304不锈钢焊接接头具有良好的力学性能。对于一些具有焊接缺陷的接头，可以采取补焊或多次补焊的方式进行修复，但不同补焊次数会影响304不锈钢焊接接头的力学性能。本工作通过拉伸、弯曲和冲击试验，以及金相组织和断口ＳＥＭ分析，对经过多次补焊的304不锈钢焊接接头处的力学性能进行研究。试验结果表明，随着补焊次数增加，补焊区力学性能和延伸率逐渐降低；试件均为韧性断裂，一次补焊界面断裂在融合线附近，二次补焊界面断裂在热影响区。
补焊作为焊接工艺中的一环，常用来修补一些有焊接缺陷的工件来保证焊接生产过程的正常进行。补焊具有生产率高、成本低、修复质量较高、修复的零件更耐用等优点，因此研究补焊对焊接件的力学性能的影响显得尤为重要。奥氏体钢具有优良的强度、韧性以及焊接性能，被广泛应用于各类工业。随着焊接技术的进步，奥氏体钢焊接结构件已被应用于航空、航天以及汽车等领域。通过各型号钢材补焊后的优良性能对比，已经能生产出各类耐腐蚀、耐高温的焊接结构件。
其中304不锈钢具有优良的耐腐蚀、耐热性能，受到各行各业的青睐。但304不锈钢也有缺点，如导热性差、线膨胀系数大等，使得补焊区域变形较大、残余应力高，从而对焊接质量产生了不利影响，张正伟等在研究残余应力对铝合金板疲劳寿命影响的过程中发现，焊接残余应力的引入缩短了焊接结构件的寿命。此外，根据王洪广等对补焊后产生的残余应力的研究，补焊区周围的金属固态化阻碍了补焊时的金属热塑性变形，导致冷却后的残余应力增大。因此在补焊过程中应重点关注补焊区的状况，防止局部补焊区域的应力腐蚀。但是补焊过程中，若出现焊接位置缺陷严重的情况，则需要对缺陷部位进行多次补焊，而补焊次数需要根据材料特性和缺陷严重程度来确定。补焊次数过少，不足以填补缺陷，而补焊次数过多会导致焊接接头性能下降，因此焊接工艺里补焊次数要求不超过两次。
不同于用有限元软件分析补焊工艺对残余应力分布的影响，本工作采用二氧化碳气体保护焊的补焊方法对304不锈钢进行补焊，通过拉伸、弯曲和冲击试验得出焊接接头的各项力学性能，对比分析补焊对接头组织的性能影响，再通过断口的金相组织得出补焊次数对焊接接头断裂区的影响，为304不锈钢的补焊工艺及实际生产提供经验。
１实验
１．１试验材料
试验采用的304不锈钢，充填材料为３０８Ｌ焊丝；焊接方法采用二氧化碳气体保护焊，焊接电流Ｉ＝３００Ａ，电弧电压Ｕ＝３０～３７Ｖ，焊接速度４ｍｍ／ｍｉｎ。焊前采用机械方法清理试板正反面坡口中心范围内的氧化物与污物。对接头进行两次补焊（见图１），并对焊后的试板取样进行抗拉、弯曲、冲击、硬度、显微组织和断口分析。试样的取样位置参照ＩＳＯ１５６１４—２：２００５标准执行，如图２所示。
１．２试验方法及设备
