不銹鋼管A-TIG焊接頭成分對性能的影響

 浙江至德鋼業有限公司通過不銹鋼管A-TIG與TIG焊接頭性能對比試驗，分析了活性劑導致的接頭成分變化對其性能的影響，結果表明：相比于TIG焊，A-TIG焊電弧收縮，集中的熱源使得熱輸入降低，奧氏體組織細??；活性劑的加入，使得接頭碳、磷和硫含量增加，造成接頭脆硬增大，抗拉強度提高10.3%，沖擊韌性損失30.5%；電弧不穩定導致表面成形較差，配合耐腐蝕鉻、鉬元素的燒損，使得接頭耐腐蝕性降低。

 目前，電力系統所用的大型水冷不銹鋼管道材質多為中厚不銹鋼，常規焊接方法是開剖口+TIG（打底）+填絲TIG（填焊）+填絲TIG（蓋面），該焊接方法存在加工成本高、焊接效率低以及熱輸入大等缺點。研究表明，焊縫表面預涂活性劑，可以改善電弧形態及熔池金屬表面張力，熔深可增加2倍以上。這種A-TIG焊技術可在不開坡口條件下，實現單面焊雙面成形，具有焊接效率高、熱輸入小以及熱影響區窄等有點。但活性劑的加入，必然會導致焊接過程穩定性及焊縫化學成分發生變化，進而影響接頭的力學性能及管道耐腐蝕性能，因此開展不銹鋼管A-TIG焊焊接頭性能研究具有重要理論意義和實用價值。

一、開展實驗

 TIG焊接方法具體參數如表所示。按照該法，分別焊接試樣1和試樣2，焊接參數如表所示。在此基礎上，觀察焊接過程及焊縫表面成形狀況。參照相關標準，分別在A-TIG焊及TIG焊接頭取拉伸、沖擊和金相試樣，分別測試兩種接頭的化學成分、抗拉強度、抗沖擊性能、硬度分布以及耐腐蝕性能，并觀察接頭各區域組織形態。

二、結果分析

  1. 接頭成分分析

  不銹鋼母材、常規TIG焊縫及A-TIG焊縫元素含量分布情況如表所示?？梢钥闯?，活性劑中的有機溶劑會有少量吸附于焊縫表面，使得A-TIG焊縫中碳、硫及磷含量高于常規TIG；過于集中熱源使得接頭中錳、鉻、鉬和鎳元素均略有燒損，含量略低與TIG，可見成分變化對接頭的焊接性能、力學性能以及耐腐蝕性能有重要的影響。

  2. 宏觀焊接性能分析

  A-TIG焊縫宏觀形貌如圖所示?？梢钥闯?，相比于TIG多層焊，A-TIG的活性劑主要可使電弧間發生收縮，而集中熱源更是使焊接效率比TIG焊提高2倍。然而，表面吸附的有機溶劑在高溫下分解成氧化氫（氣態）和二氧化碳，對電弧穩定性產生影響，使得焊接過程極不穩定，電弧呈間歇性狀態，焊縫表面魚鱗紋均勻性較差，且氧化發黑嚴重，粗糙度及光潔度較差。

  3. 接頭硬度分布

  兩種接頭不同深度層硬度分布情況如圖所示，其中A-TIG焊接接頭硬度整體略低于TIG多層焊，但焊縫中心處出現硬度極大值。原因是TIG多層熱輸入較大，奧氏體晶粒粗大，硬度較高。結合金相圖可以看出，碳、磷和硫含量較高的A-TIG接頭中，晶界處易析出較多的脆性滲碳體，且接頭處富集的磷、硫雜質形成脆性相，會進一步增加其脆硬傾向，而較低含量的錳對雜質去除效果影響較低。

  4. 接頭拉伸性能分析

  焊接接頭的力學性能參數以及焊接接頭拉伸斷口形式如表所示。通過表可以看出，常規TIG及A-TIG焊的接頭拉伸斷口均在焊縫中心，而A-TIG焊接頭的平均抗拉強度比TIG焊強度高10.3%，斷口有一定縮頸量，斷口平齊而光亮，沒有常規TIG斷口中的韌窩出現。A-TIG焊縫中析出的滲碳體和P、S雜質富集在奧氏體晶界處，成為裂紋的發源地，接頭脆硬傾向顯著增加，強度增加，塑性降低。

  5. 接頭沖擊性能分析

  焊接接頭沖擊斷口如圖所示。由圖可知，較常規TIG焊接接頭沖擊性能比A-TIG焊接頭的沖擊性能損失多出了30.5%，沖擊斷口較為平齊，沒有顯著韌窩出現，焊縫中較高的碳含量使接頭硬化顯著，且較多的磷、硫雜質使接頭韌性損失加劇。

  6. 接頭拉伸性能分析

  多層TIG及A-TIG焊接管道內壁經48小時中性鹽霧試驗形貌結果如圖所示，顯示出A-TIG焊縫的耐腐蝕較差。一方面焊接過程不穩定導致焊縫背面成形存在較多缺陷，這些缺陷處成為管道內部腐蝕的通道；另一方面焊縫中鉬元素因燒損含量降低，材質本身耐腐蝕性變差。

  7. 接頭顯微組織分析

  接頭的顯微組織形貌如圖所示?？梢钥闯?，常規TIG焊及A-TIG焊焊縫組織都是在奧氏體基體上有鐵素體在晶界和晶內析出，形成奧氏體和鐵素體雙相組織，呈樹枝狀分布。常規多層TIG焊，焊接熱輸入量大，高溫停留時間長，焊縫中奧氏體組織較為粗大；而A-TIG焊的電弧收縮能量集中，熱輸入量較小，焊縫區寬度比TIG更窄，奧氏體組織更細小均勻。另外，A-TIG焊接頭的奧氏體晶界處析出較多的碳化物相，阻礙晶界滑移，導致接頭脆硬傾向增大。

三、結論

  相比于傳統TIG焊接，A-TIG電弧收縮焊接效率較高、熱輸入低且奧氏體組織細小均勻，但殘留有機物使得焊接過程不穩定，表面成形較差。A-TIG焊縫中較高的碳、磷與硫元素使得晶界處析出較多的碳化物及硫化物相，使接頭脆硬傾向增加，抗拉強度降低10.3%，沖擊性能損失30.5%。而接頭中較低的鉻、鉬和鎳元素，結合較差的表面成形，使得不銹鋼管道焊縫耐腐性能降低。為保證焊接過程穩定可靠及接頭質量，A-TIG焊的活性劑成分及工藝方法有待進一步研究。