ASTM A105-AISI 316L钢的连续和脉冲TIG焊接接头：微观结构表征、力学性能分析及断裂研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Continuous and pulsed TIG welded joint of ASTM A105-AISI 316L steels: Characterization of microstructure, mechanical properties, and fracture analysis

异种焊接头微观结构演变及力学性能研究。通过对比连续电流气体保护焊（CC-GTAW）和脉冲电流气体保护焊（PC-GTAW）工艺，分析ASTM A105钢与316L不锈钢焊接接头的组织形貌、力学性能及断裂行为。研究发现：PC-GTAW工艺使焊缝金属（WM）晶粒从柱状变为等轴状，晶粒尺寸减小，HAZ区域宽度缩减，同时提升WM硬度（261 HV）和冲击能量（157 J），断裂模式均为完全延性断裂。

　　本研究旨在探讨连续电流气体钨极氩弧焊（CC-GTAW）和脉冲电流气体钨极氩弧焊（PC-GTAW）对ASTM A105与AISI 316L异种金属焊接接头微观结构演变、力学性能以及断裂模式的影响。研究使用ER309L作为填充金属，通过光学显微镜、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、能量色散光谱（EDS）以及X射线衍射（XRD）等技术对焊接接头的微观结构和相组成进行了分析。同时，通过拉伸试验、夏比冲击试验以及维氏显微硬度测试评估了焊接接头的力学性能。研究结果表明，PC-GTAW相较于CC-GTAW能够改善焊接金属（WM）的微观结构，减少柱状晶，形成更细小的等轴晶，从而降低部分熔化区（PMZ）和热影响区（HAZ）的宽度。此外，PC-GTAW显著提高了焊接接头的显微硬度和冲击能量值。通过断口分析，研究发现焊接接头在机械测试中表现出韧性断裂特征。

### 异种金属焊接的重要性

在许多工业领域，异种金属焊接是不可或缺的工艺之一。特别是对于高温和低温应用，以及需要耐腐蚀和抗氢损伤的场景，不锈钢和碳钢的焊接具有重要意义。AISI 316L不锈钢因其良好的焊接性能、抗点蚀能力以及在含氢环境和高温/低温氧化环境中的优异表现，广泛应用于石油、化工、核能、军事、海洋和高压容器等行业。在这些应用中，不锈钢通常用于高温区域，而碳钢如ASTM A105则用于低温或需要降低制造成本的区域。这种组合不仅能够满足不同工况下的性能需求，还能在经济上带来显著优势。然而，异种金属焊接过程中，由于材料之间的物理和化学性质差异，可能会产生一系列的冶金问题，如晶界迁移、元素偏析、脆性相的形成以及焊接缺陷等。因此，深入研究焊接工艺对微观结构和性能的影响，对于优化焊接参数、提高焊接接头的可靠性和耐久性至关重要。

### 材料与实验方法

本研究采用的基材包括316L不锈钢和ASTM A105碳钢，厚度均为12毫米，且均处于退火状态。填充金属为ER309L，直径分别为2.4毫米和3.2毫米。焊接接头设计为X形坡口，坡口角度为35度，总角度为70度，确保焊缝垂直于板材的轧制方向。焊接过程在不预热的情况下进行，使用Gham Electric制造的PSQ400焊接设备，在氩气保护下进行负极性焊接。焊接参数如电流、电压、脉冲电流、基电流、频率和占空比在表2中详细列出。为了确保焊接质量，焊缝之间保持120°C的温度间隔，以避免因冷却和凝固导致的干扰。在焊接完成后，通过光学显微镜、FE-SEM以及XRD等技术对焊接接头的微观结构和相组成进行分析。此外，采用标准试样进行拉伸试验、夏比冲击试验和显微硬度测试，以评估焊接工艺对力学性能的影响。

### 微观结构与相组成分析

通过光学显微镜和FE-SEM的观察，可以发现316L不锈钢的基材（BM）主要由奥氏体组成，其中含有少量的δ铁素体。这些铁素体丝状物沿着轧制方向延伸，表明其形成与热机械处理中的元素偏析有关。相比之下，ASTM A105钢的基材由铁素体和珠光体组成，其中铁素体占主导地位。XRD分析进一步证实了这些相的组成，显示焊接金属（WM）在两种焊接模式下均以奥氏体为主导相，同时存在少量铁素体。在PC-GTAW焊接模式下，由于焊缝熔池的振动和脉冲电流对热输入的控制，铁素体的含量和分布得到了改善，且晶粒细化效果更显著。

### 力学性能评估

拉伸试验结果表明，无论是CC-GTAW还是PC-GTAW焊接接头，其屈服强度（Y.S.）约为247±9 MPa，抗拉强度（U.T.S.）约为485±8 MPa，总延伸率（T.E.）约为30±2%。这些数据表明，焊接接头在两种焊接模式下具有相似的力学性能，且断裂均发生在ASTM A105侧。这说明焊接接头的强度主要来源于焊接金属区域，而基材的强度相对较低。显微硬度测试结果进一步支持了这一结论，显示焊接金属区域的硬度高于基材。PC-GTAW焊接接头的显微硬度值为261±6 HV，而CC-GTAW为235±7 HV，表明PC-GTAW能够显著提高焊接区域的硬度。夏比冲击试验的结果显示，PC-GTAW焊接接头的冲击能量为157±5 J，高于CC-GTAW的128±3 J，这说明PC-GTAW在改善焊接接头韧性方面具有优势。

### 断口分析与断裂模式

断口分析显示，焊接接头在拉伸和夏比冲击试验中均表现出完全的韧性断裂特征。FE-SEM图像显示，断口表面充满了微孔和凹坑，这是韧性断裂的典型标志。这些微孔的形成与焊接过程中晶界和相界面的塑性变形密切相关。在拉伸试验中，焊接接头经历了大量的塑性变形，导致断裂发生在ASTM A105侧。这表明焊接金属的延展性优于基材。同样，在夏比冲击试验中，焊接接头的断裂能量较高，进一步验证了其韧性。这些结果表明，PC-GTAW焊接方式能够有效提高焊接接头的韧性，减少脆性断裂的风险。

### 焊接模式对微观结构的影响

研究还发现，PC-GTAW焊接方式相较于CC-GTAW能够显著改善焊接金属的微观结构。在PC-GTAW模式下，焊缝熔池受到脉冲电流的振动和搅拌作用，使得晶粒的生长方向更加均匀，从而形成更细小的等轴晶。这种结构的变化不仅降低了焊缝中的晶粒尺寸，还减少了δ铁素体的含量，提高了焊接金属的均匀性和强度。此外，PC-GTAW焊接方式减少了热输入，从而降低了热影响区的宽度，进一步改善了焊接接头的综合性能。通过XRD分析，还发现焊接金属中的奥氏体主要分布在（111）晶面，这表明晶面取向对材料性能有重要影响。

### 焊接工艺的优化意义

综上所述，PC-GTAW焊接方式在改善异种金属焊接接头的微观结构和力学性能方面具有显著优势。通过减少热输入和控制熔池的凝固过程，PC-GTAW能够形成更细小的晶粒结构，提高焊接金属的硬度和韧性，同时降低热影响区的宽度。这些结果对于实际工业应用具有重要意义，尤其是在需要高强度和良好抗裂性能的高温或低温环境中。此外，研究还表明，焊接接头的断裂模式主要为韧性断裂，这进一步支持了PC-GTAW在提升焊接接头可靠性和使用寿命方面的潜力。因此，未来在异种金属焊接领域，应进一步推广PC-GTAW焊接技术，以实现更优的焊接质量与性能。