310不锈钢焊接接头组织及性能技术分析报告

  浙江至德钢业有限公司采用氩弧焊+手工焊焊接工艺对310不锈钢进行焊接，研究了其焊接接头的组织与性能。结果表明，采用此工艺能得到优良的焊缝力学性能，抗拉强度达到560MPa以上，弯曲试验合格，-104℃低温平均冲击功达到34J以上，满足相关标准，且抗晶间腐蚀能力较强。最后通过硬度及金相分析，确定了最佳固溶热处理温度为1040℃。310不锈钢，又称为超级不锈钢，具有耐各种介质腐蚀的优良性能，尤其耐高温浓硫酸腐蚀，被广泛应用于船舶、车辆、汽车、宇航、桥梁、建筑、压力容器、贮罐、建筑机械、管线及家电设备等行业。但是由于镍含量较高，导热系数小，线膨胀系数大，在焊接时，具有较高的热裂纹敏感性[2]，在焊缝及近缝区都有可能出现热裂纹，这给国内的焊接技术人员提出了许多新的挑战。因此，研究310不锈钢焊接接头组织和性能有着重要的理论及实践意义。

 一、试验材料与方法

    按照工艺评定流程，制备尺寸为550mm×130mm×12mm的310不锈钢试板两块，采用氩弧焊打底+手工焊的焊接工艺进行焊接，氩弧焊采用准2mm的ER310MoL焊丝，手工焊采用准4mm的A412焊条，焊接工艺参数见表。焊后100%RT检测合格后，对试板按图1进行数控切割，并分别按照GB/T228、GB/T232、GB/T229标准制备拉伸试样2个、弯曲试样4个、冲击试样两组6个。通过WE-1000D万能试验机、JBN-300C型239半自动冲击试验机、CMM-30型金相显微镜、HXD-1000TMSC/LCD090610型显微硬度计等设备测量其焊接接头的各项性能指标。再切割准备一组试样，进行不同温度固溶热处理试验，并进行硬度及金相组织分析。

 二、试验结果与分析

   1. 组织分析

   图所示为焊态焊接接头的显微组织形态，为焊缝区的微观形貌，可见焊缝组织呈柱状晶分布，奥氏体基体上分布着少量的铁素体组织。图为焊缝熔合区组织，可见焊缝与母材熔合线清晰规则，熔合情况较好良好；310钢侧呈奥氏体组织，部分奥氏体晶界处有析出相出现。

   2. 性能测试

   对焊接接头进行室温拉伸测试，发现310不锈钢焊接接头塑性断裂在焊缝区域，其抗拉强度的平均值为620MPa，均大于材料标准GB/T24511规定的理论下限值520MPa，说明采用此工艺焊接接头的有效强度符合材料强度要求。图为弯曲试样宏观形貌。可看出，将焊接接头的四组弯曲试样在室温下，面弯和背弯的弯曲角达到180°时仍未断裂，在弯曲试验后焊接接头的熔合区未出现裂纹现象。由此可见，310不锈钢采用当此焊接工艺焊接接头具有良好的弯曲性能。表为310不锈钢焊接接头在-104℃温度下的冲击试验结果。焊缝处的低温冲击功比热影响区、母材要低，说明焊缝区是冲击性能相对薄弱的区域，但是高于JB4708标准规定的34J。所有焊缝区及热影响区冲击试样，侧向膨胀量均大于0.38mm，大于ASME关于不锈钢规定的标准值，说明焊接接头在-104℃温度下就有良好的使用性能。按GB/T4334.5-2000《不锈钢硫酸硫酸铜腐蚀试验方法》进行晶间腐蚀试验，试样在微沸的硫酸铜溶液中煮沸16小时后将其弯曲180°，试样表面无任何裂纹，表现出优秀的耐晶间腐蚀能力。结果表明，采用ER310MoL作为焊丝，在此焊接工艺条件下，310不锈钢焊接接头获得了良好的力学性能。

  3. 固溶试验结果分析

   图为焊接接头在不同温度下固溶处理后的金相组织。从固溶处理后的热影响区组织可看出，经过1020℃的固溶处理之后，熔合区和焊缝区自然连接，当固溶温度提高到1040℃时，熔合线几乎消失，热影响区和焊缝区自然过渡；当温度进一步提高，由于温度过高，熔合线两侧晶粒出现长大现象，熔合线明显。焊接熔池的凝固过程是从熔池边界开始的，母材为基底形核，是一种非均匀形核过程。因焊缝在沿母材的方向上散热较快，焊缝金属便以柱状晶形式与母材相联系，好像母材晶粒外延而长合，这种想象称为外延结晶或联生结晶[6]。随着固溶处理温度的升高，热影响区范围变小，熔合线两边晶粒变得均匀。在1040℃固溶处理时，熔合区的组织变得更细小均匀。从固溶处理后的焊缝组织可看出，与焊态的焊缝组织相比，经固溶处理，焊缝的铁素体由细丝状分布，溶解、析出颗粒状碳化物弥散分布在奥氏体基体上，同时奥氏体出现了再结晶现象，隐约出现晶界。在1040℃进行固溶处理时，焊缝组织得到细化，有利于提高焊缝区的力学性能。对焊接接头进行硬度测试，以焊缝中心为原点，沿着焊缝→热影响区→母材方向进行取点，结果如图5所示。可见，焊缝处硬度最大，逐渐平滑下降，幅度逐渐收窄至130～165HV之间波动，接近母材硬度。比较热处理前后可以发现，与固溶处理前相比，固溶处理后焊缝组织硬度普遍下降，在1040℃固溶处理时，其硬度曲线最为平滑，焊接接头硬度无大的突变现象，有着较为均一的硬度分布。因此，结合组织分析发现，1040℃固溶处理有利于提高焊接接头的性能。

 三、结论

  最后根据试验结果，浙江至德钢业有限公司技术原因确认310不锈钢采用氩弧焊+手工焊焊接工艺，采用ER310MoL焊丝+A412焊条，能得到优良的焊缝性能。310不锈钢焊接接头热处理最佳固溶处理温度为1040℃。