304不锈钢焊接接头具有良好的力学性能。对于一些具有焊接缺陷的接头,可以采取补焊或多次补焊的方式进行修复,但不同补焊次数会影响304不锈钢焊接接头的力学性能。本工作通过拉伸、弯曲和冲击试验,以及金相组织和断口SEM分析,对经过多次补焊的304不锈钢焊接接头处的力学性能进行研究。试验结果表明,随着补焊次数增加,补焊区力学性能和延伸率逐渐降低;试件均为韧性断裂,一次补焊界面断裂在融合线附近,二次补焊界面断裂在热影响区。

补焊作为焊接工艺中的一环,常用来修补一些有焊接缺陷的工件来保证焊接生产过程的正常进行。补焊具有生产〓率高、成本低、修复质量较高、修复的零件更耐用等优点,因此研究补焊对焊接件的力学性能的影响显得尤为重要。奥氏体钢具有优良的强度、韧性以及焊接性能,被广泛应用于各类工业。随着焊接技术的进步,奥氏体钢焊接结构件已被应用于航空、航天以及汽车等领域。通过各型号钢材补焊后的优良性能对比,已经能生产出各类耐腐蚀、耐高温的焊接结构件。

其中304不锈钢具有优良的耐腐蚀、耐热性能,受到各行各业的青睐。但304不锈钢也有缺点,如导㊣ 热性差、线膨胀系数大等,使得补焊区域变形较大、残余应力高,从而对焊接质量产生了不利影响,张正伟等在研究残余应力对铝合金板疲劳寿命影响的过程中发现,焊接残余应力的引入缩短了焊接结构件的寿命。此外,根据王洪广等对补焊后产生的残余应力的研究,补焊区周围的金属固态化阻碍了补焊时的金属热塑性变形,导致冷却后的残余应力增大。因此在补焊过程中应重点关注补焊区的状况,防止局部补焊区域的应力腐蚀。但是补焊过程中,若出现焊接位置缺陷严重的情况,则需要对缺陷部位进行多次补焊,而补焊次数需要根据材料特性和缺陷严重程度来确定。补焊次数过少,不足以填补缺陷,而补焊次数过多会导致焊接接头性能下降,因此焊接工艺里补焊次数要求不超过两次。

不同于用有限元软件分析补焊工艺对残余应力分布的影响,本工作采用二氧化碳气体保护焊的补焊方法对304不锈钢进行补焊,通过拉伸、弯曲和冲击试验得出焊接接头的各项力学性能,对比分析补焊对接头组织的性能影响,再通过断口的金相组织得出补焊次数对焊接接头断裂区的影响,为304不锈钢的补焊工艺及实际生产提供经验。

1实验

1.1试验材料

试验采用的304不锈钢,充填材料为308L焊丝;焊接方法采用二氧化碳气体保护焊,焊接电流I=300A,电弧电压U=30~37V,焊接速度4mm/min。焊前采用机械方法清理试板正反面坡口中心范围内的氧化物与污物。对接头进行两次补焊(见图1),并对焊后的试板取样进行抗拉、弯曲、冲击、硬度、显微组织和断口分析。试样的取样位置参照ISO15614—2:2005标准执行,如图2所示。

1.2试验方法及设备

拉伸力学性能试验试样取样位置为一次补焊界面与二次补焊界面,每个界面分别取四组试样。焊接接头拉伸试验按照GB/T2651—2008执行,试验件尺寸如图3a所示,设备型号为Instron8801电液伺◤服万能试验机(制造商:美国IN?STRON,图4a),以2mm/min的速率进行拉伸试验。弯曲试验采用WDW?100Ewanqu试验机(图4b)。选用压头直径20mm,辊筒轴心间距为30mm,试验速率为2mm/min。使用电火花线切割机制备弯曲件后,使用砂纸对其待测表面进行打磨,弯曲试样如图3b所示,其长度150mm,宽度为10mm。冲击试验依据标准EN875实施,焊缝金属应采用VWT型(V表示恰贝V形缺口,W表示缺口开在焊缝金属,T表示缺口开在厚度方向)试样,热影响区可采用VHT型(H表示缺口开在热影响区)试样。冲击试样根据缺口所处位置不同分为两类:一类缺口开在焊缝中心(图3c),另一类缺口开在热影响区(图3d),其中V型缺口角度为α=(45±2)°,缺口根部半径R=(0.25±0.025)mm,表面粗糙度Ra=5μm,缺口深度为2mm,冲击设备见图4c。硬度测量试样尺寸见图3f,试验设备为HVS?1000A型数显显微硬度试验机(见图4d),测定试样的显微硬度时,加载试验力为1.961N,加载载荷HV0.2,保荷时间为10s。

