硬度、冲击、晶间腐蚀等性能接近。

参考文献：

[1] 王树宝. 双钨极氩弧焊物理特性及工艺研究[D]. 黑龙江：哈尔滨工业大学，2006.

[2]    顾学亮. 双钨极氩弧焊电弧物理及工艺特性研究[D]. 黑龙江：哈尔滨工业大学，2007.

[3] Nelson T W，Lippold J C，Mills M J. Investigation of boundaries and structures in dissimilar metal welds. Science and technology of welding and joining. 1998，3（5）：248-255.

[4] John C.Lippold，Damian，J.Kotecki. 不锈钢焊接冶金学及焊接性[M]. 陈剑虹，译.  北京： 机械工业出版社，2008：1113.

[5] Pan C，Wang R，Gui J，et al. Direct TEM observation of microstructures ofthe austenitic/carbon steels welded joint[J].Journal of materials science，1990（25）：3281-3285.