0 序 言
奥氏体不锈钢以其良好的综合性能在电站锅炉、石油炼化装置、压力容器、交通运输、航天航海等领域得到广泛应用[1]. 焊接过程中由于热输入不断增加，奥氏体晶粒极易粗化，对焊接接头组织及二次相析出产生非常大的影响，导致焊接接头韧性、耐腐蚀性能降低[1-2]. 在不同工程领域应用中，为了达到最优组合，奥氏体不锈钢与其它材料的焊接不可避免，众所周知，异种金属的冶金、物理、力学等性能差异较大，使得其焊接接头化学成分、显微组织、力学性能和耐腐蚀性能等不均匀，严重影响了焊接接头的质量[2-3].
焊接接头作为大型结构的关键部分往往成为最薄弱的区域，焊接工艺参数对焊接接头组织和性能有直接的影响. 目前，国内外对不锈钢异种钢焊接已开展了大量的研究工作，Torkamany等人[3]研究了低碳钢/奥氏体不锈钢激光点焊接头组织和性能. Yılmaz等人[4]采用药芯焊丝焊接方法对316L/AH36异种钢进行焊接，结果表明随CO2含量的增加，焊缝中δ铁素体含量下降，熔合区加宽，冲击韧性下降. Fatima等人[5]进行了SS304/A36异种钢等离子弧焊接，确定了最佳工艺参数. Murugan等人[6]对304不锈钢/低碳钢多道焊接温度场和残余应力分布进行了研究. 但对TP304/SS400异种钢焊接研究甚少，文中拟采用药芯焊丝焊(flux-cored arc welding，FCAW)、传统手工电弧焊 (shielded metal arc welding，SMAW)和 钨 极 氩弧 焊 (gas tungsten arc welding，GTAW)三种焊接工艺进行焊接，对比不同工艺焊接接头组织、性能及断裂模式，以期为制定合理的TP304/SS400异种钢焊接工艺提供理论与技术支持.
1 试验方法
试验材料为8 mm厚的TP304奥氏体不锈钢和SS400钢板，采用FCAW，SMAW和GTAW三种不同的焊接工艺对TP304/SS400异种钢进行焊接，填充材料分别选用规格为φ1.2 mm的E309LT-1药芯焊丝、φ2.5 mm的E309L-16焊条和φ2.4 mm的ER309焊丝，母材和填充材料的化学成分和力学性能如表1和表2所示.
施焊前对待焊区进行打磨，以去除表面氧化层，再用丙酮清洗油污，坡口设计尺寸如图1所示.
试验采用的FCAW焊二氧化碳气流量为25 L/min，GTAW焊氩气流量为15 L/min，多层多道焊工艺参数如表3所示. 先进行打底焊，再进行填充和盖面焊，为了保证接头组织和性能，焊接应当控制层厚不大于3 mm，层间温度不超过125 ℃，正面焊接完成后，反面清根，去除夹杂、氧化膜及气孔等，最后进行封底焊.
表1 母材及填充材料的主要化学成分(质量分数，%)
Table 1 Chemical compositions of base and filler metals
材料 C Si Mn Cr Ni P，S Fe TP304 0.029 0.49 1.1 18.43 9.10 ≤ 0.03 余量SS400 0.17 0.04 0.87 — — ≤ 0.01 余量E309LT-1 0.02 0.6 1.8 22.25 9.89 ≤ 0.025 余量E309L-16 0.02 0.66 1.6 23.12 13.24 ≤ 0.02 余量ER309 0.021 0.38 1.72 23.52 12.34 ≤ 0.023 余量
表2 母材力学性能
Table 2 Mechanical properties of base metal
材料 抗拉强度Rm/MPa 屈服强度ReL/MPa 断面收缩率Z(%)TP304 537 208 52 SS400 485 340 34
图1 坡口示意图(mm)
Fig. 1 Groove of dissimilar weld
焊接完成后，对焊接试样进行外观和X射线无损检测，确认合格后，沿垂直焊接方向切取试样进行试验. 金相试样打磨抛光后，经4% 的HNO3酒精溶液腐蚀处理，通过扫描电镜(SEM)观察各区域的组织. 拉伸和弯曲性能测试，分别依据国家标准GB/T2653—《焊接接头拉伸试验方法》和GB/T2653—《焊接接头弯曲试验方法》进行. 冲击试验依据国家标准GB/T2650—《焊接接头冲击试验方法》进行，试样尺寸为55 mm × 10 mm ×8 mm带V形缺口的非标准试样，三种焊接方法V形缺口都开在焊缝，试验温度为-46 ℃, 试验机的最大打击能量为296 J，保证试样底部光滑，无明显划痕. 显微硬度测试依据国家标准GB/T2654—《焊接接头硬度试验方法》，采用单点测定与标线测定结合的方式选取测试点，加载载荷1.96 N，持续时间为15 s，测试位置如图2所示.
