316L不锈钢电子束焊接接头组织与性能研究论文_王喆,王大勇,文仲波,余勇,温银江,朱猛

摘要：对40mm厚316L类不锈钢进行电子束焊接试验，得到了单面焊双面成型的近似平行焊缝。测试该接头的化学成分、显微组织和力学性能，结果显示焊缝金属几无烧损，化学成分仍满足母材要求。焊缝组织为柱状晶、细小枝晶和等轴晶组成的铸态组织，晶粒明显细化，焊接接头力学性能优良。

关键词：不锈钢；电子束焊接；单面焊双面成型；显微组织；力学性能

1序言

某特殊项目部件，设计为密闭焊接腔室，要求焊接时单面焊双面成型，且焊接接头强度不低于母材的95%；材料选择为类316L材料，厚度为40mm。根据产品特点及焊接要求，仅能采用具有能量密度高，穿透力强，焊接热影响区小[1-4]的电子束焊接工艺。电本文采用正交试验进行了40mm 类316L材料电子束单面焊双面成型工艺参数优化设计，并对焊接接头的室温拉伸性能，500℃高温拉伸性能、室温冲击性能、室温弯曲性能、金相组织，维氏硬度等性能进行了检测。

2 试验材料及试验方法

2.1 试验材料

试验材料为某316L类奥氏体不锈钢，其成分及主要力学性能分别见表1及表2。

表1 母材化学成分要求（w.t%）

表2 母材力学性能要求

2.2 焊接设备

电子束焊接试验所用焊机为SST生产的ZD150-60C CV60M型真空电子束焊机，真空室大小：5m×4m×3m，加速电压范围：70-150KV，束流范围：0-400mA，电子枪真空度≤10-5mBar，真空室真空度≤10-3mBar。

2.3 试验方法

2.3.1 焊接接头无损检测及成型分析

分别按NB/T47013.3 1级及NB/T47013.2 1级对焊接接头进行UT检测及RT检测，打磨去除焊缝正反面余高后，按NB/T47013.5 1级对焊缝正面及背面进行PT检测。以GB/T 22085.1/ISO 13919-1 B级（最严格）评判焊缝成型情况。

2.3.2 力学性能试验

对焊接接头取样，分别按照《GB/T 2651-2008焊接接头拉伸试验方法》、《GB/T 2650-2008 焊接接头冲击试验方法》和《GB/T 2653-2008焊接接头弯曲试验方法》进行焊接接头的拉伸、冲击及弯曲试验。拉伸试验的温度分别为室温及500℃，冲击及弯曲试验温度为室温。

2.3.3 金相组织分析

依据《GB/T 13298-2015金属显微组织检验方法》用王水腐蚀焊接接头，用蔡司显微镜对焊接接头顶部（距试板正面端面10mm）、中部（距试板正面端面20mm）及根部（距试板正面端面30mm）组织进行观察。

2.3.4 显微硬度分析

根据《GB/T 4340.1-2009 金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》，分别对焊接接头顶部（距试板正面端面10mm）、中部（距试板正面端面20mm）及根部（距试板正面端面30mm）进行HV5硬度检测，测点间隔1mm。

2.4 焊接试验

根据零件的具体尺寸、真空室及其运载系统的尺寸，选取工作距离400mm；根据316L 的化学成分通过Jmatpro模拟软件进行了分析，为了减少焊接和热影区有害的残余奥氏体和碳化物形成，必须尽可能减小焊接热输入。

根据以上分析，结合奥氏体材料电子束焊接的经验，采用正交试验方法进行试验，通过正交试验，最终确定表4参数为理想参考参数，经过最终优化后的正式参数见表4。为优化正面成型，进行修饰焊，修饰焊参数见表5。焊后焊缝正面、焊缝背面分别如图2、图3所示：

