1Cr18Mn8Ni5N不銹鋼TIG焊HAZ裂紋形成機理及工藝控制.pdf

1、奧氏體不銹鋼因有較高強度和好的低溫韌性等性能，在航空航天、建筑、石油化工等領域廣泛應用。某型號航空構件在采用1Cr18Mn8Ni5N節(jié)鎳性奧氏體不銹鋼進行生產(chǎn)時發(fā)現(xiàn)，TIG焊接頭易在熱影響區(qū)產(chǎn)生微小裂紋，導致其焊接件質(zhì)量差，嚴重降低了生產(chǎn)效率。為此，本文采用剛性拘束的平板對接試驗，研究了工藝參數(shù)、冷卻方式、拘束形式對裂紋的影響規(guī)律，并利用SEM、EDS、XRD、測溫等分析測試手段，觀察了各工藝條件的接頭顯微組織及殘余應力等特征，分析了裂

2、紋的形成機制。所得研究結果如下:
　　熔焊接頭分為焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)和母材四個部分。熱影響區(qū)可細分為鐵素體析出區(qū)和粗晶區(qū)。焊縫、熔合區(qū)和鐵素體析出區(qū)組織均為δ鐵素體和奧氏體，鐵素體在焊縫中呈骨架狀和板條狀；在熔合區(qū)為蠕蟲狀，而在靠近熔合區(qū)的鐵素體析出區(qū)為沿晶界析出的蠕蟲狀和條塊狀，限制了奧氏體晶粒長大，使其仍保持細小的晶粒。離熔合區(qū)稍遠的奧氏體則因無鐵素體析出限制生長，形成了粗晶區(qū)。
　　接頭所形成的裂紋為熱裂紋，其在墊

3、加云母片的慢冷速、縱向加強拘束以及熱輸入250-290J·mm-1的綜合條件下才產(chǎn)生，主要分布在接頭表面。該裂紋并非由元素偏聚或形成了金屬間化合物所致，而是晶粒粗大和焊接應力造成的。裂紋自鐵素體析出區(qū)與晶粒尺寸均勻性差的粗晶區(qū)結合處在快速加熱和冷卻所產(chǎn)生的拉應力作用下形成，隨后沿粗大奧氏體晶粒的晶界進行擴展，甚至在緊鄰粗晶區(qū)一側的母材也形成了裂紋。
　　高溫熱處理試驗發(fā)現(xiàn)，當溫度低于1050℃時，奧氏體晶粒長大速率很慢，在1000

4、℃保溫60min后晶粒尺寸仍小于80μm；當溫度等于或高于1050℃時，晶粒長大速率顯著加快，保溫60min后晶粒尺寸長大到幾百微米。在1050℃保溫低于30min，鋼的晶粒長大速率快；保溫時間高于30min時，晶粒長大速率明顯放慢。隨著晶粒尺寸由50μm增加至180μm，材料的室溫抗拉強度已由812.73MPa降低至729.65MPa，表明晶粒長大對材料強度具有較強的減弱。在1050℃保溫30min以上的晶粒尺寸才與產(chǎn)生裂紋的接頭粗晶

5、區(qū)晶粒尺寸相近。而焊接時熱影響區(qū)的高溫停留時間并未超過10s，反映出焊接過程中的粗晶區(qū)晶粒長大行為比熱處理的更加劇烈。
　　測溫發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)峰值溫度可達到1200℃左右，雖然襯底材料對熱影響區(qū)峰值溫度影響不大，但明顯改變了熱影響區(qū)的高溫停留時間及冷速。墊加隔熱材料(即云母片)的熱影響區(qū)冷速約為27.08℃/s，粗晶區(qū)晶粒得到充分長大，平均尺寸已達到100μm。而與中碳鋼直接接觸的熱影響區(qū)冷速為48.4℃/s，是云母片的1.8倍，

6、晶粒尺寸僅略大于母材的，粗化程度輕。
　　與母材相比，熱影響區(qū)發(fā)生明顯軟化，并且熱影響區(qū)的殘余應力較大，絕對值約為380MPa，而母材和焊縫的殘余應力則較低。熱影響區(qū)沿厚度方向呈現(xiàn)出不同的殘余應力分布，靠近上表面和下表面的殘余應力絕對值較大，中部略低。冷速對沿板厚方向的殘余應力分布影響較??；熱輸入250-290J·mm-1的熱影響區(qū)殘余應力較大，但當進一步增加熱輸入，殘余應力則有所降低。
　　適當加快接頭冷速、增開坡口能有效