表3 焊接工艺参数
Table 3 Welding parameters
焊接方法 焊接电流I/A 电弧电压U/V 焊接速度v/(cm·min-1) 焊接材料 焊材直径φ/mm FCAW 125 ～ 132 20 ～ 28 15 ～ 28 E309LT-1 1.2 SMAW 112 ～ 137 25 ～ 28 22 ～ 29 E309L-16 2.5 GTAW 118 ～ 190 12 ～ 20 6 ～ 18 ER309 2.4
图2 焊接接头显微硬度测试位置示意图
Fig. 2 Position of welded joint for micro-hardness test
2 试验结果与分析
2.1 金相组织
图3为TP304和SS400异种钢焊接母材组织.由图可见，TP304奥氏体不锈钢组织为单相奥氏体，晶粒尺寸较为均匀，少量奥氏体晶粒呈等轴晶状，部分区域存在孪晶且在基体上分布有一定量的夹杂或二次相. SS400钢组织为黑色珠光体和白色铁素体，晶粒细小，分布均匀，局部呈不明显的带状特征，TP304与SS400晶粒大小相近，有利于异种金属焊接.
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图3 焊接接头母材显微组织
Fig. 3 Microstructure of base metal
图4为FCAW，SMAW，GTAW三种不同焊接工艺下，TP304/SS400异种钢接头焊缝显微组织形貌. 图4a为FCAW焊缝组织形貌，整体上无明显方向一致的柱状晶特征，但局部呈窄小分散的小树枝晶状，δ铁素体呈细小蠕虫状分布在奥氏体基体上. 图4b为SMAW焊缝组织形貌，与图4a相比，焊缝右侧呈明显联生结晶形成的柱状晶，其组织为奥氏体基体上均匀分布细小骨骼状δ铁素体，向焊缝内部延伸，δ铁素体呈断续分散状. 与图4a和图4b相比，图4c的GTAW焊缝晶粒更加细小，δ铁素体成细针状分布在奥氏体基体上，且观察到少量析出相.
图4 焊缝显微组织
Fig. 4 Microstructure of weld metal
由此可见三种不同的焊接条件下，焊缝的组织都为δ + γ. 这是由于在快速冷却过程中，δ铁素体向奥氏体进行固态转变，部分富Cr贫Ni的δ铁素体晶核来不及转变，因此形成了δ铁素体和奥氏体双相组织[7]. Cr是铁素体形成元素，但在多层多道焊时过量δ铁素体的存在，易造成晶界附近区域贫Cr，并形成大量碳化物，降低了焊接接头的耐蚀性和韧性[8].
对比FCAW，SMAW和GTAW焊缝可以看出，δ铁素体形态由无方向性细小蠕虫状转变为骨骼状、针状，数量逐渐增加，晶粒有细化趋势，研究结果表明[8-9]，较慢的冷却速度促进δ铁素体向奥氏体转变，δ铁素体相数量少、形态多为呈骨骼状、树枝状或板条状.较快的冷却速度，增大了温度梯度，δ铁素体向奥氏体转变受阻，δ铁素体相数量较多，形态多为点状或细针状. 随着Creq/Nieq比值的增加，δ铁素体由骨骼状或板条状向细针状过渡. TP304和SS400异种钢接头在三种焊接工艺FCAW，SMAW和GTAW条件下焊缝的显微组织是Cr，Ni等合金元素的过渡、热输入、冷却速度综合作用的结果.
