304不銹鋼焊接接頭具有良好的力學性能。對于一些具有焊接缺陷的接頭，可以采取補焊或多次補焊的方式進行修復，但不同補焊次數會影響304不銹鋼焊接接頭的力學性能。本工作通過拉伸、彎曲和沖擊試驗，以及金相組織和斷口ＳＥＭ分析，對經過多次補焊的304不銹鋼焊接接頭處的力學性能進行研究。試驗結果表明，隨著補焊次數增加，補焊區力學性能和延伸率逐漸降低；試件均為韌性斷裂，一次補焊界面斷裂在融合線附近，二次補焊界面斷裂在熱影響區。
補焊作為焊接工藝中的一環，常用來修補一些有焊接缺陷的工件來保證焊接生產過程的正常進行。補焊具有生產率高、成本低、修復質量較高、修復的零件更耐用等優點，因此研究補焊對焊接件的力學性能的影響顯得尤為重要。奧氏體鋼具有優良的強度、韌性以及焊接性能，被廣泛應用于各類工業。隨著焊接技術的進步，奧氏體鋼焊接結構件已被應用于航空、航天以及汽車等領域。通過各型號鋼材補焊后的優良性能對比，已經能生產出各類耐腐蝕、耐高溫的焊接結構件。
其中304不銹鋼具有優良的耐腐蝕、耐熱性能，受到各行各業的青睞。但304不銹鋼也有缺點，如導熱性差、線膨脹系數大等，使得補焊區域變形較大、殘余應力高，從而對焊接質量產生了不利影響，張正偉等在研究殘余應力對鋁合金板疲勞壽命影響的過程中發現，焊接殘余應力的引入縮短了焊接結構件的壽命。此外，根據王洪廣等對補焊后產生的殘余應力的研究，補焊區周圍的金屬固態化阻礙了補焊時的金屬熱塑性變形，導致冷卻后的殘余應力增大。因此在補焊過程中應重點關注補焊區的狀況，防止局部補焊區域的應力腐蝕。但是補焊過程中，若出現焊接位置缺陷嚴重的情況，則需要對缺陷部位進行多次補焊，而補焊次數需要根據材料特性和缺陷嚴重程度來確定。補焊次數過少，不足以填補缺陷，而補焊次數過多會導致焊接接頭性能下降，因此焊接工藝里補焊次數要求不超過兩次。
不同于用有限元軟件分析補焊工藝對殘余應力分布的影響，本工作采用二氧化碳氣體保護焊的補焊方法對304不銹鋼進行補焊，通過拉伸、彎曲和沖擊試驗得出焊接接頭的各項力學性能，對比分析補焊對接頭組織的性能影響，再通過斷口的金相組織得出補焊次數對焊接接頭斷裂區的影響，為304不銹鋼的補焊工藝及實際生產提供經驗。
１實驗
１．１試驗材料
試驗采用的304不銹鋼，充填材料為３０８Ｌ焊絲；焊接方法采用二氧化碳氣體保護焊，焊接電流Ｉ＝３００Ａ，電弧電壓Ｕ＝３０～３７Ｖ，焊接速度４ｍｍ／ｍｉｎ。焊前采用機械方法清理試板正反面坡口中心范圍內的氧化物與污物。對接頭進行兩次補焊（見圖１），并對焊后的試板取樣進行抗拉、彎曲、沖擊、硬度、顯微組織和斷口分析。試樣的取樣位置參照ＩＳＯ１５６１４—２：２００５標準執行，如圖２所示。
１．２試驗方法及設備