表4 最终焊接参数

表5 修饰焊接参数

图2 焊缝正面 图3 焊缝背面

3 试验结果分析

3.1 焊接接头无损检测及成型分析

分别按NB/T47013.3 1级及NB/T47013.2 1级进行UT检测及RT检测，未发现超标缺陷显示，打磨去除焊缝正反面余高后，按NB/T47013.5 1级对焊缝正面及背面进行PT检测，均未发现超标缺陷。测量焊缝成型情况，正面余高最高处约4mm，背面余高最高处约4.5mm，无咬边问题。综合无损检测结果及焊缝成型尺寸，确认焊接接头满足GB/T 22085.1/ISO 13919-1 B级（最严格）要求。

3.2 力学性能分析

力学性能检测结果见表6。其中室温及500℃焊接接头拉伸断裂位置均为母材，焊缝及热影响区强度高于母材；焊接接头拉伸性能、冲击性能、弯曲性能均满足表2母材力学性能要求；焊接接头各处力学性能一致性良好。

表6 力学性能

注：冲击值为300表明实际冲击值已超过设备上限。

3.3 金相组织分析

3.3.1 焊缝组织分析

焊缝顶部、中部及底部焊缝金相组织分别如图5、图6和图7所示。

图5 焊缝顶部组织 图6 焊缝中部组织 图7 焊缝底部组织

可以看出焊缝组织均为奥氏体，顶部组织为柱状晶，中部基本为细小枝晶，底部基本为等轴晶。顶部组织最为粗大，与重熔修饰焊增大了热输入有关。中部高温停留时间最短，晶粒明显细小。底部散热情况良好，因此组织基本为等轴晶。

3.3.2 热影响区组织分析

顶部、中部及底部热影响区金相组织分别如图9、图10和图11所示。可以看出热影响区极窄，基本只有熔合线。

图9 顶部热影响区组织 图10 中部热影响区组织 图11 底部热影响区组织

3.4 显微硬度分析

HV5硬度测量结果显示，焊缝中心硬度最高（距离为0mm位置为焊缝中心），且接头中部焊缝硬度最高，与焊缝中部细晶强化有关。其余位置硬度与母材硬度差异不超过35HV。

4 结论

1、通过多次试验得出40mm厚某316L类不锈钢单面焊双面成型电子束焊接参数，焊缝UT、RT及PT检测合格，且成型满足GB/T 22085.1/ISO 13919-1 B级（最严格）要求；

2、焊接接头性能良好，室温及500℃强度优于母材，塑性、韧性等性能明显高于母材要求；

3、焊缝组织为柱状晶+细小枝晶+等轴晶，与母材相比晶粒明显细化，为焊接接头强度高于母材根本原因；4、热影响区范围极窄，不超过1mm；

5、因为细晶强化，焊缝中部硬度最高，焊缝顶部和根部硬度与母材差异不大；

参考文献：

[1] 罗旭珍，王建，苑群启，等.不锈钢管-管对接电子束焊接工艺[J].核动力工程,2009,30(5):101-104

[2] 沈显峰，黄文荣，许超.1Cr18Ni9Ti电子束焊接工艺参数与焊缝形状的关系研究[J].金属铸锻焊技术,2009,38(9):112-115

[3] ZHANG Binggang, SHI Ming xiao, CHEN GuoQing. Microstmcmre and defect of titanium a110y electron beamdeep penetration welded joint[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2012, 22,2633—2637

[4] 谭毅,游小刚，李佳艳，等.电子束技术在高温合金中的应用[J].材料工程,2015,43(12):101-111

王喆（1984-），男，硕士研究生，工程师，2009年5月参加工作，现主要从事火电汽轮机、核电汽轮机、燃气轮机焊接工艺工作。

论文作者:王喆,王大勇,文仲波,余勇,温银江,朱猛

论文发表刊物:《基层建设》2019年第28期

论文发表时间:2020/1/18

标签：组织论文;  电子束论文;  硬度论文;  金相论文;  板正论文;  室温论文;  端面论文;  《基层建设》2019年第28期论文;