拉伸力学性能试验试样取样位置为一次补焊界面与二次补焊界面，每个界面分别取四组试样。焊接接头拉伸试验按照ＧＢ／Ｔ２６５１—２００８执行，试验件尺寸如图３ａ所示，设备型号为Ｉｎｓｔｒｏｎ８８０１电液伺服万能试验机（制造商：美国ＩＮ⁃ＳＴＲＯＮ，图４ａ），以２ｍｍ／ｍｉｎ的速率进行拉伸试验。弯曲试验采用ＷＤＷ⁃１００Ｅｗａｎｑｕ试验机（图４ｂ）。选用压头直径２０ｍｍ，辊筒轴心间距为３０ｍｍ，试验速率为２ｍｍ／ｍｉｎ。使用电火花线切割机制备弯曲件后，使用砂纸对其待测表面进行打磨，弯曲试样如图３ｂ所示，其长度１５０ｍｍ，宽度为１０ｍｍ。冲击试验依据标准ＥＮ８７５实施，焊缝金属应采用ＶＷＴ型（Ｖ表示恰贝Ｖ形缺口，Ｗ表示缺口开在焊缝金属，Ｔ表示缺口开在厚度方向）试样，热影响区可采用ＶＨＴ型（Ｈ表示缺口开在热影响区）试样。冲击试样根据缺口所处位置不同分为两类：一类缺口开在焊缝中心（图３ｃ），另一类缺口开在热影响区（图３ｄ），其中Ｖ型缺口角度为α＝（４５±２）°，缺口根部半径Ｒ＝（０．２５±０．０２５）ｍｍ，表面粗糙度Ｒａ＝５μｍ，缺口深度为２ｍｍ，冲击设备见图４ｃ。硬度测量试样尺寸见图３ｆ，试验设备为ＨＶＳ⁃１０００Ａ型数显显微硬度试验机（见图４ｄ），测定试样的显微硬度时，加载试验力为１．９６１Ｎ，加载载荷ＨＶ０．２，保荷时间为１０ｓ。
２结果与分析
２．１拉伸力学性能
每个焊接界面取四个试样进行抗拉强度测试并取测试结果的平均值。表１是304不锈钢补焊下拉伸试验结果。第一次补焊的四个拉伸试件的抗拉强度分别为６０２．１９ＭＰａ、５９９．２９ＭＰａ、５９５．３６ＭＰａ和６０６．４７ＭＰａ，平均抗拉强度为６００．８３ＭＰａ；第二次补焊的四个拉伸试件的抗拉强度分别为５９２．５７ＭＰａ、５８６．２９ＭＰａ、５９５．１６ＭＰａ、５９５．２６ＭＰａ，平均抗拉强度为５９２．３２ＭＰａ。第一次补焊的四个拉伸试件的延伸率分别为４５．３％、４５．１％、４４．５％和４５．７％，平均延伸率为４５．１５％；第二次补焊的四个拉伸试件的延伸率分别为４３．５％、４２．７％、４３．２％和４３．２％，平均延伸率为４３．１５％。查阅文献可知，304不锈钢母材的抗拉强度和延伸率分别为６５０ＭＰａ和５５％。根据试验结果可知，第一次补焊界面的抗拉强度较高，达到母材９２．４％，延伸率达到母材的８２．１％；第二次补焊界面的抗拉强度和延伸率是较低，分别只达到母材的９１．５％和７８．４％。这种结果归因于热输入的影响：第一次补焊界面的热输入相对较低，晶粒粗化小，补焊区软化程度小，所以强度相对较高；随着补焊次数的增加，热输入越来越大，并且每增加一次补焊就会对上一次补焊产生很高的热输入，使补焊区软化现象更加严重，因此强度降低。
图５是拉伸试样断裂后表面形貌，其中一次补焊界面断裂位置远离热影响区，而二次补焊界面断在热影响区附近，基本上都是断在补焊软化区附近。图６为拉伸试样时的载荷位移曲线图。从图６中可以看出：当位移小于６ｍｍ时，载荷呈线性增加，表明该区域内试件发生弹性变形；当位移继续增加后，由于试件发生塑性变形，载荷增长速率开始减小。曲线变化规律与其断裂位置和路径有关。
２．２弯曲力学性能
