不同工艺参数下0Cr18Ni9钢薄壁管脉冲钨极氩弧焊接头的组织与拉伸性能

李宁，刘少龙，丁雪松， 等.不同工艺参数下0Cr18Ni9钢薄壁管脉冲钨极氩弧焊接头的组织与拉伸性能[J].机械工程材料，2022，46（2）：58-62.

Li N , Liu S L, Ding X S, et al. Microstructures and Tensile Properties of 0Cr18Ni9 Steel Thin-Wall Tube Welded Joints by P-TIG Under Different Process Parameters, 2022, 46（2）: 58-62.

采用脉冲钨极氩弧焊(P-TIG)对规格为?14mm×2mm的0Cr18Ni9钢管进行焊接， 研究50%脉宽比以及不同基值电流(20~30A)、峰值电流(40~60A)、脉冲频率(0.3，0.5Hz)下接头的组织及拉伸性能。结果表明：不同工艺参数下接头焊缝区组织均为奥氏体+δ铁素体，但δ铁素体形态及含量有明显差异，热影响区奥氏体晶粒发生明显粗化。当脉冲基值电流为20A，峰值电流为40A，脉冲频率为0.3Hz时，接头焊缝区δ铁素体呈蠕虫状，含量较多，热影响区奥氏体晶粒尺寸较小，接头拉伸性能最优，屈服强度为401.38MPa，抗拉强度为701.51MPa，屈强比为0.57，断口由形状均匀且尺寸较小的等轴韧窝组成。

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试样制备与试验方法

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母材为0Cr18Ni9钢小径薄壁EH 油管， 室温抗拉强度不低于520MPa，屈服强度不低于205MPa，断后伸长率不低于40%，焊丝选择直径为1.6mm的ER308L焊丝。焊前将钢管对接口内外两侧各20mm区域打磨出金属光泽，并用酒精去除油脂、铁锈等污物。采用焊接电源进行方波脉冲TIG，采用直流正接，焊接电压为12V，在前期研究基础上选取的脉冲工艺参数见表1。焊接过程的电弧保护及背部保护气体均采用氩气。

表1 P-TIG 脉冲工艺参数

在焊接接头处切取金相试样，经研磨、抛光，用 氯化铁、盐酸和蒸馏水配制的溶液腐蚀后，利用倒置光学显微镜(OM)观察接头焊缝区及热影响区的组织，并利用ImageJ软件测量焊缝区δ铁素体含量及热影响区中奥氏体晶粒平均尺寸。根据GB/T 2651—2008，采用整管拉伸试样，按照GB/T 228—2016进行室温拉伸试验，拉伸速度为1mm·min -1 ，每组脉冲工艺取3个 平行试样，计算平均值，用扫描电子显微镜(SEM)观察拉伸断口形貌。

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试验结果与讨论

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2.1

显微组织

图1 不同脉冲工艺下接头焊缝区的显微组织

由图1可以看出，3种脉冲工艺下接头焊缝区 的组织均为奥氏体+δ铁素体组织。根据ER308L焊丝成分计算得到，铬当量与镍当量之比为1.76，此时在熔池冷却过程中，铁素体先从熔池内析出后经固态相变转变为奥氏体，来不及转变的铁素体呈蠕虫状、骨骼状、板条状及类板条状残留在奥氏体基体中。1 # 工艺下焊缝区δ铁素体呈蠕虫状分布 在奥氏体晶界及晶内，统计得到δ铁素体面积分数为18.677%；2 # 工艺下焊缝区δ铁素体呈骨骼状分 布在奥氏体晶界及晶内，分布杂乱，无明显方向性，δ铁素体面积分数为16.907%；3 # 工艺下焊缝区δ铁 素体呈骨骼状分布在奥氏体晶界及晶内，但其枝晶尺寸较小，面积分数为17.680%。在δ铁素体向奥氏体转变的固态相变过程中，在熔池冷却速率及化学成分偏析的影响下，铁素体形成元素富集严重的δ铁素体枝晶中心部分以蠕虫状保留至室温，而整个枝晶则以骨骼状保留至室温。与1 # 工艺相比，2 # 工艺和 3 # 工艺的脉冲平均电流较大，焊接热输入较大，熔池 冷却速率较小，从而保证了δ铁素体转变为奥氏体，室温组织中的残留铁素体含量较少。2 # 工艺与3 # 工 艺相比，一个脉冲周期内脉冲时间相差较小且脉冲平均电流相近，熔池冷却速率主要由脉冲峰值电流决定，3 # 工艺的脉冲峰值电流较小，熔池冷却速率较大， δ铁素体没有充分时间转变为奥氏体，因此室温组织中的残留铁素体含量较多。

