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      采用脈沖鎢極氬弧焊(P-TIG)對規(guī)格為?14mm×2mm的0Cr18Ni9鋼管進行焊接，研究50%脈寬比以及不同基值電流(20~30A)、峰值電流(40~60A)、脈沖頻率(0.3，0.5Hz)下接頭的組織及拉伸性能。結(jié)果表明：不同工藝參數(shù)下接頭焊縫區(qū)組織均為奧氏體+δ鐵素體，但δ鐵素體形態(tài)及含量有明顯差異，熱影響區(qū)奧氏體晶粒發(fā)生明顯粗化。當脈沖基值電流為20A，峰值電流為40A，脈沖頻率為0.3Hz時，接頭焊縫區(qū)δ鐵素體呈蠕蟲狀，含量較多，熱影響區(qū)奧氏體晶粒尺寸較小，接頭拉伸性能最優(yōu)，屈服強度為401.38MPa，抗拉強度為701.51MPa，屈強比為0.57，斷口由形狀均勻且尺寸較小的等軸韌窩組成。

1試樣制備與試驗方法

      母材為0Cr18Ni9鋼小徑薄壁EH 油管，室溫抗拉強度不低于520MPa，屈服強度不低于205MPa，斷后伸長率不低于40%，焊絲選擇直徑為1.6mm的ER308L焊絲。焊前將鋼管對接口內(nèi)外兩側(cè)各20mm區(qū)域打磨出金屬光澤，并用酒精去除油脂、鐵銹等污物。采用焊接電源進行方波脈沖TIG，采用直流正接，焊接電壓為12V，在前期研究基礎(chǔ)上選取的脈沖工藝參數(shù)見表1。焊接過程的電弧保護及背部保護氣體均采用氬氣。

表1 P-TIG 脈沖工藝參數(shù)

      在焊接接頭處切取金相試樣，經(jīng)研磨、拋光，用氯化鐵、鹽酸和蒸餾水配制的溶液腐蝕后，利用倒置光學(xué)顯微鏡(OM)觀察接頭焊縫區(qū)及熱影響區(qū)的組織，并利用ImageJ軟件測量焊縫區(qū)δ鐵素體含量及熱影響區(qū)中奧氏體晶粒平均尺寸。根據(jù)GB/T 2651—2008，采用整管拉伸試樣，按照GB/T 228—2016進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為1mm·min-1，每組脈沖工藝取3個平行試樣，計算平均值，用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察拉伸斷口形貌。

2試驗結(jié)果與討論

2.1顯微組織

圖1 不同脈沖工藝下接頭焊縫區(qū)的顯微組織

      由圖1可以看出，3種脈沖工藝下接頭焊縫區(qū)的組織均為奧氏體+δ鐵素體組織。根據(jù)ER308L焊絲成分計算得到，鉻當量與鎳當量之比為1.76，此時在熔池冷卻過程中，鐵素體先從熔池內(nèi)析出后經(jīng)固態(tài)相變轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，來不及轉(zhuǎn)變的鐵素體呈蠕蟲狀、骨骼狀、板條狀及類板條狀殘留在奧氏體基體中。1#工藝下焊縫區(qū)δ鐵素體呈蠕蟲狀分布在奧氏體晶界及晶內(nèi)，統(tǒng)計得到δ鐵素體面積分數(shù)為18.677%；2#工藝下焊縫區(qū)δ鐵素體呈骨骼狀分布在奧氏體晶界及晶內(nèi)，分布雜亂，無明顯方向性，δ鐵素體面積分數(shù)為16.907%；3#工藝下焊縫區(qū)δ鐵素體呈骨骼狀分布在奧氏體晶界及晶內(nèi)，但其枝晶尺寸較小，面積分數(shù)為17.680%。在δ鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的固態(tài)相變過程中，在熔池冷卻速率及化學(xué)成分偏析的影響下，鐵素體形成元素富集嚴重的δ鐵素體枝晶中心部分以蠕蟲狀保留至室溫，而整個枝晶則以骨骼狀保留至室溫。與1#工藝相比，2#工藝和3#工藝的脈沖平均電流較大，焊接熱輸入較大，熔池冷卻速率較小，從而保證了δ鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，室溫組織中的殘留鐵素體含量較少。2#工藝與3#工藝相比，一個脈沖周期內(nèi)脈沖時間相差較小且脈沖平均電流相近，熔池冷卻速率主要由脈沖峰值電流決定，3#工藝的脈沖峰值電流較小，熔池冷卻速率較大，δ鐵素體沒有充分時間轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，因此室溫組織中的殘留鐵素體含量較多。