图７为弯曲后试件变形情况，由于弯曲试件在撤掉外加载荷后会发生一定的回复现象，所以试件弯曲角度并未达到１８０°；弯曲后，二次补焊的弯曲性能相对较低，试件表面均未出现裂纹，证明了试件均具有较好的弯曲性能。表２是304不锈钢不同补焊次数下弯曲试验结果，一次补焊的两个试件的最大弯曲载荷分别为１０３．４１ｋＮ和１０５．４３ｋＮ；二次补焊的两个试件的最大弯曲载荷分别为６５．０１ｋＮ和６１．６９ｋＮ。这一结果表明其最大值差距较小。一次补焊和二次补焊的平均最大弯曲载荷分别为１０４．４２ｋＮ、６３．３５ｋＮ。弯曲结果表明：随着补焊次数的增加，最大弯曲载荷呈现逐渐较小的趋势。这一结果和拉伸强度结果相对应。
２．３冲击力学性能
冲击试样每组取六个，其中三个为补焊区试样，另外三个为热影响区试样。由于冲击试验波动大，统计最终结果三个试验值求平均。图８为冲击试验后的试样，表３为不同补焊次数下ＶＨＴ型冲击试验结果。一次补焊的三组冲击吸收功分别为１２８．２２９Ｊ、１２６．２６８Ｊ和１２３．７５０Ｊ，冲击韧性分别为１６０．２８６Ｊ／ｃｍ２、１５７．８３５Ｊ／ｃｍ２和１５４．６８８Ｊ／ｃｍ２；二次补焊的三组冲击吸收功分别为１２３．４７０Ｊ、１１８．１７０Ｊ和１１０．９５４Ｊ，冲击韧性分别为１５４．３３８Ｊ／ｃｍ２、１４７．７１２Ｊ／ｃｍ２、和１３８．６９２Ｊ／ｃｍ２。
表４为不同补焊次数下ＶＷＴ型冲击试验结果。一次补焊的三组冲击吸收功分别为１４６．７５０Ｊ、１４８．４３２Ｊ和１４１．１３７Ｊ，冲击韧性分别为１８３．４３８Ｊ／ｃｍ２、１８５．５４０Ｊ／ｃｍ２和１７６．４２２Ｊ／ｃｍ２；二次补焊的三组冲击吸收功分别为１３６．３６３Ｊ、１３６．９２５Ｊ和１２９．９０９Ｊ，冲击韧性分别为１７０．４５４Ｊ／ｃｍ２、１７１．１５７Ｊ／ｃｍ２和１６２．３８７Ｊ／ｃｍ２。
根据弯曲试验结果可知，第一次补焊的冲击韧性较好，ＶＷＴ和ＶＨＴ型冲击韧性分别为１８１．８００Ｊ／ｃｍ２和１５７．６０３Ｊ／ｃｍ２；第二次补焊的冲击韧性较差，ＶＷＴ和ＶＨＴ型冲击韧性分别为１６７．９９９Ｊ／ｃｍ２和１４６．９１４Ｊ／ｃｍ２。在不同补焊条件下，ＶＷＴ型冲击韧性要比ＶＨＴ型的冲击韧性要好。随着补焊次数的增加，ＶＷＴ和ＶＨＴ型的冲击韧性都呈现下降趋势。冲击韧性受到诸多因素的影响，除了材料本身的物理性能外，与焊后晶粒尺寸、缺陷、夹杂等因素均有关联。二次补焊样件及热影响区样件组织晶粒受焊接热影响粗化，由金相显微组织观察可知，其晶粒尺寸比补焊区大，软化程度更大，力学性能降低，受到冲击时承受的冲击功较小，冲击韧性较低。
２．４显微硬度试验
试验时沿板厚方向测两排硬度，测量位置见图９。本工作304不锈钢补焊区的硬度测试点沿着补焊区中心线向水平方向排布，测试点之间间隔１ｍｍ，每个试样测试３０个点左右，每次补焊分别沿厚度方向测量三条硬度曲线，即上、中、下三条曲线。第一、二排硬度测试点分别距离补焊试样顶部２．５ｍｍ和５ｍｍ；第三层硬度测试点距下表面２．５ｍｍ。每层依次测量接头的母材区、焊核区和热影响区硬度，测量熔合区、焊核区硬度测试点间距１ｍｍ。
