不锈钢管A-TIG焊接头成分对性能的影响

 浙江至德钢业有限公司通过不锈钢管A-TIG与TIG焊接头性能对比试验，分析了活性剂导致的接头成分变化对其性能的影响，结果表明：相比于TIG焊，A-TIG焊电弧收缩，集中的热源使得热输入降低，奥氏体组织细??；活性剂的加入，使得接头碳、磷和硫含量增加，造成接头脆硬增大，抗拉强度提高10.3%，冲击韧性损失30.5%；电弧不稳定导致表面成形较差，配合耐腐蚀铬、钼元素的烧损，使得接头耐腐蚀性降低。

 目前，电力系统所用的大型水冷不锈钢管道材质多为中厚不锈钢，常规焊接方法是开剖口+TIG（打底）+填丝TIG（填焊）+填丝TIG（盖面），该焊接方法存在加工成本高、焊接效率低以及热输入大等缺点。研究表明，焊缝表面预涂活性剂，可以改善电弧形态及熔池金属表面张力，熔深可增加2倍以上。这种A-TIG焊技术可在不开坡口条件下，实现单面焊双面成形，具有焊接效率高、热输入小以及热影响区窄等有点。但活性剂的加入，必然会导致焊接过程稳定性及焊缝化学成分发生变化，进而影响接头的力学性能及管道耐腐蚀性能，因此开展不锈钢管A-TIG焊焊接头性能研究具有重要理论意义和实用价值。

一、开展实验

 TIG焊接方法具体参数如表所示。按照该法，分别焊接试样1和试样2，焊接参数如表所示。在此基础上，观察焊接过程及焊缝表面成形状况。参照相关标准，分别在A-TIG焊及TIG焊接头取拉伸、冲击和金相试样，分别测试两种接头的化学成分、抗拉强度、抗冲击性能、硬度分布以及耐腐蚀性能，并观察接头各区域组织形态。

二、结果分析

  1. 接头成分分析

  不锈钢母材、常规TIG焊缝及A-TIG焊缝元素含量分布情况如表所示?？梢钥闯?，活性剂中的有机溶剂会有少量吸附于焊缝表面，使得A-TIG焊缝中碳、硫及磷含量高于常规TIG；过于集中热源使得接头中锰、铬、钼和镍元素均略有烧损，含量略低与TIG，可见成分变化对接头的焊接性能、力学性能以及耐腐蚀性能有重要的影响。

  2. 宏观焊接性能分析

  A-TIG焊缝宏观形貌如图所示?？梢钥闯?，相比于TIG多层焊，A-TIG的活性剂主要可使电弧间发生收缩，而集中热源更是使焊接效率比TIG焊提高2倍。然而，表面吸附的有机溶剂在高温下分解成氧化氢（气态）和二氧化碳，对电弧稳定性产生影响，使得焊接过程极不稳定，电弧呈间歇性状态，焊缝表面鱼鳞纹均匀性较差，且氧化发黑严重，粗糙度及光洁度较差。

  3. 接头硬度分布

  两种接头不同深度层硬度分布情况如图所示，其中A-TIG焊接接头硬度整体略低于TIG多层焊，但焊缝中心处出现硬度极大值。原因是TIG多层热输入较大，奥氏体晶粒粗大，硬度较高。结合金相图可以看出，碳、磷和硫含量较高的A-TIG接头中，晶界处易析出较多的脆性渗碳体，且接头处富集的磷、硫杂质形成脆性相，会进一步增加其脆硬倾向，而较低含量的锰对杂质去除效果影响较低。

  4. 接头拉伸性能分析

  焊接接头的力学性能参数以及焊接接头拉伸断口形式如表所示。通过表可以看出，常规TIG及A-TIG焊的接头拉伸断口均在焊缝中心，而A-TIG焊接头的平均抗拉强度比TIG焊强度高10.3%，断口有一定缩颈量，断口平齐而光亮，没有常规TIG断口中的韧窝出现。A-TIG焊缝中析出的渗碳体和P、S杂质富集在奥氏体晶界处，成为裂纹的发源地，接头脆硬倾向显著增加，强度增加，塑性降低。

  5. 接头冲击性能分析

  焊接接头冲击断口如图所示。由图可知，较常规TIG焊接接头冲击性能比A-TIG焊接头的冲击性能损失多出了30.5%，冲击断口较为平齐，没有显著韧窝出现，焊缝中较高的碳含量使接头硬化显著，且较多的磷、硫杂质使接头韧性损失加剧。

  6. 接头拉伸性能分析

  多层TIG及A-TIG焊接管道内壁经48小时中性盐雾试验形貌结果如图所示，显示出A-TIG焊缝的耐腐蚀较差。一方面焊接过程不稳定导致焊缝背面成形存在较多缺陷，这些缺陷处成为管道内部腐蚀的通道；另一方面焊缝中钼元素因烧损含量降低，材质本身耐腐蚀性变差。

  7. 接头显微组织分析

  接头的显微组织形貌如图所示?？梢钥闯?，常规TIG焊及A-TIG焊焊缝组织都是在奥氏体基体上有铁素体在晶界和晶内析出，形成奥氏体和铁素体双相组织，呈树枝状分布。常规多层TIG焊，焊接热输入量大，高温停留时间长，焊缝中奥氏体组织较为粗大；而A-TIG焊的电弧收缩能量集中，热输入量较小，焊缝区宽度比TIG更窄，奥氏体组织更细小均匀。另外，A-TIG焊接头的奥氏体晶界处析出较多的碳化物相，阻碍晶界滑移，导致接头脆硬倾向增大。

三、结论

  相比于传统TIG焊接，A-TIG电弧收缩焊接效率较高、热输入低且奥氏体组织细小均匀，但残留有机物使得焊接过程不稳定，表面成形较差。A-TIG焊缝中较高的碳、磷与硫元素使得晶界处析出较多的碳化物及硫化物相，使接头脆硬倾向增加，抗拉强度降低10.3%，冲击性能损失30.5%。而接头中较低的铬、钼和镍元素，结合较差的表面成形，使得不锈钢管道焊缝耐腐性能降低。为保证焊接过程稳定可靠及接头质量，A-TIG焊的活性剂成分及工艺方法有待进一步研究。