0.   引言

304L不銹鋼具有優異的耐腐蝕性能、耐熱性、耐微酸性和良好的力學性能、加工性能等，廣泛應用于核電站關鍵設備（如第二代核電站乏燃料水池）[1-3]，但在服役過程中會因長期處于含特定離子的水介質環境而發生局部腐蝕甚至開裂。焊接是修復上述局部缺陷的主流方法，其中鎢極惰性氣體保護（TIG）焊因具有焊接質量高、焊接過程穩定和成本低等優點成為常用方法[4]。目前，有關304L不銹鋼TIG焊接的研究主要集中在對接焊和堆焊修復方面。研究[5-6]發現，過高的熱輸入會使304L不銹鋼TIG對接接頭的顯微硬度降低，力學性能下降。HU等[7]研究發現，單層多道TIG堆焊層內部存在氣孔及多處未熔合缺陷。在采用對接焊或堆焊修復板材局部缺陷時，修復區域的熱量較集中，易引起該區域組織粗化、性能劣化，并因較高的殘余應力而產生新的焊接缺陷。補強板焊接通過將補強板覆蓋于待修復板材（底板）缺陷區域，可有效分散熱量，避免板材性能劣化。然而，TIG焊存在焊縫熔深淺、熔透能力有限的問題[8]，容易導致補強板邊緣與母材的連接強度不足，降低修復質量。在焊接過程中對焊槍引入周期性擺動，可以優化熔池流動與焊縫形貌，細化晶粒，從而提升接頭力學性能[9]。針對補強板的TIG焊，焊槍擺動幅度是擺動TIG焊接中最關鍵的工藝參數之一，其通過改變電弧作用區域和熔池動力學行為，對焊縫成形、缺陷控制及力學性能產生系統性影響。為此，作者采用自動TIG焊結合擺動焊接技術，在不同焊槍擺動幅度下對304L不銹鋼進行補強板焊接試驗，研究了焊槍擺動幅度對接頭組織和性能的影響，擬為核電用不銹鋼補強板修復提供技術參考。 

1.   試樣制備與試驗方法

母材為304L不銹鋼底板和補強板，補強板形狀與尺寸如圖1所示，焊接材料為直徑1 mm的ER316L焊絲，母材和焊絲的化學成分如表1所示。 

圖  1  補強板形狀與尺寸

Figure  1.  Shape and size of patch plate

按圖2所示將補強板置于待修復底板的缺陷位置上方，采用自制自動TIG焊接設備，將焊槍定位至補板上選定的某一斜邊中點，向中心兩側進行周期性擺動施焊，擺動幅度分別為2，3，4 mm，焊接保護氣體為純度99.99%的氬氣，流量為20 L·min−1，焊接電流為140 A，送絲速度為20 mm·s−1，焊接速度為100 mm·min−1，擺動速度為4 mm·s−1。 

圖  2  焊接過程示意

Figure  2.  Welding process schematic

焊接完成后，采用線切割垂直于焊縫方向截取尺寸為10 mm×10 mm×15 mm的金相試樣，經打磨、拋光后進行腐蝕處理，采用Leica-DMi8c型光學顯微鏡觀察顯微組織。采用D8 FOCUS型X射線衍射儀（XRD）進行物相組成分析，采用銅靶Kα射線，掃描速率為10 （°）·min−1，掃描范圍為20°~90°，工作電壓為40 kV，工作電流為40 mA。采用HVS-1000Z型維氏硬度計測試焊縫中心顯微硬度，載荷為9.8 N，保載時間為10 s，測點間距為0.3 mm，測至少3個點取平均值。在焊縫上截取尺寸為10 mm×10 mm×15 mm的試樣，采用Versa STAT 3F型電化學工作站進行電化學試驗，以飽和甘汞（SCE）電極為參照電極，鉑電極為輔助電極，試樣為工作電極，腐蝕介質為質量分數3.5%NaCl溶液，通過測量電化學阻抗譜（EIS）和極化曲線評估耐腐蝕性能。 

2.   試驗結果與討論

2.1   物相組成

由圖3可以看出，不同擺動幅度下接頭焊縫中均檢測到γ相（111）、（200）、（220）晶面衍射峰和δ相（110）晶面衍射峰。隨著擺動幅度增加，γ相（111）晶面的衍射峰強度減弱，δ相（110）晶面的衍射峰強度增加，說明γ-奧氏體含量減少而δ-鐵素體含量增加，推測是因為擺動幅度增加使冷卻速率增大，δ-鐵素體相變過程受到抑制。隨著擺動幅度增加，γ相（111）晶面衍射峰半高寬增大，說明γ-奧氏體晶粒尺寸有所減小[10]。 