图5为FCAW，SMAW和GTAW三种不同的焊接工艺下，TP304奥氏体不锈钢一侧热影响区的显微组织. 图5a为FCAW焊接热影响区显微组织，组织都为单一奥氏体相，大部分晶粒呈等轴状，大晶粒间隔分布着少量细小晶粒. 图5b为SMAW焊热影响区显微组织，奥氏体晶粒显著长大，尺寸不一，在晶界分布有少量析出物，同时在晶内可观察到点状析出物，这是由于SMAW热输入较大，在多层多道焊条件下该区域经历多次焊接热循环，在高温停留时间较长导致的. 图5c为GTAW焊热影响区显微组织，奥氏体晶粒呈细小的等轴晶，分布均匀.
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图5 HAZ/TP304显微组织(TP304奥氏体不锈钢一侧)
Fig. 5 Microstructure of HAZ/TP304
图6为FCAW，SMAW和GTAW三种不同的焊接工艺下，SS400一侧热影响区显微组织形貌.图6a为FCAW焊接热影响区显微组织，晶粒较为细小，组织为铁素体、珠光体和具有位向的索氏体. 图6b为SMAW焊接热影响区显微组织形貌，晶粒粗大，分布不均，组织较为复杂，板条状铁素体沿晶界分布，其余铁素体呈不规则多边形状或针状聚集分布，当中可见大量的魏氏组织，其特征为铁素体沿奥氏体晶界析出并沿奥氏体晶粒内某惯习面向晶内生长，呈针状或层片状分布，有的甚至贯穿整个晶粒，粗大魏氏组织的出现增加焊接接头脆性，严重降低冲击韧性，其中可见少量的二次相. 图6c为GTAW焊接热影响区显微组织形貌，组织为粗大的板条铁素体、细针状铁素体、珠光体和少量贝氏体，对比三者热影响区组织，GTAW焊接的晶粒小于FCAW和SMAW焊接，FCAW和GTAW焊接组织的均匀性比SMAW的好.
背外侧前额叶损伤患者跨时选择能力的研究 … ……………………………… 代晨阳，马慧娟，胡盼盼，等 85
LIU Wen-bao, REN Dong-yan, TAO Feng, CHEN Guo-liang
图6 HAZ/SS400显微组织(SS400一侧)
Fig. 6 Microstructure of HAZ/SS400
2.2 力学性能
在FCAW，SMAW和GTAW三种焊接工艺条件下，焊接接头拉伸和弯曲试验结果如表4所示.
表4 焊接接头拉伸和弯曲性能
Table 4 Tensile and bend properties of welded joints
焊接试样 抗拉强度 背弯角度α2/(°)FCAW 431.5 SS400 180 180 SMAW 466.2 SS400 180 180 GTAW 503.7 SS400 180 180 Rm/MPa 断裂位置 正弯角度α1/(°)
从表4可以看出，在三种不同的焊接工艺下TP304/SS400异种金属焊接接头的拉伸断裂位置均在SS400母材区，说明异种金属焊接接头焊缝区和热影响区的强度均高于SS400母材强度.其中GTAW焊接试样的抗拉强度值最大为503.7 MPa，SMAW焊接试样的抗拉强度值次之为466.2 MPa，FCAW焊接试样的抗拉强度值最小为431.5 MPa，均大于母材抗拉强度下限. 弯曲性能测试表现优良，由此可见三种焊接工艺参数设定合理，焊接接头满足力学性能要求.
FCAW，SMAW和GTAW三种焊接工艺焊缝冲击性能试验结果如表5所示.
表5 焊缝冲击性能
Table 5 Impact toughness of welded metals
焊接试样冲击吸收能量AKV/J (-46 ℃)Test-1 Test-2 Test-3 均值FCAW 61.4 62.2 59.6 61.1 SMAW 37.8 35.3 40.2 37.8 GTAW 66.4 73.7 65.2 68.4
由表5可以看出，-46 ℃低温测试条件下，GTAW焊缝平均冲击吸收能量为68.4 J，冲击韧性最高，其次是FCAW焊缝，平均冲击吸收能量为61.1 J，SMAW焊缝冲击韧性最差，平均冲击吸收能量为37.8 J. GTAW焊缝组织δ铁素体呈针状，针状δ铁素体可显著提高焊缝的韧性. FCAW焊缝中δ铁素体为蠕虫状，整体呈分散小树枝晶，而SMAW焊缝中δ铁素体为连续骨骼状，整体呈柱状晶，因而FCAW焊缝冲击韧性好于SMAW焊缝.
