不锈钢管材钨极氩弧焊焊接接头微观组织研究

陈 晨，徐俊阳，仲照旭，王斯妮，公秀凤

(1.吉林安德电化科技有限公司沈阳分公司，辽宁 沈阳 110000；2.沈阳富创精密设备有限公司，辽宁 沈阳 110168)

304不锈钢是目前应用最广泛的奥氏体不锈钢之一，具有非常好的综合性能，其中包括良好的成型性和耐蚀性，尤其是经过焊接后，304不锈钢还能够具有非常好的焊接性能。钨极气体保护焊，通过氩气气氛对焊接部位进行保护，起到隔绝空气的目的，从而获得高质量的焊缝组织，并达到相应的性能要求。

本文针对304不锈钢管材，通过最常用的氩弧焊的方式使管材得到有效连接，对获得的焊接接头的显微组织和硬度进行了讨论，为实际应用提供了理论依据。

1 试样材料与方法

母材为304奥氏体不锈钢管材，供货状态为固溶态，焊接管材尺寸为φ18mm*1.5mm。采用气体（氩气）保护的钨极氩弧焊，环焊方式，无焊条，采用脉冲式焊接工艺。304不锈钢母材金相组织如图1所示，可以看出母材组织为奥氏体等轴晶组织。

图1 304不锈钢母材金相组织

焊接前，对管材端面及附近进行清理，清洁部分长度要达到10cm，并分别用150#、400#砂纸将端面打磨平整，清洗干净后待用。管材端面无需开坡口。采用直径为1.6mm的钨极进行焊接，钨极尖端距离工件外壁1.3mm～1.5mm.。焊接工艺如表1所示。

表1 焊接工艺参数

通过显微硬度仪对焊缝及其周围热影响区、母材的硬度进行测量，采用维氏压头，压力100g。

2 试验结果及分析

宏观观察，焊缝成形良好，无气孔、裂纹等缺陷，焊缝宽度均匀，为光亮的鱼鳞状咬合波纹，并通过X射线探伤仪的检测。

2.1 焊缝微观组织形貌

304不锈钢管材焊接后金相组织如图2所示，包括（a）焊缝中心位置及（b）热影响区。304不锈钢组织为奥氏体，由于其成分影响，凝固过程后，焊缝中δ-铁素体作为初生相。

焊缝中心位置，由于各个方向生长的δ-铁素体组织相遇，产生了细小的等轴晶组织，如图2（a）所示。凝固初期形成的树枝状铁素体是在Cr较高的区域，随着冷却的进行，晶核外部的树枝晶由于含Cr较少，转变成奥氏体，从而形成中心区域骨架型结构的富Cr的δ-铁素体[1]。

熔化的金属首先从熔合线附近开始凝固，由于冷却速度快，304奥氏体不锈钢以FA模式凝固，即铁素体作为出生相，铁素体中间存在奥氏体组织[2]。从图2（b）可以看出，熔合线处出现胞状奥氏体组织，并逐渐延伸至焊缝内部，焊缝内部为树枝状的铁素体组织。

这是由于金属组织成分以及冷却速度决定的，较大的过冷度导致了胞状晶的形成，随着冷冷却的进行，产生树枝状的铁素体及内部的奥氏体混合组织。

热影响区大部分晶粒未受到影响，尺寸未发生明显变化，与母材晶粒尺寸相当。

图2 管材焊后组织（a）焊缝中心及（b）热影响区

图3 焊缝及其热影响区、母材的显微硬度分布

2.2 焊缝及热影响区硬度

焊缝及其热影响区、母材的显微硬度值，如图3所示，起始点为焊缝中心位置，压痕间隔400μm。从图3可以看出母材的硬度值在170HV0.1左右；焊缝中心处硬度值在190HV0.1左右；热影响区处硬度值在160HV0.1以下。焊缝处金属经过熔融后，产生了铁素体组织，细小的柱状铁素体骨架在奥氏体基体上分布，使得硬度进一步提高到。而热影响区的位置，由于受到焊缝处热量的扩散，奥氏体晶粒应力进一步松弛，导致硬度值有略微下降[3]。

试验中采用的氩气保护的钨极氩弧焊是全封闭的焊枪，热量都集中在焊枪内，产生的焊缝宽度较窄，热量散失小，但钨极产生的热量对热影响区产生了一定的影响，导致了热影响区硬度的少量下降。

3 结论

（1）采用气体（氩气）保护的钨极氩弧焊对304不锈钢管材进行对焊焊接，可以形成外观致密，无气孔、裂纹、翻边等缺陷的焊缝组织，焊缝处形成连续的鱼鳞状咬合波纹。

（2）焊缝组织以δ-铁素体作为初生相，部分铁素体在冷却过程中转变为奥氏体组织。在焊缝内部，树枝状δ-铁素体在Cr含量较高的位置形成，随着冷却的进行，晶核外部的树枝晶由于含Cr较少，转变成奥氏体，从而形成中心区域骨架型结构的δ-铁素体以及奥氏体的混合组织。

（3）焊缝组织硬度到达190HV0.1左右，较母材170HV0.1有所提升，这是因为焊缝中产生了细小的铁素体组织。热影响区硬度由于受到焊接热量的影响可以达到160HV0.1左右。