图2 母材及不同脉冲工艺下接头热影响区的显微组织

母材及不同脉冲工艺下接头热影响区的显微组 织如图2所示，统计得到，0Cr18Ni9奥氏体不锈钢母材的奥氏体晶粒平均尺寸为58.43μm，1 # 工艺、2 # 工 艺与3 # 工艺下接头热影响区中奥氏体晶粒平均尺寸 分别为87.62，96.17，92.7μm，可见P-TIG接头热影响区奥氏体晶粒发生明显粗化。靠近焊缝一侧熔合线附近的δ铁素体呈柱状晶向焊缝中心生长。

2.2

拉伸性能

表2 不同脉冲工艺下接头的拉伸性能及断裂位置

由表2可以看出:1 # 工艺下接头的拉伸性能最优， 屈服强度为401.38MPa，抗拉强度为701.51MPa，屈强比为0.57。1 # 工艺下接头热影响区奥氏体晶粒 平均尺寸较小，根据Hall-Petch公式，材料的强度与晶粒尺寸呈反比关系，且晶粒尺寸越小，晶界越多，位错在滑移过程中越容易在晶界处产生位错堆积，从而提高材料的强度及塑性。由于3组工艺下接头焊缝区奥氏体晶界或晶内存在δ铁素体组织，可以抑制含磷、硫等有害杂质的低熔点共晶相在晶界析出，且δ铁素体在奥氏体不锈钢焊缝中属于强化相，在拉伸过程中能够阻碍位错的滑移，从而提高焊缝的强度，且3组接头热影响区奥氏体晶粒存在明显的粗化现象，因此3组工艺下接头拉伸试样均在热影响区或母材处断裂。

图3 不同脉冲工艺下接头拉伸断口形貌

由图3可以看出，3组工艺下接头拉伸断口均 由韧窝组成，这是材料经过塑性变形后，在断口处产生的显微空洞经形核、长大后相互连接形成的。因此，3组工艺下接头的断裂形式均为典型的韧性断裂。1 # 工艺下接头拉伸断口韧窝为等轴韧窝，形 状均匀且尺寸较小。2 # 工艺与3 # 工艺下接头拉伸 断口韧窝粗大，且深度浅，大韧窝附近存在少量的小韧窝。因此，工艺1下接头的拉伸性能最优。

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结 论

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(1) 采用脉冲钨极氩弧焊对薄壁0Cr18Ni9奥 氏体不锈钢管进行焊接，3组脉冲工艺下接头焊缝区组织均为奥氏体+δ铁素体；当脉冲频率及脉宽比一定时，随着脉冲平均电流的增加，δ铁素体从蠕虫状转变为骨骼状，且δ铁素体含量减小；在相同水平的脉冲平均电流及脉宽比下，随脉冲峰值电流由60A减小到50A，骨骼状δ铁素体尺寸变小、含量增加。接头热影响区奥氏体晶粒发生明显粗化。

(2) 不同脉冲工艺下接头拉伸时均在热影响区 或母材处发生韧性断裂。接头的屈服强度及抗拉强度均大于母材强度下限值，且当基值电流为20A，峰值电流为40A，脉冲频率为0.3Hz，脉宽比为50%时，接头的屈服强度及抗拉强度最高，分别为401.38，701.51MPa，屈强比为0.57，拉伸性能最优，拉伸断口中的韧窝为等轴韧窝，形状均匀且尺寸较小。