拉伸力學性能試驗試樣取樣位置為一次補焊界面與二次補焊界面，每個界面分別取四組試樣。焊接接頭拉伸試驗按照ＧＢ／Ｔ２６５１—２００８執行，試驗件尺寸如圖３ａ所示，設備型號為Ｉｎｓｔｒｏｎ８８０１電液伺服萬能試驗機（制造商：美國ＩＮ?ＳＴＲＯＮ，圖４ａ），以２ｍｍ／ｍｉｎ的速率進行拉伸試驗。彎曲試驗采用ＷＤＷ?１００Ｅｗａｎｑｕ試驗機（圖４ｂ）。選用壓頭直徑２０ｍｍ，輥筒軸心間距為３０ｍｍ，試驗速率為２ｍｍ／ｍｉｎ。使用電火花線切割機制備彎曲件后，使用砂紙對其待測表面進行打磨，彎曲試樣如圖３ｂ所示，其長度１５０ｍｍ，寬度為１０ｍｍ。沖擊試驗依據標準ＥＮ８７５實施，焊縫金屬應采用ＶＷＴ型（Ｖ表示恰貝Ｖ形缺口，Ｗ表示缺口開在焊縫金屬，Ｔ表示缺口開在厚度方向）試樣，熱影響區可采用ＶＨＴ型（Ｈ表示缺口開在熱影響區）試樣。沖擊試樣根據缺口所處位置不同分為兩類：一類缺口開在焊縫中心（圖３ｃ），另一類缺口開在熱影響區（圖３ｄ），其中Ｖ型缺口角度為α＝（４５±２）°，缺口根部半徑Ｒ＝（０．２５±０．０２５）ｍｍ，表面粗糙度Ｒａ＝５μｍ，缺口深度為２ｍｍ，沖擊設備見圖４ｃ。硬度測量試樣尺寸見圖３ｆ，試驗設備為ＨＶＳ?１０００Ａ型數顯顯微硬度試驗機（見圖４ｄ），測定試樣的顯微硬度時，加載試驗力為１．９６１Ｎ，加載載荷ＨＶ０．２，保荷時間為１０ｓ。
２結果與分析
２．１拉伸力學性能
每個焊接界面取四個試樣進行抗拉強度測試并取測試結果的平均值。表１是304不銹鋼補焊下拉伸試驗結果。第一次補焊的四個拉伸試件的抗拉強度分別為６０２．１９ＭＰａ、５９９．２９ＭＰａ、５９５．３６ＭＰａ和６０６．４７ＭＰａ，平均抗拉強度為６００．８３ＭＰａ；第二次補焊的四個拉伸試件的抗拉強度分別為５９２．５７ＭＰａ、５８６．２９ＭＰａ、５９５．１６ＭＰａ、５９５．２６ＭＰａ，平均抗拉強度為５９２．３２ＭＰａ。第一次補焊的四個拉伸試件的延伸率分別為４５．３％、４５．１％、４４．５％和４５．７％，平均延伸率為４５．１５％；第二次補焊的四個拉伸試件的延伸率分別為４３．５％、４２．７％、４３．２％和４３．２％，平均延伸率為４３．１５％。查閱文獻可知，304不銹鋼母材的抗拉強度和延伸率分別為６５０ＭＰａ和５５％。根據試驗結果可知，第一次補焊界面的抗拉強度較高，達到母材９２．４％，延伸率達到母材的８２．１％；第二次補焊界面的抗拉強度和延伸率是較低，分別只達到母材的９１．５％和７８．４％。這種結果歸因于熱輸入的影響：第一次補焊界面的熱輸入相對較低，晶粒粗化小，補焊區軟化程度小，所以強度相對較高；隨著補焊次數的增加，熱輸入越來越大，并且每增加一次補焊就會對上一次補焊產生很高的熱輸入，使補焊區軟化現象更加嚴重，因此強度降低。
圖５是拉伸試樣斷裂后表面形貌，其中一次補焊界面斷裂位置遠離熱影響區，而二次補焊界面斷在熱影響區附近，基本上都是斷在補焊軟化區附近。圖６為拉伸試樣時的載荷位移曲線圖。從圖６中可以看出：當位移小于６ｍｍ時，載荷呈線性增加，表明該區域內試件發生彈性變形；當位移繼續增加后，由于試件發生塑性變形，載荷增長速率開始減小。曲線變化規律與其斷裂位置和路徑有關。
２．２彎曲力學性能
