毛锦荣;陈星斌;周叶平;冷庆虎;谢腾飞
【摘 要】针对激光焊对316L不锈钢进行锁底焊接时,焊缝出现气孔,裂纹等缺陷的问题,采用电子束焊接的方法对316L不锈钢进行锁底焊接,并对其焊接接头焊缝成形及显微组织进行了研究.研究结果表明,当焊接速度一定时, 316L不锈钢随着焊接电流的增大,焊缝熔深变化不大,余高和熔宽都逐渐增大,焊缝深宽比由3.48减小至3.01;当电子束流一定时,随着焊接速度的增大,焊缝余高先增大后基本不变,熔深和熔宽都逐渐减小,焊缝深宽比由3.03增大至3.38.典型焊接接头组织主要为铁素体-奥氏体组织,且随着焊缝深度的增加,晶粒逐渐细化.焊缝边缘主要由密排的柱状枝晶、少量等轴晶组成;焊缝中心区域由细小的等轴晶、少量柱状枝晶组成;焊缝底部主要由呈片状细小的等轴晶组成. 【期刊名称】《焊管》
【年(卷),期】2018(041)011
【总页数】6页(P17-22)
【关键词】焊接;316L不锈钢;电子束焊接;焊缝成形;显微组织
【作 者】毛锦荣;陈星斌;周叶平;冷庆虎;谢腾飞
镜头PO【作者单位】江西省特种设备检验检测研究院,南昌330096;江西省特种设备检验检测研究院,南昌330096;江西省特种设备检验检测研究院,南昌330096;江西省特种设备检验检测研究院,南昌330096;江西省特种设备检验检测研究院,南昌330096
铝合金拉丝
【正文语种】中 文
【中图分类】TG456.3
316L不锈钢具有良好的耐腐蚀性能、机械加工性能以及成形性能等，在特种设备、医疗设备、石油化工、船舶、汽车、航空航天等行业中应用广泛[1-2]。316L不锈钢常用于特种设备（压力管道）的制造过程中，通常采用的接头形式为锁底结构。316L不锈钢的连接在现阶段的研究和实际应用中普遍采用效率高、工艺简单的激光焊接工艺[3]。研究表明，采用激光焊对316L不锈钢进行锁底焊接时，焊缝会出现气孔、裂纹等缺陷。另外，采用激光焊接方法通常受板材厚度的限制，而电子束焊接技术具有高功率密度、焊接热输入量小、零
工业氯化钙件变形小、焊缝深宽比大、焊接接头无氧化、焊后残余应力小和焊缝质量好等特点[4-5]，是焊接该结构的推荐方法。
在316L不锈钢连接方面，尹彦军等[6]采用手工电弧焊方法对其进行了焊接，并且制定了焊接工艺。安子良等[7]采用扩散焊方法对316L不锈钢进行了连接，并且采用加入镍中间层的方法提高了接头性能。Tabatabaeipour等[8]对比研究了手工电弧焊和气体保护钨极弧焊得到316L的焊缝，发现焊缝组织均为柱状晶粒，且垂直于焊缝熔合线生长。Pascual等[9]采用TIG焊方法对316L不锈钢进行了焊接，研究发现热影响区强度最高，而焊缝强度最低。
升降柱cncame
综上所述，国内外学者采用不同的焊接方法对316L不锈钢进行了焊接，对比了不同焊接方法所得到的接头，然而对于316L不锈钢的电子束焊接研究甚少。为此，考虑管道焊接构件的特殊性，本研究采用电子束对316L不锈钢进行焊接，分析了316L不锈钢电子束焊接接头的成形及显微组织，为相关工程应用提供理论指导。
1 试验材料与方法
试验材料采用长度60 mm的316L不锈钢（022Cr17Ni12Mo2），其化学成分见表1。特殊构件的具体尺寸及结构如图1所示。
表1 316L不锈钢的化学成分 %w（C） w（Si） w（Mn） w（P） w（S） w（Cr） w（Ni） w（Mo）0.03 1.00 2.00 0.03 0.05 16～18 10～14 2～3
电子束焊机的基本原理是电子中的阴极由于直接或间接加热而发射电子，该电子在高压静电场的加速下通过电磁场的聚焦就可以形成能量密度极高的电子束。用此电子束去轰击工件，巨大的动能转化为热能，使焊接处工件熔化，形成熔池，从而实现对工件的焊接。本试验采用KS49-G150KM-NC真空电子束焊机进行焊接，焊机额定功率70 kVA，额定电压3×400/230 V，额定电流3×100 A。
图1 焊接结构示意图
施焊前对试样进行清理，将试样的对接面在砂纸上进行打磨，尽量磨平，保证对接面光滑、平整，同时去除表面残留的氧化物。将磨好的试样用丙醇、乙醇等溶液进行清洗，去除试样表面的灰尘、油污等杂质，保证试样处于良好的焊接状态。
本研究采用单因素试验方法，即保持其他工艺参数不变，分别改变电子束流和焊接速度，其焊接参数见表2。布鲁加达综合征
表2 焊接参数加速电压/kV 聚焦电流/mA 电子束流/mA 焊接速度/（mm·min-1）230 230 220 230 230 230 1 700 1 700 240 250 230 230 1 700 1 700 220 220 220 220 1 700 1 700 230 230 180 220 230 1 700 230 240 230 1 700 230 280
2 试验结果与分析
2.1 工艺参数对焊缝表面成形的影响