圖  3  不同擺動幅度下接頭焊縫的XRD譜

Figure  3.  XRD patterns of weld seam of joint under different swing amplitudes

2.2   顯微組織

由圖4可知，不同擺動幅度下焊縫和熔合區組織均由γ-奧氏體和δ-鐵素體組成，符合鐵素體-奧氏體凝固模式特征：熔池凝固初期，δ-鐵素體優先析出，隨后部分轉變成γ-奧氏體，形成兩相混合組織[11-12]。當擺動幅度較低（2 mm）時，焊縫冷卻相對緩慢，δ-鐵素體相變相對充分，短小枝狀的殘留鐵素體之間形成粗大的奧氏體晶粒，γ-奧氏體含量較高；隨著擺動幅度增加，由于δ-鐵素體相變受到抑制，δ-鐵素體含量增多，奧氏體含量減少且晶粒顯著細化。奧氏體晶粒顯著細化是因為隨著擺動幅度增大，焊縫熔寬增加，在焊接速度恒定條件下，焊縫冷卻速率增大，導致形核率增加[13]。當擺動幅度大于2 mm時，焊縫中未完全轉變的δ-鐵素體以骨架狀沿γ-奧氏體柱狀晶/等軸晶的晶界分布。相較于焊縫，熔合區奧氏體晶粒更細小，鐵素體含量更多，這是因為熔合區靠近母材，冷卻速率大于焊縫，δ-鐵素體擴散受阻，呈條狀貫穿γ-奧氏體晶粒。隨著擺動幅度增大，熔合區冷卻速率增大，晶粒細化明顯。 

圖  4  不同擺動幅度下接頭焊縫和熔合區的顯微組織

Figure  4.  Microstructures of weld seam (a–c) and fusion zone (d–f) of joint under different swing amplitudes

2.3   顯微硬度

當擺動幅度為2，3，4 mm時，接頭焊縫的顯微硬度分別為154，159，163 HV；隨著擺動幅度增加，焊縫顯微硬度提高。這是因為隨著擺動幅度增大，晶粒細化，晶界面積增大，阻礙位錯運動能力增強，抵抗塑性變形能力提高，顯微硬度提升[14]；快速冷卻還會抑制δ-鐵素體向γ-奧氏體的相變，保留在組織中的δ-鐵素體含量增多，而δ-鐵素體層錯能較高，因此硬度提高[15-16]。 

2.4   耐腐蝕性能

由圖5可知，隨著擺動幅度增大，接頭焊縫的容抗弧半徑減小，說明焊縫的抗腐蝕能力減弱[17]。利用切線交點法對極化曲線進行擬合，得到當擺動幅度為2，3，4 mm時，焊縫的自腐蝕電位分別為−102.1，−210.404，−211.648 mV，自腐蝕電流密度分別為0.795，2.825，1.117×103 nA·cm−2。可知隨著擺動幅度增大，腐蝕速率加快，接頭焊縫的耐腐蝕性能減弱。擺動幅度2 mm條件下焊縫中的奧氏體含量較高，而奧氏體組織具有較好的耐腐蝕性能[18]，因此該條件下焊縫耐腐蝕性能更優。 

圖  5  不同擺動幅度下接頭焊縫的電化學阻抗譜和極化曲線

Figure  5.  Electrochemical impedance spectroscopy (a) and polarization curves (b) of weld seam of joint under different swing amplitudes

3.   結論

（1）不同擺動幅度（2，3，4 mm）下接頭焊縫組織主要為γ-奧氏體+δ-鐵素體。隨著擺動幅度增加，γ相（111）晶面衍射峰強度降低，半高寬增加，δ相（110）晶面衍射峰強度增加，較大擺動幅度（3，4 mm）下δ-鐵素體以骨架狀沿γ-奧氏體柱狀晶/等軸晶的晶界分布。 

（2）隨著擺動幅度增加，由于δ-鐵素體含量增加、γ-奧氏體含量減少且晶粒細化，接頭焊縫的顯微硬度提高，焊縫的自腐蝕電位減小，自腐蝕電流密度增大，耐腐蝕性能下降。

文章來源——材料與測試網