圖７為彎曲后試件變形情況，由于彎曲試件在撤掉外加載荷后會發生一定的回復現象，所以試件彎曲角度并未達到１８０°；彎曲后，二次補焊的彎曲性能相對較低，試件表面均未出現裂紋，證明了試件均具有較好的彎曲性能。表２是304不銹鋼不同補焊次數下彎曲試驗結果，一次補焊的兩個試件的最大彎曲載荷分別為１０３．４１ｋＮ和１０５．４３ｋＮ；二次補焊的兩個試件的最大彎曲載荷分別為６５．０１ｋＮ和６１．６９ｋＮ。這一結果表明其最大值差距較小。一次補焊和二次補焊的平均最大彎曲載荷分別為１０４．４２ｋＮ、６３．３５ｋＮ。彎曲結果表明：隨著補焊次數的增加，最大彎曲載荷呈現逐漸較小的趨勢。這一結果和拉伸強度結果相對應。
２．３沖擊力學性能
沖擊試樣每組取六個，其中三個為補焊區試樣，另外三個為熱影響區試樣。由于沖擊試驗波動大，統計最終結果三個試驗值求平均。圖８為沖擊試驗后的試樣，表３為不同補焊次數下ＶＨＴ型沖擊試驗結果。一次補焊的三組沖擊吸收功分別為１２８．２２９Ｊ、１２６．２６８Ｊ和１２３．７５０Ｊ，沖擊韌性分別為１６０．２８６Ｊ／ｃｍ２、１５７．８３５Ｊ／ｃｍ２和１５４．６８８Ｊ／ｃｍ２；二次補焊的三組沖擊吸收功分別為１２３．４７０Ｊ、１１８．１７０Ｊ和１１０．９５４Ｊ，沖擊韌性分別為１５４．３３８Ｊ／ｃｍ２、１４７．７１２Ｊ／ｃｍ２、和１３８．６９２Ｊ／ｃｍ２。
表４為不同補焊次數下ＶＷＴ型沖擊試驗結果。一次補焊的三組沖擊吸收功分別為１４６．７５０Ｊ、１４８．４３２Ｊ和１４１．１３７Ｊ，沖擊韌性分別為１８３．４３８Ｊ／ｃｍ２、１８５．５４０Ｊ／ｃｍ２和１７６．４２２Ｊ／ｃｍ２；二次補焊的三組沖擊吸收功分別為１３６．３６３Ｊ、１３６．９２５Ｊ和１２９．９０９Ｊ，沖擊韌性分別為１７０．４５４Ｊ／ｃｍ２、１７１．１５７Ｊ／ｃｍ２和１６２．３８７Ｊ／ｃｍ２。
根據彎曲試驗結果可知，第一次補焊的沖擊韌性較好，ＶＷＴ和ＶＨＴ型沖擊韌性分別為１８１．８００Ｊ／ｃｍ２和１５７．６０３Ｊ／ｃｍ２；第二次補焊的沖擊韌性較差，ＶＷＴ和ＶＨＴ型沖擊韌性分別為１６７．９９９Ｊ／ｃｍ２和１４６．９１４Ｊ／ｃｍ２。在不同補焊條件下，ＶＷＴ型沖擊韌性要比ＶＨＴ型的沖擊韌性要好。隨著補焊次數的增加，ＶＷＴ和ＶＨＴ型的沖擊韌性都呈現下降趨勢。沖擊韌性受到諸多因素的影響，除了材料本身的物理性能外，與焊后晶粒尺寸、缺陷、夾雜等因素均有關聯。二次補焊樣件及熱影響區樣件組織晶粒受焊接熱影響粗化，由金相顯微組織觀察可知，其晶粒尺寸比補焊區大，軟化程度更大，力學性能降低，受到沖擊時承受的沖擊功較小，沖擊韌性較低。
２．４顯微硬度試驗
試驗時沿板厚方向測兩排硬度，測量位置見圖９。本工作304不銹鋼補焊區的硬度測試點沿著補焊區中心線向水平方向排布，測試點之間間隔１ｍｍ，每個試樣測試３０個點左右，每次補焊分別沿厚度方向測量三條硬度曲線，即上、中、下三條曲線。第一、二排硬度測試點分別距離補焊試樣頂部２．５ｍｍ和５ｍｍ；第三層硬度測試點距下表面２．５ｍｍ。每層依次測量接頭的母材區、焊核區和熱影響區硬度，測量熔合區、焊核區硬度測試點間距１ｍｍ。
