两种焊接工艺下304L奥氏体不锈钢力学性能的比较(2)

　　冲击试样按照ASME第二卷Part A SA370的夏比V型缺口A制作。缺口在母材(BM)、熔合区(FZ)、HAZ中分别加工，冲击试验在室温下进行。

　　3 结果与讨论

　　3.1焊缝的形状

　　激光和TIG焊接选取了形成优质接头的条件。图1表示接头的外观和截面。激光焊接在接头的正面和背面没有出现母材区域的变色，在截面中可观察到较大的宽深比的焊透。

　　由于激光束的能量密度非常高，熔敷金属在蒸发的同时也因钥匙孔机制发生了渗透。而TIG焊接在焊缝的正面及背面焊道约10mm以内的母材区域出现变色，可见发生了大量的热传导。观察到TIG焊缝的截面是宽深比相对较大的半球形焊透。电弧的能量密度相对较低，据判断是传导机制而发生了焊透。

　　3.2焊缝的显微组织

　　图2(a)和图2(b)分别表示激光和TIG焊接的接头。激光焊接的接头可以确认热影响区很少出现。图2(c)表示激光焊接的熔合区附近母材的显微组织，表明焊接过程中母材组织没有发生变化。而TIG焊接在熔合区附近的母材中出现了显微组织的变化。

　　图2(d)表示TIG焊接的熔合区附近母材的显微组织，与图2(c)相比，可以确定晶粒粗大化，这由于TIG焊接的热输入量高和导热所致。

　　304L不锈钢以铁素体-奥氏体模式凝固，初晶形成δ-铁素体。304L不锈钢在缓冷时发生δ→γ的相变，具有γ相组织，但急冷时，无法完全发生相变，导致δ相残留，从而具有γ+δ相组织。

　　图2(e)和图2(f)表示激光和TIG焊接的熔合区显微组织，分别由γ-奥氏体和Skeletal及Lacyδ-铁素体组成。图2(f)出现了相对较多的δ-铁素体。通常来说，凝固时δ-铁素体的生成量随着冷却速率和Creq/Nieq升高而增加。TIG焊接的热输入量相对较高，冷却速率较慢，因此在图2(f)中，δ-铁素体的生成量被认为是因为填充材料(ERS308L)导致Creq/Nieq增加所致，两种焊接工艺的熔合区由于冷却速率快，表现出比母材更细微的晶粒。不过，图2(f)已经证实出现部分粗大化晶粒，这是由TIG焊接的多焊道造成的。

　　3.3焊缝的硬度分布

　　激光和TIG两种焊接焊缝水平方向的硬度分布都观察到熔合区上显著的硬度变化。在激光焊接的熔合区中，出现了250-300HV的硬度分布，高于母材的233HV。试验中使用的材料是低碳钢材料，因此，碳引起的硬度变化被认为是微小的，而硬度上升是因为快速冷却速率引起的晶粒细化。母材和熔合区几乎没有出现硬度变化，这意味几乎没有出现热影响区。TG焊接的熔合区中，硬度分布范围为220-257HV。与母材的硬度值相比，硬化和软化同时出现。

　　在焊道作用下，多数热履历在熔合区内生成了局部软化区域。两种焊接工艺焊缝在垂直方向的硬度分布，均在表面附近呈现出相对高的硬度值。这是因为表面部位冷却相对较快。TIG焊接垂直方向与水平方向一样也出现软化区域。

　　3.4焊缝的拉伸性能

　　为测定焊缝的强度，进行了拉伸试验。表3和图3表示拉伸试验的结果和断口的形状。激光焊接时焊缝的抗拉强度略高于母材，且断口位于母材。在图2(e)中，由于快速冷却而出现细微的熔合区晶粒，由此使得强度上升。延伸率略低于母材，这主要受到了熔合区内硬化组织的影响。TIG焊接焊缝的抗拉强度和延伸率均低于母材，并位于熔合区上。热影响区内粗大晶粒和熔合区内部分存在的粗大颗粒就是强度和延伸率下降的主要原因。熔合区粗大颗粒发挥了应力集中区的作用，从而出现裂纹。TIG焊接断口呈现出撕裂岭。扫描电镜观察TIG焊缝的断口，如图4所示，表现出具有细微韧窝的延性断口。

　　3.5焊缝的弯曲性能

　　为评价焊缝的弯曲性能，在焊缝的正面和背面进行了180°弯曲后，对弯曲部位表面有无裂纹发生进行了考察。图5显示了试样的弯曲部位。两个焊缝区都未出现ASME第九卷提及的、超过3.2mm的不连续部位。不过，激光焊缝的正面和背面出现了1mm以下的裂纹。这是因为焊道较窄，由硬度较高的组织组成，因而出现较大的应力集中。

文章来源：《力学季刊》 网址: http://www.lxjkzz.cn/zonghexinwen/2021/0326/455.html