焊接热输入对304不锈钢焊管接头组织与性能的影响

 浙江至德钢业有限公司采用不同的焊接热输入对φ48.26mm×10.16mm的304不锈钢焊管进行焊接。通过抗拉试验、冲击试验、金相分析等方法，研究了不同焊接热输入对304不锈钢焊管组织和力学性能的影响。结果表明：随着焊接热输入的增大，304不锈钢焊管的抗拉强度和低温冲击性能先增大后减小，在焊接热输入18.09kJ/cm和22.90kJ/cm下焊接接头具有最优的综合性能，焊接接头组织主要为铁素体和珠光体，随着焊接热输入增大，铁素体逐渐减少而珠光体逐渐增多。随着石油天然气工业的不断发展，市场对天然气压缩机的排气压力要求越来越高，除了对压缩机的主机部件有较高的质量要求外，对工艺管线的强度、韧性和焊接性提出了愈来愈高的要求。钢管在焊接过程中，焊材和钢管会被强电流瞬间加热到高温熔化，然后迅速由液体结晶凝固成固体，此过程伴随着组织形态、类别、分布等的改变，因此在不同热输入下焊接的SA106C钢表现出不同的综合力学性能。在实际生产中，焊接热输入的大小与生产效率往往是矛盾的，为了兼顾效率和质量，有必要通过试验，确定最佳焊接热输入区间值，指导实际现场焊接。

一、试验材料与方法

 1. 试验材料

  本试验母材为φ48.26mm×10.16mm的304不锈钢焊管，供货状态为正火，组织为铁素体加珠光体，其化学成分和力学性能分别如表所示。

 2. 试验方法

  将φ48.26mm×10.16mm的304不锈钢焊管，切割成长度为150mm的若干管段，在车床上将钢管管段一端按图进行加工，然后打磨坡口及内外两侧30mm范围内的锈迹、油污等杂质，直至露出金属光泽。采用GTAW焊接方法，焊丝为φ2.4mm的ER50-G，氩气流量为12L/min，分别在不同热输入下14.40kJ/cm、18.09kJ/cm、22.90kJ/cm、25.10kJ/cm对304不锈钢焊管进行焊接。

 3. 检验方法

 依据GB/T 228-2010《金属材料拉伸试验》，室温拉伸试验在SHT4605型60t微机控制电液伺服万能试验机上进行；依据GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，冲击试验在ZBC2302-C摆锤式冲击试验机上进行，冲击试验温度为-30℃，试样尺寸为7.5mm×10mm×55mm；依据GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》，焊接接头焊缝金属显微组织在OLYMPUS GX-71F金相显微镜上观察。

二、试验结果及讨论

 1. 焊接热输入对力学性能的影响

  不同焊接热输入对304不锈钢焊管焊接接头的抗拉强度、屈服强度和低温冲击功见表所示，从表可以看出，随着焊接热输入的增大，抗拉强度、屈服强度和焊缝冲击性能都有先增大后减小的趋势。四种热输入下的性能测试说明，焊接过程中，焊接热输入过小和过大对力学性能都有不利的影响。可以预测，在焊接热输入18.09kJ/cm~22.90kJ/cm下304不锈钢焊管焊接接头力学性能具有最优值。

  2. 显微组织分析

  不同焊接热输入下304不锈钢焊管焊接接头焊缝金属显微组织如图所示，从图可以看出，随着焊接热输入的增加，焊缝金属显微组织的类型、形态和分布各不相同。图焊缝组织为大量条状铁素体和珠光体；图的组织主要为大量条状、块状铁素体和珠光体、少量细针状的铁素体、铁素体并不是贯穿于珠光体之间，而是成块状或条状连续分布。图为块状铁素体和珠光体、且有魏式组织存在。从图可以看出，随着焊接热输入的增加，铁素体的含量逐渐减少，珠光体逐渐增多。焊缝金属中针状铁素体组织时，焊缝金属在保证强度的同时，具备较好低温冲击韧性，针状铁素体在奥氏体晶内形核、长大，具有细化奥氏体晶粒、提高多道焊焊缝金属和焊接热影响区韧性的作用。针状铁素体中具有细小的亚晶结构和高密度的可移动位错，易于实现多滑移，有益于性能的提高，这与表中力学性能变化趋势相一致。

 不同焊接热输入下304不锈钢焊管焊接接头热影响区显微组织如图所示，从图可以看出，随着焊接热输入的增加，晶粒大小不一致。随着焊接热输入的增加，热影响区的粗晶区处在以上，在高温区停留时间长，奥氏体晶粒迅速长大，粗化严重，韧性下降，与表中的数据相一致。

三、结论

 1. 随着焊接热输入的增加，304不锈钢焊管焊接接头抗拉强度、屈服强度和低温冲击功有先增大后减小的趋势。

 2. 采用GTAW焊接方法焊接φ48.26mm×10.16mm的304不锈钢焊管，随着焊接热输入的增加，焊接接头热影响区晶粒尺寸有逐渐增大的趋势。

 3. 在焊接热输入18.09kJ/cm和22.90kJ/cm下焊接φ48.26mm×10.16mm的304不锈钢焊管，焊接接头具有较优的综合力学性能。