圖2 母材及不同脈沖工藝下接頭熱影響區(qū)的顯微組織

     母材及不同脈沖工藝下接頭熱影響區(qū)的顯微組織如圖2所示，統(tǒng)計得到，0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼母材的奧氏體晶粒平均尺寸為58.43μm，1#工藝、2#工藝與3#工藝下接頭熱影響區(qū)中奧氏體晶粒平均尺寸分別為87.62，96.17，92.7μm，可見P-TIG接頭熱影響區(qū)奧氏體晶粒發(fā)生明顯粗化。靠近焊縫一側(cè)熔合線附近的δ鐵素體呈柱狀晶向焊縫中心生長。

2.2拉伸性能

表2 不同脈沖工藝下接頭的拉伸性能及斷裂位置

     由表2可以看出:1#工藝下接頭的拉伸性能最優(yōu)，屈服強度為401.38MPa，抗拉強度為701.51MPa，屈強比為0.57。1#工藝下接頭熱影響區(qū)奧氏體晶粒平均尺寸較小，根據(jù)Hall-Petch公式，材料的強度與晶粒尺寸呈反比關(guān)系，且晶粒尺寸越小，晶界越多，位錯在滑移過程中越容易在晶界處產(chǎn)生位錯堆積，從而提高材料的強度及塑性。由于3組工藝下接頭焊縫區(qū)奧氏體晶界或晶內(nèi)存在δ鐵素體組織，可以抑制含磷、硫等有害雜質(zhì)的低熔點共晶相在晶界析出，且δ鐵素體在奧氏體不銹鋼焊縫中屬于強化相，在拉伸過程中能夠阻礙位錯的滑移，從而提高焊縫的強度，且3組接頭熱影響區(qū)奧氏體晶粒存在明顯的粗化現(xiàn)象，因此3組工藝下接頭拉伸試樣均在熱影響區(qū)或母材處斷裂。

圖3 不同脈沖工藝下接頭拉伸斷口形貌

     由圖3可以看出，3組工藝下接頭拉伸斷口均由韌窩組成，這是材料經(jīng)過塑性變形后，在斷口處產(chǎn)生的顯微空洞經(jīng)形核、長大后相互連接形成的。因此，3組工藝下接頭的斷裂形式均為典型的韌性斷裂。1#工藝下接頭拉伸斷口韌窩為等軸韌窩，形狀均勻且尺寸較小。2#工藝與3#工藝下接頭拉伸斷口韌窩粗大，且深度淺，大韌窩附近存在少量的小韌窩。因此，工藝1下接頭的拉伸性能最優(yōu)。

3結(jié) 論

     (1) 采用脈沖鎢極氬弧焊對薄壁0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼管進行焊接，3組脈沖工藝下接頭焊縫區(qū)組織均為奧氏體+δ鐵素體；當脈沖頻率及脈寬比一定時，隨著脈沖平均電流的增加，δ鐵素體從蠕蟲狀轉(zhuǎn)變?yōu)楣趋罓?，?delta;鐵素體含量減小；在相同水平的脈沖平均電流及脈寬比下，隨脈沖峰值電流由60A減小到50A，骨骼狀δ鐵素體尺寸變小、含量增加。接頭熱影響區(qū)奧氏體晶粒發(fā)生明顯粗化。

     (2) 不同脈沖工藝下接頭拉伸時均在熱影響區(qū)或母材處發(fā)生韌性斷裂。接頭的屈服強度及抗拉強度均大于母材強度下限值，且當基值電流為20A，峰值電流為40A，脈沖頻率為0.3Hz，脈寬比為50%時，接頭的屈服強度及抗拉強度最高，分別為401.38，701.51MPa，屈強比為0.57，拉伸性能最優(yōu)，拉伸斷口中的韌窩為等軸韌窩，形狀均勻且尺寸較小。

引用本文：

李寧，劉少龍，丁雪松，等.不同工藝參數(shù)下0Cr18Ni9鋼薄壁管脈沖鎢極氬弧焊接頭的組織與拉伸性能[J].機械工程材料，2022，46（2）：58-62.