焊接速度为200 mm/min时不同电子束流下的焊缝表面宏观形貌如图2所示。从整体上看，焊缝表面成形良好，呈银光，但焊缝表面都不平滑，有鱼鳞纹。从图2可以看出，当电子束流为220 mA时，焊缝宽度相对较窄，表面鱼鳞纹较细小，随着电子束流的增大，焊缝表面鱼鳞纹更加明显。
固定电子束流230 mA时不同焊接速度下的焊缝表面形貌如图3所示。从图3可以看出，当焊接速度为180 mm/min时，焊缝表面鱼鳞纹明显，表面不平整。随着焊接速度的增大，焊缝表面成形更加美观，飞溅减少。当焊接速度增大为280 mm/min时，焊缝表面鱼鳞纹有规则分布，且焊缝较窄。
图2 焊接速度为200 mm/min时不同电子束流下焊缝表面形貌
图3 电子束流为230 mA时不同焊接速度下焊缝表面形貌
2.2 工艺参数对焊缝横截面形貌的影响
焊接速度为200 mm/min，不同电子束流下焊缝横截面形貌如图4所示。图4中H为熔深，B为熔宽，h为焊缝余高。从图4可以看出，整体上焊缝成形良好，无咬边现象，整个焊缝呈“钉形”。当电子束流为220 mA时，焊缝较宽，熔深H为7.27 mm，左侧板材被熔透，且焊缝贯穿至梯形板材底部，形成锁底连接。不同电子束流下的接头底部区域都存在间隙，分析可知，是由电子束焊热量集中，底部区域在热应力作用下产生变形所导致。焊接速度为200 mm/min时，不同电子束流下接头的各项参数如图5所示。由图5可见，当电子束流由220mA增大至250 mA，焊缝熔深变化较小，由7.27 mm增大至7.53 mm，熔宽B由2.09 mm增大至2.5 mm。当电子束流为250 mA时，熔深H为7.53 mm。焊缝深宽比（H/B）由3.48减小至3.01。
图6所示为保持电子束流为230mA，不同焊接速度下的焊缝横截面形貌。由图6可见，焊缝
上表面无咬边，当焊接速度由180mm/min增大至280 mm/min时，单侧焊缝完全熔透，中心区域熔宽逐渐减小。图7所示为不同焊接速度的接头成形参数，由图7可知，随着焊接速度的增大，熔宽由2.43 mm减小至2.04 mm。当焊接速度为180mm/min时，熔深最大为7.36mm，随着焊接速度增大，熔深逐渐减小，余高由0.29 mm增大至0.44mm，深宽比随着焊接速度从3.03增大至3.38。
图4 不同电子束流下的焊缝横截面形貌环卫扫路刷
图5 不同电子束流下焊接接头的各项参数
图6 不同焊接速度下的焊缝横截面形貌
图7 不同焊接速度下焊接接头的各项参数
2.3 典型接头显微组织分析
由上述分析可知，采用电子束对316L不锈钢进行锁底焊接时，接头成形良好。文献[10]指出，奥氏体不锈钢凝固有4种模式，根据德龙组织图可知，316L不锈钢铁素体含量约为10
%，并且316L不锈钢Creq/Nieq≈1.61。而铁素体-奥氏体凝固模式的焊缝Creq/Nieq为1.51～2.0，由此可知 316L凝固模型为铁素体（F）-奥氏体（A）。这种凝固模式中，首先焊缝金属结晶成铁素体，初生铁素体和液相发生包晶反应生成奥氏体，奥氏体依附着铁素体进行形核，并且包围着铁素体进行生长。最终除了包晶反应得到的奥氏体，还有残留的铁素体，所以焊缝中心线处组织为断续片状的铁素体分布在柱状的奥氏体基体上。
典型锁底焊接头宏观横截面形貌及各区的显微组织如图8所示。从图8（a）可以看出，熔合线清晰，焊缝基本无气孔、裂纹等缺陷。图8（b）为接头顶部边缘区域显微组织（A区），从图中可看出，接头基本无热影响区，焊缝边缘存在一层密排的柱状枝晶，并且垂直于熔合线方向生长。远离焊缝边缘，焊缝晶粒形态由柱状枝晶向等轴晶粒转变。图8（c）为焊缝顶部中心区域显微组织（B区），由图可看出，焊缝中存在细小的等轴晶粒区（M），而中心线两侧晶粒呈“人”字形向焊缝中心线方向生长，中心线两侧晶粒夹杂不同形态的柱状枝晶和等轴晶。分析可知，靠近焊缝中心区域，温度梯度较小，过冷度大致均匀，所以晶粒的成长在各个方向上接近一致，因此形成了等轴晶。而远离焊缝中心，过冷度发生变化，越靠近焊缝边缘温度梯度越大，N区域液态金属更靠近焊缝边缘，所以形成柱状枝晶。N区上方相对N区离焊缝边缘较远，所以，形成长大的等轴晶，并且指向焊缝中
心方向。图8（d）为接头中部焊缝的中心区域显微组织结构（C区），可以看出C区晶粒较为粗大，且等轴晶数量增多，呈片状分布，柱状枝晶明显减少。可知，电子束焊接热输入量大，中心熔池温度可达1 800～2 300℃，焊缝越深，高温停留时间较长，所以保温时间越长，晶粒越大。图8（e）为焊缝中部边缘区域显微组织（D区域），该区域晶粒明显细化，晶粒同样垂直熔合线生长，并且呈片状的等轴晶增多，同时夹杂着生长方向不一的柱状枝晶。图8（f）为焊缝底部区域显微组织（E区），可以看出组织晶粒更加细小，且底部出现弧形条纹。由于焊缝底部导热较快，高温停留时间短，晶粒没有足够的时间长大，使得细小的等轴晶呈片状分布。
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