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孙晓娜1，雷 毅1，张 鹰2
(1.中国石油大学机电工程学院，山东东营 257061；2.兰州石油机械研究所，甘肃兰州 730050)
摘 要： 选用板厚为60mm的SUS304奥氏体不锈钢钢板，开双U形坡口进行多层焊接，用金相显微镜对焊缝进行组织观察，并对其形成机理进行了分析。结果表明， 焊接接头的宏观形貌呈现铸造粗大组织形态，并具有明显的外延生长特性，焊缝中部的晶粒方向几乎呈平行分布，焊缝组织主要为粗大等轴的柱状晶奥氏体+沿柱状 晶分布的δ铁素体。
关键词：奥氏体不锈钢；厚板；焊缝；显微组织
由于奥氏体不锈钢具有良好耐蚀性和较好的 力学性能和工艺性能，被广泛应用于机械设备、石油化工设备以及压力容器等领域。在实际使用中，大多数奥氏体不锈钢结构主要通过焊接成型，而其焊缝质量的检 测一直备受关注。超声波检测具有灵敏度高、穿透力强、检验速度快、成本低和对人体无害等优点，已成为保证产品质量、确保设备安全运行的一种重要手段。
由 于超声波探伤是利用超声波在物体中的传播、反射和衰减等物理特性来发现缺陷的一种无损探伤方法，焊缝粗大组织将引起声波的强烈散射叠加及波形转换，对超声 波具有强烈的衰减作用。因此，奥氏体不锈钢焊缝组织结构对超声波检测波形具有重要影响。为了深入了解奥氏体不锈钢焊缝组织对超声波传播特性的影响规律，本 文基于厚板奥氏体不锈钢焊缝组织进行了金相观察和组织形成机理分析，以期为奥氏体不锈钢焊缝的超声波检测技术的研究提供理论指导。
1 试验材料与方法
试 验材料为SUS304不锈钢，主要化学成分(质量分数，%)见表1，厚度为60mm。焊条材质为A102，主要化学成分(质量分数，%)为0.045C、 0.920Mn、0.600Si、19.000Cr、9.500Ni、0.160Mo、0.009S、0.0.9P、0.120Cu、余量Fe，直径 为<5mm。图1为焊缝坡口加工形状及尺寸，焊接接头开双U型坡口，钝边2mm，焊前在100～150℃预热，正反面交替施焊，焊接速度 180mm/min，电弧电压24～26V，直流反接电流180～200A，施焊过程中层间温度≤100℃。焊缝金属的化学成分见表1。
图1 焊缝坡口类型及尺寸
2 焊缝金属组织及分析
2.1 焊缝宏观形貌及金属组织
图 2为焊接接头的宏观形貌(图中小孔为用于检测取样)。在低倍显微镜下可以清楚地看到焊缝组织呈现铸造组织形态，有明显的外延生长特性，焊缝中部的晶粒方向 几乎是平行的。焊缝晶粒始于母材晶粒，止于焊缝中心。晶粒沿原晶粒方向生长，在向焊缝中心生长的过程中生长方向趋于垂直焊缝的上下表面，焊缝中心处(先凝 固的部分)显微组织比焊缝上下表面(后凝固的部分)的组织细小。这是因为开始焊接时，母材温度较低，散热快，凝固组织细。随着焊接层数的增加，不断有热量 输入母材，温度升高，散热速度慢，导致了表面上形成的组织明显变粗。焊接接头金相组织见图3所示，其中母材组织为奥氏体+沿轧制方向分布的铁素体及少量δ 铁素体。焊缝金相组织是等轴的，为奥氏体+沿柱状分布的铁素体。
图2 焊接接头宏观形貌
图3 母材及焊缝金属的金相组织
(a)母材组织 (b)横向切面图 (c)与焊缝表面平行截面图
2.2 焊缝金属组织的形成机理
奥 氏体不锈钢焊缝不同于铁素体焊缝，铁素体焊缝在凝固过程中有固态相变，即由高温相奥氏体转变为铁素体(珠光体)，冷却后形成等轴微观组织。而从奥氏体结晶 相图中可以看到，合金元素中的镍和锰扩大了奥氏体的范围，以至降低了γ温度区下限，当温度降至室温时仍然保持γ晶体结构，因而奥氏体焊缝在凝固过程中没有 相变。
奥氏体不锈钢焊缝金属晶粒的凝固依赖于Fe2Ni2Cr合金成分和热力学条件。根据Fe2Cr2Ni 三元相图的浓度截面图可知，当Cr2Ni的比例达到2∶1时，开始从液态合金中析出一次δ铁素体，当Cr含量为19.5wt%时，液态金属完全转变为δ 相，完全凝固后，δ相又开始转变为奥氏体(δ-γ转变)直到完全转化成奥氏体，奥氏体通过过冷被保持到室温。因为电弧焊时冷却速度快，当铬含量小于 20wt%时，γ-α转变和σ相析出被完全抑制，所以焊缝金属的组织是奥氏体和少量残留的铁素体。图3c中黑色部分为铁素体，白色部分为奥氏体。依据 WittkeK理论，熔化焊产生的熔池主要特征是少量的金属不断熔化和凝固。奥氏体焊缝晶粒始于半熔化的母材晶粒，结晶形态是由固液界面的温度状况决定 的。SavageWF提出，冷却速度和母材晶粒方向对结晶形态、结晶方向和成分过冷有影响，较快的冷却速度促进柱状晶的形成，中等冷却速度促进树枝晶的产 生。因此在焊缝焊道底部出现柱状晶，在焊道中部出现树枝晶。在固液界面前方液相中温度梯度小，晶粒优先形成胞状树枝晶，且晶粒为柱状结构。特别是在焊接厚 板时，在熔池底部会有更高的冷却速度，这会促进柱状晶的生长。由于奥氏体钢的热膨胀系数小，导热性差，焊缝熔池中金属冷却速度慢、温度梯度小、散热慢、晶 粒长大速度快，从而导致了粗的柱状晶的形成。对于大厚度的奥氏体焊缝采用多道焊，晶粒生长方向由沿着原晶粒方向，后转变为温度梯度方向。从宏观形貌图中可 以看出，焊缝金属晶粒在向焊缝中心生长过程中生长方向趋于平行。
当奥氏体不锈钢焊缝金属一次结晶之后，不再发生相变，主要形成的枝晶组织 在进一步冷却过程中，会立即发生再结晶，形成新的晶界，新形成的晶粒在每一层上生长，残留δ铁素体有强烈的形核效果，奥氏体焊缝金属中存在δ铁素体。焊缝 金属的再结晶现象不仅发生在冷却过程中，而且发生在多道焊新一层焊缝金属的熔敷过程中。由于多道焊时的反复加热，前一层焊道所形成的再结晶现象被加强。再 结晶后形成粗大柱状晶。因此厚板奥氏体不锈钢焊缝的最终形态是粗大等轴的柱状晶奥氏体+沿柱状晶分布的δ铁素体。
3 结论
在 厚板奥氏体不锈钢的焊接中，焊缝晶粒始于半熔化的母材晶粒，晶粒生长方向由沿着原晶粒方向，转变为温度梯度方向，即平行于焊缝中心。凝固过程中在焊道底部 出现柱状晶，在焊道中部出现枝状晶，随后再结晶中枝状晶也转变为柱状晶。厚板奥氏体不锈钢焊缝组织为粗大等轴柱状晶奥氏体+残留的δ铁素体。
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