310S不锈钢管因铬、镍的含量较高，具有良好的耐氧化、耐腐蚀性、耐高温性和高的蠕变强度，常用来制造在腐蚀性强、温度高条件下工作的管道、阀体、燃气轮机叶片等零部件。但其焊接接头容易产生热裂纹、气孔、晶间腐蚀等[2]问题。本文采用TIG和SMAW两种焊接方法对310S不锈钢管进行焊接，通过工艺试验、拉伸、硬度等力学试验和显微组织分析等手段研究了其焊接接头的组织和力学性能，为材料的实际生产应用提供理论依据。
一、试验材料与方法
母材为310S不锈钢管，供货状态为固溶处理态，尺寸为内壁准100mm、管长150mm、壁厚8mm。焊管机械加工60°V形坡口，清理坡口及附近污染物，然后擦洗，再用清水冲净及机械方法去除氧化膜。采用准2.5mmH0Cr26Ni21焊丝进行TIG(WSM-400型氩弧焊机)打底焊、准4mmA402焊条进行SWAW填充焊和盖面焊；试件不预热，层间需清渣处理，层间温度不大于120℃。焊接工艺参数见表。
焊后,对焊接试样进行宏观检查和采用XXG-3005型X射线探伤仪进行无损探伤；拉伸实验在WAW-300B试验机上进行；焊接试样经砂纸打磨、抛光和稀释的王水溶液(HCl:HNO3:H2O=3:1:2)腐蚀后，采用ZEISSAxioLabAlMat型光学显微镜观察接头显微组织，用401MVDTM数显显微硬度计测试其硬度；用TescanVEGAII-LMH型扫描电镜观察断口形貌。
二、试验结果及讨论
1. 焊缝外观与无损检测
宏观检查，焊缝成型良好，无咬边、表面气孔、裂纹、烧穿、焊瘤和弧坑等缺陷。用X射线进行检测，焊缝质量符合JB/T4730.2-2005的Ⅱ级标准。
2. 焊接接头的显微硬度
焊接接头的显微硬度分布如图所示。可见，焊缝区显微硬度高，热影响区硬度略高于母材。这主要由于焊丝和焊条的碳、锰、硅等元素含量均高于母材，使得焊缝组织中生成的铁素体含量增加，而铁素体属于脆性相，热影响区硬度略低于焊缝主要由于受热作用晶粒粗大的缘故；而硬度值又高于母材硬度值可能由于溶质原子的扩散。
3. 焊接接头的显微组织
图为焊接接头的显微组织。手工TIG打底的焊缝中部组织基本上倾向于胞状组织，这主要由于保护气体的冷却作用，温度梯度较大，虽受到下道焊缝热循环的作用，仍得到胞状组织，而采用SMAW填充得到的焊缝中部组织倾向于柱状枝晶，这主要是由于310S不锈钢管导热系数小，线膨胀系数大，焊缝易得到沿热流方向外延生长的柱状晶组织；又因焊缝金属的合金成分较复杂，而焊接凝固过程中的成分过冷，δ铁素体主要分布在树枝状奥氏体基体的枝晶间；热影响区组织亦为奥氏体，但由于过热和再结晶等原因其晶粒较粗大，母材区组织为奥氏体。因此，焊缝组织主要由胞状和树枝状组成的奥氏体和少量铁素体组织。焊缝金属中少量的δ铁素体，既能提高焊缝的抗热裂性，又能保持较好的耐腐蚀性能。焊缝金属结晶以奥氏体开始，由于铬等铁素体形成元素的偏析[5]，在奥氏体晶粒边界生成共晶铁素体，冷却到室温得到的是晶粒中心为奥氏体，而晶粒边界为分散的球状或棒状的共晶铁素体。
4. 拉伸性能与断口形貌
根本拉伸试验结果可知，3组拉伸试样全部断裂于母材基体上；焊接接头抗拉强度值高于母材抗拉强度值520MPa，说明在上述工艺条件下焊接接头具有良好的拉伸性能。拉伸断口具有大而深的韧窝和撕裂棱，表明断口处材料塑性良好，为韧窝断裂。
三、结论
1. 采用上述焊接工艺、选用准2.5mmH0Cr26Ni21焊丝和准4mm A402焊条对310S不锈钢管焊接得到的焊缝未发现裂纹、气孔等缺陷，焊接性能良好；焊接接头的强度较高，拉伸试验断裂部位在母材；焊缝区和热影响区硬度都略高于母材。焊接接头力学性能良好，符合相关规范要求。
2. 焊缝区的显微组织为胞状和树枝状组成的奥氏体和少量铁素体组织。热影响区的显微组织仍为奥氏体，但由于过热和再结晶等原因其晶粒较粗大；拉伸断裂于母材基体上，为韧性断裂。