2结果与分析

2.1拉伸力学性能

每个焊接界面取四个试样进行抗拉强度测试并取测试结果的平均值。表1是304不锈钢补焊下拉伸试验结果。第一次补焊的四个拉伸试件的抗拉强度分别为602.19MPa、599.29MPa、595.36MPa和606.47MPa,平均抗拉强度为600.83MPa;第二次补焊的四个拉伸试件的抗拉强度分别为592.57MPa、586.29MPa、595.16MPa、595.26MPa,平均抗拉强度为592.32MPa。第一次补焊的四个拉伸试件的延伸率分别为45.3%、45.1%、44.5%和45.7%,平均延伸率为45.15%;第二次补焊的四个拉伸试件的延伸率分别为43.5%、42.7%、43.2%和43.2%,平均延伸率为43.15%。查阅文献可知,304不锈钢母材的抗拉强度和延伸率分别为650MPa和55%。根据试验结果可知,第一次补焊界面的抗拉强度较高,达到母材92.4%,延伸率达到母材的82.1%;第二次补焊界面的抗拉强度和延伸率是较低,分别只达到母材的91.5%和78.4%。这种结果归因于热输入的影响:第一次补焊界面的热输入相对较低,晶粒粗化小,补焊区软化程☆度小,所以强度相对较高;随着补焊次数的增加,热输入越来越大,并且每增加一次补焊就会对上一次补焊产生很高的热输入,使补焊区软化现象更加严重,因此强度降低。

图5是拉伸试样断裂后表面形貌,其中一次补焊界面断裂位置远离热影响区,而二次补焊界面断在热影〗响区附近,基本上都是断在补焊软化区附近。图6为拉伸试样时的载荷位移曲线图。从图6中可以看出:当位移小于6mm时,载荷呈线性增加,表明该区域内试件发生弹性变形;当位移继续增加后,由于试件发生塑性变形,载荷增长速率开始减小。曲线变化规律与其断裂位置和路径有关。

2.2弯曲力学性能

图7为弯曲后试件变形情况,由于弯曲试件在撤掉外加载荷后会发生一定的回复现象,所以试件弯曲角度并未达到180°;弯曲后,二次补焊的弯曲性能相对较低,试件表面均未出现裂纹,证明了试件均具有较好的弯曲性能。表2是304不锈钢不同补焊次数下弯曲试验结果,一次补焊的两个试件的最大弯曲载荷分别为103.41kN和105.43kN;二次补焊的两个试件的最大弯曲载荷分别为65.01kN和61.69kN。这一结果表明其最大值差距较小。一次补焊和二次补焊的平均最大弯曲载荷分别为104.42kN、63.35kN。弯曲结果表明:随着补焊次数的增加,最大弯曲载荷呈现逐渐较小的趋势。这一结果和拉伸强度结果相对应。

2.3冲击力学性能

冲击试样每组取六个,其中三个为补焊区试样,另外三个为热影响区试样。由于冲击试验波动大,统计最终结果三个试验值求平均。图8为冲击试验后的试样,表3为不同补焊次数下VHT型冲击试验结果。一次补焊□的三组冲击吸收功分别为128.229J、126.268J和123.750J,冲击韧性分别为160.286J/cm2、157.835J/cm2和154.688J/cm2;二次补焊的三组冲击吸收功分别为123.470J、118.170J和110.954J,冲击韧性分别为154.338J/cm2、147.712J/cm2、和138.692J/cm2。

表4为不同补焊次数下VWT型冲击试验结果。一次补焊的三组冲击吸收功分别为146.750J、148.432J和141.137J,冲击韧性分别为183.438J/cm2、185.540J/cm2和176.422J/cm2;二次补焊的三组冲击吸收功分别为136.363J、136.925J和129.909J,冲击韧性分别为170.454J/cm2、171.157J/cm2和162.387J/cm2。

根据弯曲试验结果可知,第一次补焊的冲击韧性较好,VWT和VHT型冲击韧性分别为181.800J/cm2和157.603J/cm2;第二次补焊的冲击韧性较差,VWT和VHT型冲击韧性分别为167.999J/cm2和146.914J/cm2。在不同补焊条件下,VWT型冲击韧性要∮比VHT型的冲击韧性要好。随着补焊次数的增加,VWT和VHT型的冲击韧性都呈现下降趋势。冲击韧性受到诸多因素的影响,除了材料本身的物理性能外,与焊后晶粒尺寸、缺陷、夹杂等因素均有关联。二次补焊样件及热影响区样件组织晶粒受焊接热影响粗化,由金相显微组织观察可知,其晶粒尺寸比补焊区大,软化程度更大,力学性能降低,受到冲击时承受的冲击功较小,冲击韧性较低。