圖１０ａ、ｂ分別為一次補焊和二次補焊區顯微硬度分布。整體趨勢是從焊核區到母材區硬度從小變大再變小，母材區的硬度值最小，而焊接接頭最大硬度出現在熔合線附近的粗晶熱影響區，這是由粗晶區晶粒長大及淬硬組織出現造成的。因為在熔化焊下，焊核中的晶粒比母材小，晶粒尺寸的大小決定顯微硬度，晶粒越小，晶界就越多，阻礙位錯移動的能力就越強，抵抗塑性變形能力就越強，硬度值也會相應增大。并且在補焊過程中又會有部分強化相析出，導致補焊區焊核顯微硬度大于母材。另外，由圖１０可知，第二次補焊焊核區的顯微硬度大于第一次補焊，平均比第一次補焊大１１ＨＶ。主要是因為第二次補焊對第一次補焊區產生熱處理的作用，使得焊核區產生了強化相，強化相的存在導致了硬度的增大。因此，304不銹鋼焊接區顯微硬度在熱影響區最大，焊核區的硬度和母材硬度相對于熱影響區較小，且母材處的顯微硬度最小。在兩次補焊過程中，有部分強化相析出，導致焊核區硬度大于母材。在遠離焊核區方向的完全淬火細晶區，晶粒尺寸較小，組織細小均勻，硬度同母材基體硬度接近。
２．５金相組織
圖１１為拉伸試樣的斷口形貌圖（ＳＥＭ電鏡掃描）。斷口宏觀分為纖維狀區、放射狀區以及剪切唇區。由圖１１可見，纖維區位于斷口中央，與外加應力垂直，呈粗糙的纖維狀園環形花樣，為暗灰色，?？捎^察到顯微空洞和鋸齒狀；其底部晶粒被拉長像纖維一樣，為裂紋萌生區。放射區具有放射花樣特征，其發散或收斂方向為裂紋擴展方向；同時，纖維區與放射區交界線標志著裂紋由穩定擴展向快速擴展轉變。剪切唇區通常表面較光滑，與拉應力方向呈４５°。從宏觀形貌中可以看出，拉伸試樣發生了較大的頸縮現象，出現了剪切唇與纖維區，且斷口微觀形貌中出現了韌窩結構，斷面收縮率大于５％，說明該斷裂為韌性斷裂。試件在拉應力作用下發生塑性變形，隨著應力逐漸增大，第二相粒子與夾雜物周圍出現松動，與基體發生分離形成微孔，微孔長大形成孔洞，孔洞之間的距離逐漸減小而聚集連接，試件斷裂后孔洞連接在一起，形成韌窩結構。纖維區為裂紋萌生區，裂紋擴展速率較低，且主要受到正應力的作用，因此其斷面粗糙、韌窩結構呈現等軸狀。與二次補焊試件相比較，一次補焊韌窩更大更深，這與韌窩經歷更大的拉力與更久的裂紋擴展相關，也與拉伸試驗力學性能數據相符合；同時，二次補焊也導致了試件延伸率有所降低。由圖１１ｂ所示，二次補焊的材料覆蓋在焊核上部，斷裂區域為金屬光亮結晶狀顆粒，為典型脆斷特征。
３結論
（１）隨著補焊次數的增加，熱輸入影響變大，304不銹鋼的補焊區焊接接頭力學性能逐漸降低。
（２）由于粗晶區晶粒長大及淬硬組織出現，從焊核區到母材區硬度是從小變大再變小，焊接接頭最大硬度出現在熔合線附近的粗晶熱影響區；同時，第二次補焊焊核區的顯微硬度大于第一次補焊。
（３）焊接接頭拉伸斷裂形式為韌性斷裂，并出現了較明顯的頸縮現象；產生了剪切唇與纖維區，且斷口微觀形貌中出現了韌窩結構。
