焊接工艺对SUS444铁素体不锈钢焊接接头组织和力学性能的影响

设计了三种焊接工艺焊接ＳＵＳ４４４铁素体不锈钢，通过金相、弯曲、拉伸和冲击等方法研究了其焊接接头的微观组织和力学性能。结果表明：三种焊接工艺都能得到抗弯性能和抗拉性能较好的焊接接头，采用线能量小于１０ｋＪ／ｃｍ两道次焊接的热影响区最窄，晶粒尺寸最小，常温冲击功最高，冲击断口为韧窝断口；填充奥氏体不锈钢焊丝可以保证焊缝具有足够的韧性，不填焊丝焊缝冲击功只有１０Ｊ，呈现脆性断裂形貌。

铁素体不锈钢具有优异的耐应力腐蚀、耐点蚀和耐缝隙腐蚀能力，特别是在氯化物环境中，且不含镍，价格为奥氏体不锈钢的４０％～５０％。但是，铁素体不锈钢在冶金学上存在着固有的缺陷，极易出现脆化问题，当铁素体不锈钢受焊接热循环影响时，焊接接头的力学性能会严重下降，特别是熔合区和高温区的晶粒会严重长大，韧性更差，所以研究铁素体不锈钢焊接的焊接工艺性显得尤为重要。本文的思路是通过设计三种不同的焊接工艺分别施焊，分析对比其焊接接头组织和力学性能，研究铁素体不锈钢焊接工艺特点，期望能为ＳＵＳ４４４铁素体不锈钢工程焊接应用提供依据。

1试验材料及方法

焊接母材是采用真空冶炼生产的ＳＵＳ４４４铁素体不锈钢，热轧至６ｍｍ厚，然后退火水冷至室温，主要化学成分（％，质量分数）：Ｃ≤０．０１，Ｎ≤０．０１，１８．２Ｃｒ，２．０Ｍｏ，０．２Ｎｂ，０．３０Ｓｉ，０．２０Ｍｎ，Ｐ≤０．００９，Ｓ≤０．００３，Ｆｅ余量；屈服强度约为３１０ＭＰａ，抗拉强度约为４３０ＭＰａ，伸长率约为３５％。采用三种焊接工艺（见表１）焊接，焊接方法分别为钨极氩气保护焊（ＴＩＧ）、熔化极气体保护焊（ＭＩＧ）和等离子弧焊（ＰＡＷ），保护气体选用纯氩气。试验板尺寸均为２００ｍｍ×３００ｍｍ×６ｍｍ，Ａ和Ｂ的坡口形式为双边６０°Ｖ型坡口，打底焊接时预留１ｍｍ间距；Ｃ不开缺口，采用双边Ｉ型平板对接方式。用线切割方法在焊接区域截取试样，加工成弯曲试样、拉伸试样和冲击试样。弯曲试样尺寸为２０ｍｍ×８０ｍｍ×４ｍｍ；拉伸试样标准为ＪＩＳ１３Ｂ；冲击试样尺寸为５５ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍ，开Ｖ型缺口，焊缝和热影响区冲击试样的开缺口位置分别是焊缝中心及熔合线外１ｍｍ处。

沿焊缝横截面截取金相试样，经研磨并抛光后用三氯化铁溶液腐蚀，在金相显微镜下观察焊接接头微观组织，并测量晶粒直径尺寸。在弯曲和拉伸试验上测试并评价焊接接头抗弯性能和抗拉性能，用摆锤式冲击试验机打断冲击试样评价焊缝和焊接热影响区的韧性，冲击试验温度为２０℃，并用扫描电镜观察冲击断口形貌。