2.4显微硬度试验

试验时沿板厚方向测两排硬度,测量位置见图9。本工作304不锈钢补焊区的硬度测试点沿着补焊区中心线向水平方向排布,测试点之间间隔1mm,每个试样测试30个点左右,每次补焊分别沿厚度方向测量三条硬度曲线,即上、中、下三条曲线。第一、二排硬度测试点分别距离补焊试样顶部2.5mm和5mm;第三层硬度测试点距下表面2.5mm。每层依次测量接头的母材区、焊核区和热影响区硬度,测量熔合区、焊核区硬度测试点间距1mm。

图10a、b分别为一次补焊和二次补焊区显微硬度分布。整体趋势是从焊核区到母材区硬度从小变大再变小,母材区的硬度值最小,而焊接接头最大硬度出现在熔合线附近的粗晶热影响区,这是由粗晶区晶粒长大及淬硬组织出现造成的。因为在熔化焊下,焊核中的晶粒比母材小,晶粒尺寸的大小决定显微硬度,晶粒越小,晶界就越多,阻碍位错移动的能力就越强,抵抗塑性变形能力就越强,硬度值也会相应增大。并且在补焊过程中又会有部分强化相析出,导致补焊区焊核显微硬度大于母材。另外,由图10可知,第二次补焊焊核区的显微硬㊣度大于第一次补焊,平均比第一次补焊大11HV。主要是因为第二次补焊对第一次补焊区产生热处理的作用,使得焊核区产生了强化相,强化相的存在导致了硬度的增大。因此,304不锈钢焊接区显微硬度在热影响区最大,焊核区的硬度和母材硬度相对于热影响区较小,且母材处的显微硬度最小。在两次补焊过程中,有部分强化相析出,导致焊核区硬度大于母材。在远离焊核区方向的完全淬火细晶区,晶粒尺寸较小,组织细小均匀,硬度同母材基体硬度接近。

2.5金相组织

图11为拉伸试样的断口形貌图(SEM电镜扫描)。断口宏观分为纤维状区、放射状区以及剪切唇区。由图11可见,纤维区位于断口中央,与∩外加应力垂直,呈粗糙的纤维状园环形花样,为暗灰色,常可观察到显微空洞和锯齿状;其底部晶粒被拉长像纤维一样,为裂纹萌生区。放射区具有放射花样特征,其发散或收敛方向为裂纹扩展方向;同时,纤维区与放射区交界线标志着裂纹由稳定扩展向快速扩展转变。剪切唇区通常表面较光滑,与拉应力方向呈☆45°。从宏观形貌中可以看出,拉伸试样发生了较大的颈缩现象,出现了剪切唇与纤维区,且断口微观形貌中出现了韧窝结构,断面收缩率大于5%,说明该断裂为韧性断裂。试件在拉应力作用下发生塑性变形,随着应力逐渐增大,第二相粒子与夹杂物周围出现松动,与基体发生分离形成微孔,微孔长大形成孔洞,孔洞之间的距离逐渐减小而聚集连接,试件断裂后孔洞连接在一起,形成韧窝结构。纤维区为裂纹萌生区,裂纹扩展速↘率较低,且主要受到正应力的作用,因此其断面粗糙、韧窝结构呈现等轴状。与二次补焊试件相比较,一次补焊韧窝更大更深,这与韧窝√经历更大的拉力与更久的裂纹扩展相关,也与拉伸试验力学性能数据相符合;同时,二次补焊也导致了试件延伸率有所降低。由图11b所示,二次补焊的材料覆盖在焊核上部,断裂区域为金属光亮结晶状颗粒,为典型脆断特征。

3结论

(1)随着补焊次数的增加,热输入影响变大,304不锈钢的补焊区焊接接头力学性能逐渐●降低。

(2)由于粗晶区晶粒长大及淬硬组织出现,从焊核区到母材区硬度是从小变大再变小,焊接接头最大硬度出现在熔合线附近的粗晶热影响区;同时,第二次补焊焊核区的显微硬度大于第一次补焊。

(3)焊接接头拉伸断裂形式为韧性断裂,并出现了较明显的颈缩现象;产生了剪切唇与纤维区,且断口微观形貌中出现了韧窝结构。