图7为-46 ℃的FCAW，SMAW和GTAW三种焊接方法焊缝冲击断口微观形貌，对比发现三种不同焊接工艺条件下焊缝断裂模式差异较大.FCAW焊缝冲击断面不平，韧窝尺寸不一，边缘不清晰，分布不均，有大量孔洞，且在断面观察到少量河流花样，属于韧性断裂和脆性断裂的混合断裂模式. SMAW焊缝冲击断口属于准解理脆性断裂，局部有韧窝，河流状花样不明显，存在大量撕裂棱，是不同部位的解理小刻面以塑性方式撕裂形成.GTAW焊缝冲击断面平整，韧窝小且浅，分布密集均匀，少量韧窝底部存在细小的孔洞，同时可观察到点状夹杂或二次相，属于微孔聚集型断裂. 由此表明，冲击断口形貌与所测的冲击吸收能量是相吻合的.
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图7 焊接接头冲击断口形貌
Fig. 7 Impact fracture morphology of welded joints
2.3 接头显微硬度
图8为TP304/SS400异种钢焊接接头的显微硬度分布曲线，多层多道焊接时，不同焊层和同焊层不同位置，金属元素分布不均匀，显微组织存在差异导致焊接接头硬度分布不均.
焊缝显微硬度值GTAW焊接最大，SMAW焊接次之，FCAW焊接最小，这主要是由于GTAW焊缝中含有大量细针状δ铁素体，且连续而密集的分布于奥氏体基体上，并有少量析出相，使得显微硬度显著提高[9]. 而三种焊接工艺焊缝打底层和填充层的硬度值要明显高于盖面层，这与后次多道热循环使得组织晶粒细化有关.
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图8 焊接接头显微硬度
Fig. 8 Micro-hardness of welded joints
三种焊接工艺下，焊接接头TP304一侧HAZ区显微硬度值过渡平稳，这主要是因为TP304和填充材料都属于奥氏体不锈钢，化学成分差异小，合金元素分布均匀. SS400一侧母材和填充材料属于异种钢焊接，HAZ区硬度变化趋势较为复杂，硬度值由大到小依次为SMAW，GTAW，FCAW，SMAW焊接HAZ区高硬度与碳迁移、碳化物和脆硬魏氏体形成有直接关系[10].
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三种焊接工艺条件下，TP304母材硬度都高于SS400母材. SMAW焊接接头硬度从TP304母材开始波动，到焊缝区下降，在SS400一侧HAZ有明显升高，最大值为232.7 HV，随后又快速降低.GTAW焊接接头硬度从TP304母材增加，在焊缝区达到峰值251.3 HV，之后逐步下降. FCAW焊接接头硬度从母材TP304逐步递减至SS400. 整体上焊接接头硬度值变化不大，性能较为稳定.
3 结 论
(1) 三种焊接工艺条件下，TP304/SS400异种钢焊缝组织都为δ + γ，但δ铁素体分布形态不同，TP304侧HAZ区组织为单一奥氏体，SS400侧HAZ区组织差异较大.
(2) 拉伸试验断裂位置均为SS400，抗拉强度都大于母材抗拉强度下限，拉伸和弯曲性能符合要求.
(3) GTAW低温韧性最佳，焊缝冲击断口为韧窝状韧性断裂，FCAW韧性次之，属于韧/脆混合断裂，SMAW属于准解理脆性断裂，冲击吸收能量最小.
(4) 整个接头显微硬度分布不均匀，三种焊接工艺条件下，TP304母材硬度都高于SS400母材，焊缝硬度由大到小依次为GTAW，SMAW，FCAW，TP304侧 HAZ区硬度值过渡平稳，而 SS400侧HAZ区硬度值由大到小依次为SMAW，GTAW，FCAW，三种焊接工艺条件下，焊接接头整体上硬度值变化不大.
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