2实验结果及分析

2.1焊接接头金相组织

试验母材为单铌稳定化中铬铁素体不锈钢，组织为全铁素体组织，在焊接过程中没有相变。图１为焊接接头热影响区金相组织。可看出，３种焊接热影响区都有不同程度的长大，其中Ａ晶粒长大最为严重，经晶粒度测量发现晶粒直径为４５０μｍ，热影响区宽度在１．０～１．２ｍｍ之间；Ｂ晶粒直径约３００μｍ左右，热影响区宽度小于０．８ｍｍ；Ｃ晶粒直径为４００μｍ，而且有部分晶粒异常长大到６００μｍ左右，热影响区宽度也最大，超过２．０ｍｍ。由图２（ｄ）可知，Ｃ焊缝区域母材经高温熔化，然后冷却过程形成沿垂直熔合线方向生长的尺寸很大的柱状晶凝固组织，这种组织往往成为焊接接头性能最为薄弱的部分。试验结果表明，Ｂ焊接工艺可以得到最为理想的接头组织，本文中试验板厚为６ｍｍ，采用两道小于１０ｋＪ／ｃｍ的线能量焊接，可以降低高温热影响区铁素体晶粒的长大倾向，当采用超过２０ｋＪ／ｃｍ的热输入单道次施焊时，热影响区晶粒明显长大，过热区域也最宽。

2.2焊接接头力学性能

拉伸试验结果均断于母材；横弯试验结果，弯曲位置为热影响区，弯曲１８０°以上焊接区域都没有出现裂纹，说明焊接后接头仍据具有良好的延性。表明三种焊接工艺都能保证焊接接头具有较好的抗弯性能和抗拉性能。表２为三种焊接工艺焊接接头冲击性能。可看出，Ａ焊丝为ＥＲ３０８Ｌ，焊缝冲击功７４Ｊ；Ｂ熔敷金属为ＥＲ３１６Ｌ，焊缝冲击性能最好，常温冲击功为１２０Ｊ；Ｃ没有填丝，焊缝冲击功只有１０Ｊ，这跟其焊缝组织晶粒尺寸有关；Ｂ热影响区冲击性能高，常温冲击功为９２Ｊ，Ａ和Ｃ的焊接热影响区冲击功基本一致，都超过６０Ｊ，但明显低于Ｂ。

图２为冲击断口的微观形貌。可看出，Ｃ焊缝断口呈现出典型的脆性解理断裂特征，解理的小刻面尺寸与铁素体晶粒大小相当，同时解理面上分布着碳氮化铌等析出物，而这些析出物会强烈阻碍位错的运动，引起应力集中，导致解理裂纹在析出物附近形核，然后延解理面扩展直至断裂，同时解理面上的析出物会进一步削弱裂纹扩展的阻力；Ｂ焊接热影响区断口呈现出典型韧性断裂特征，韧窝很多且深，表现出很好的韧性，这跟试验结果完全吻合。

综上表明：焊接铁素体不锈钢厚板时为了保证焊缝具有足够的韧性，应采用填充奥氏体不锈钢焊丝的焊接方法，用焊丝ＥＲ３１６Ｌ填充的焊缝韧性优于焊丝ＥＲ３０８Ｌ；铁素体不锈钢焊接时为了不使焊接热影响区的韧性过度地下降，应尽量采用小的焊接线能量。有些学者研究了厚３ｍｍ高纯１８Ｃｒ２Ｍｏ铁素体不锈钢的焊接工艺，认为热输入应控制在３．０～４．５ｋＪ／ｃｍ之间才能够有效防止或减弱接头的脆化。本文认为试验板厚为６ｍｍ时，在保证焊透的情况下，宜采用小于１０ｋＪ／ｃｍ的热输入，分两道施焊，焊接热影响区的韧性最好，当线能量超过１０ｋＪ／ｃｍ时，不论是单道或两道施焊，焊接热影响区的韧性都差于前者。

3结论

（１）ＳＵＳ４４４铁素体不锈钢平板对接焊时，为防止熔合区附近高温热影响区的晶粒过分长大，宜采用多道次小热输入的焊接方法，其两道次的焊接热输入都小于１０ｋＪ／ｃｍ。

（２）三种焊接工艺都可以得到拉伸性能和弯曲性能较好的焊接接头。采用ＥＲ３０８Ｌ或ＥＲ３１６Ｌ等奥氏体不锈钢焊丝作为熔敷金属可以保证焊缝的韧性，其中ＥＲ３１６Ｌ优于ＥＲ３０８Ｌ，不填焊丝的焊缝韧性最差。三种焊接工艺焊接接头热影响区的常温冲击功都高于６０Ｊ，但两道次小于１０ｋＪ／ｃｍ施焊的焊接热影响区的冲击韧性最好，冲击断口呈现韧窝断口形貌。