E308LT1-4不锈钢药芯焊丝焊接接头组织与性能研究

张思宇 任鹤 张江楠 胡冰

摘要：针对奥氏体不锈钢304钢的低温工作条件，研究了该材料的焊接工艺和焊后的热处理技术。通过拉伸、低温冲击试验及金相组织观察等手段，验证了焊接参数及焊后热处理工艺对焊接接头性能的影响。试验结果显示，采用熔化极气体保护焊方法及E308LT1-4焊丝焊接的304钢可满足-196 ℃低温工况下的使用要求。

关键词：E308LT1-4;药芯焊丝;焊接工艺

0 引言

奥氏体不锈钢是最常用的耐腐蚀材料，且焊接性能较好，应用范围广。奥氏体不锈钢具有导热率低，热膨胀系数高，长时间高温下易出现贫Cr组织等特点。因此，在奥氏体不锈钢焊接过程中需合理选取焊接参数，并加强过程控制，以确保焊接工艺评定结果满足标准规定要求。奥氏体不锈钢可应用的焊接方法有很多，例如氩弧焊（TIG）、手工电弧焊（SMAW），但这两种方法的焊接效率低下，焊材利用率低，会增加成本。对于手工电弧焊方法，焊接热输入量很大，焊接变形较大，不利于奥氏体不锈钢结构的焊接。而使用熔化极气体保护焊（GMAW）方法可以大幅提高生产效率，且由于药芯焊丝电弧具有成型属性，所以焊缝外观成型良好。药芯焊丝的成本较焊条也要低很多，可大范围应用于奥氏体不锈钢的板材焊接及各类管路，特别是大型管路的焊接。对于药芯焊丝而言，常用纯CO2保护方式，而对于焊接接头的性能而言，采用富氩保护气体更为有利。本文以超低碳奥氏体不锈钢304为研究对象，选用了富氩气体专用的E308LT1-4焊丝，通过分析其母材化学成分及性能要求，合理选取焊接参数并通过严格的过程控制手段，得到满足使用要求的焊接工艺，满足-196 ℃低温工况的使用要求。

1 试验材料与方法

本试验选用的母材为304材料。焊接材料为不锈钢药芯焊丝E308LT1-4，满足AWS A5.22 E308LT1-4标准要求，规格为？准1.2 mm，其化学成分如表1所示。试验采用熔化极气体保护焊，在水平位置对接焊，保护气体为80%Ar+20%CO2。

2 焊接及热处理工艺

本试验选用的焊接试板尺寸为450 mm×320 mm×40 mm，采用水平位置焊接，60°X型坡口。采用多层多道焊接方式，尽量减小摆动。正面打底焊接后从试板背面进行清根，采用砂轮彻底修磨背面焊缝后，对打底焊道进行液体渗透检测（PT），合格后再进行背面焊缝的焊接。

由于304钢是奥氏体不锈钢，焊接性能较好，焊接时可以不预热。因此，本试验选择不锈钢药芯焊丝E308LT1-4，此焊丝专门适用于保护气体组分为75%～80%Ar+其余组分CO2的熔化极气体保护焊，可以进行全位置焊接。对于不锈钢焊接，易采用小线能量进行焊接，焊后为了降低焊接应力，降低焊缝应力腐蚀开裂的风险，同时为了避开不锈钢的易发生晶间腐蚀敏感温度区间，选用消应力温度为410～430 ℃，保温时间3～4 h。试验焊接工艺参数如表2所示。

3 试验结果与分析

药芯焊丝焊接中有气孔是主要的缺陷，为验证试验所选用的焊接参数对焊接质量的影响，首先对试验焊接试板进行了X射线探伤检查，检测结果合格。下面将从力学性能结构和微观组织两个方面进行分析。

3.1    力学性能试验结果分析

根据相关制造标准，对焊接试板进行了破坏性力学性能试验，分别进行了拉伸、弯曲、冲击试验。其中焊接接头的拉伸力学性能如表3所示。由表3数据可知，在本文所选用的焊接工艺范围内，焊接接头的力学性能试验结果均满足标准要求。其中，焊接接头的抗拉强度达到632 MPa，远高于母材要求。焊接接头在-196 ℃低温下的冲击性能均大于标准值31 J。焊接接头侧向180°弯曲试验合格，弯曲试件完好无裂纹。由于E308LT1-4焊丝具有良好的屈强比，塑性较好，同时，在焊接试验中控制了焊接线能量，有利于保证焊接质量，进而有利于保证弯曲塑性。从各项力学性能测试数据显示，焊接接头的综合力学性能满足要求，这与试验焊接时采用的保护气体为Ar+CO2混合气体有关，Ar属于惰性气体，在焊接过程中的保护效果更好，空气中的各类杂质对焊缝的影响变小，从而提升了焊接接头的综合性能。此外，针对奥氏体不锈钢，焊后热处理会对焊接接头带来不利影响，本实验选取的焊后热处理温度非奥氏体不锈钢敏感温度区间，因此对焊接接头的冲击性能影响不大。

3.2    焊接接头组织分析

奥氏体不锈钢应用在-196 ℃的低温工况中，焊缝的低温冲击性能不好是影响焊缝性能的主要因素。因此要想获得优良的焊缝低温冲击性能，必须控制焊缝的组织，焊缝组织的晶粒越细小越好。对于奥氏体不锈钢焊接来说，在焊接过程中，由于焊接熔池较小，冷却结晶很快，为合金元素的偏析和聚集创造了热力学条件，S、P、Si等元素在枝晶之间偏析，形成低熔点共晶体，容易引起热裂纹。大量研究表明，奥氏体不锈钢中存在少量铁素体，有助于防止焊接过程中产生热裂纹。因此，获得均匀的奥氏体+少量铁素体组织是提升焊缝性能的关键。304钢焊接接头的金相组织如图1所示，由图1（a）可以看出，焊缝的组织为奥氏体加上树枝状铁素体，晶粒均匀细小，各晶粒间角度有规律性，基本朝一个方向生长，且存在大量等轴晶组织。由图1（b）可以看出，热影响区组织为奥氏体+少量铁素体，组织过渡较为均匀，晶粒度均匀，无明显，长大现象。因此，热影响区整体的冲击性都比较好。

4 结论

（1）304钢焊接选择熔化极气体保护焊及E308LT1-4焊丝，线能量为16.5 kJ/cm时，焊接接头抗拉强度达到637 MPa，-196 ℃条件下焊缝冲击性能平均值达到34 J，热影响区冲击性能平均值达到41 J，180°侧弯无裂纹，满足-196 ℃低温工况下的使用要求。

（2）采用E308LT1-4焊丝焊接的304钢焊缝组织为奥氏体+少量树枝状铁素体，焊缝中心多为等轴晶。热影响区组织为块状奥氏体+少量铁素体，晶粒均匀，无明显长大。

收稿日期：2020-04-29

作者简介：张思宇（1987—），男，辽宁沈阳人，硕士，工程师，研究方向：压缩机铆焊工艺。

任鹤（1987—），女，遼宁鞍山人，硕士，工程师，研究方向：材料加工。