图１０ａ、ｂ分别为一次补焊和二次补焊区显微硬度分布。整体趋势是从焊核区到母材区硬度从小变大再变小，母材区的硬度值最小，而焊接接头最大硬度出现在熔合线附近的粗晶热影响区，这是由粗晶区晶粒长大及淬硬组织出现造成的。因为在熔化焊下，焊核中的晶粒比母材小，晶粒尺寸的大小决定显微硬度，晶粒越小，晶界就越多，阻碍位错移动的能力就越强，抵抗塑性变形能力就越强，硬度值也会相应增大。并且在补焊过程中又会有部分强化相析出，导致补焊区焊核显微硬度大于母材。另外，由图１０可知，第二次补焊焊核区的显微硬度大于第一次补焊，平均比第一次补焊大１１ＨＶ。主要是因为第二次补焊对第一次补焊区产生热处理的作用，使得焊核区产生了强化相，强化相的存在导致了硬度的增大。因此，304不锈钢焊接区显微硬度在热影响区最大，焊核区的硬度和母材硬度相对于热影响区较小，且母材处的显微硬度最小。在两次补焊过程中，有部分强化相析出，导致焊核区硬度大于母材。在远离焊核区方向的完全淬火细晶区，晶粒尺寸较小，组织细小均匀，硬度同母材基体硬度接近。
２．５金相组织
图１１为拉伸试样的断口形貌图（ＳＥＭ电镜扫描）。断口宏观分为纤维状区、放射状区以及剪切唇区。由图１１可见，纤维区位于断口中央，与外加应力垂直，呈粗糙的纤维状园环形花样，为暗灰色，常可观察到显微空洞和锯齿状；其底部晶粒被拉长像纤维一样，为裂纹萌生区。放射区具有放射花样特征，其发散或收敛方向为裂纹扩展方向；同时，纤维区与放射区交界线标志着裂纹由稳定扩展向快速扩展转变。剪切唇区通常表面较光滑，与拉应力方向呈４５°。从宏观形貌中可以看出，拉伸试样发生了较大的颈缩现象，出现了剪切唇与纤维区，且断口微观形貌中出现了韧窝结构，断面收缩率大于５％，说明该断裂为韧性断裂。试件在拉应力作用下发生塑性变形，随着应力逐渐增大，第二相粒子与夹杂物周围出现松动，与基体发生分离形成微孔，微孔长大形成孔洞，孔洞之间的距离逐渐减小而聚集连接，试件断裂后孔洞连接在一起，形成韧窝结构。纤维区为裂纹萌生区，裂纹扩展速率较低，且主要受到正应力的作用，因此其断面粗糙、韧窝结构呈现等轴状。与二次补焊试件相比较，一次补焊韧窝更大更深，这与韧窝经历更大的拉力与更久的裂纹扩展相关，也与拉伸试验力学性能数据相符合；同时，二次补焊也导致了试件延伸率有所降低。由图１１ｂ所示，二次补焊的材料覆盖在焊核上部，断裂区域为金属光亮结晶状颗粒，为典型脆断特征。
３结论
（１）随着补焊次数的增加，热输入影响变大，304不锈钢的补焊区焊接接头力学性能逐渐降低。
（２）由于粗晶区晶粒长大及淬硬组织出现，从焊核区到母材区硬度是从小变大再变小，焊接接头最大硬度出现在熔合线附近的粗晶热影响区；同时，第二次补焊焊核区的显微硬度大于第一次补焊。
（３）焊接接头拉伸断裂形式为韧性断裂，并出现了较明显的颈缩现象；产生了剪切唇与纤维区，且断口微观形貌中出现了韧窝结构。
