奥氏体不锈钢因有较高强度和好的低温韧性等性能,在航空航天、建筑、石油化工等领域广泛应用。某型号航空构件在采用1Cr18Mn8Ni5N节镍性奥氏体不锈钢进行生产时发现,TIG焊接头易在热影响区产生微小裂纹,导致其焊接件质量差,严重降低了生产效率。为此,本文采用刚性拘束的平板对接试验,研究了工艺参数、冷却方式、拘束形式对裂纹的影响规律,并利用SEM、EDS、XRD、测温等分析测试手段,观察了各工艺条件的接头显微组织及残余应力等特征,分析了裂纹的形成机制。所得研究结果如下:熔焊接头分为焊缝、熔合区、热影响区和母材四个部分。热影响区可细分为铁素体析出区和粗晶区。焊缝、熔合区和铁素体析出区组织均为δ铁素体和奥氏体,铁素体在焊缝中呈骨架状和板条状;在熔合区为蠕虫状,而在靠近熔合区的铁素体析出区为沿晶界析出的蠕虫状和条块状,限制了奥氏体晶粒长大,使其仍保持细小的晶粒。离熔合区稍远的奥氏体则因无铁素体析出限制生长,形成了粗晶区。接头所形成的裂纹为热裂纹,其在垫加云母片的慢冷速、纵向加强拘束以及热输入250-290J·mm-1的综合条件下才产生,主要分布在接头表面。该裂纹并非由元素偏聚或形成了金属间化合物所致,而是晶粒粗大和焊接应力造成的。裂纹自铁素体析出区与晶粒尺寸均匀性差的粗晶区结合处在快速加热和冷却所产生的拉应力作用下形成,随后沿粗大奥氏体晶粒的晶界进行扩展,甚至在紧邻粗晶区一侧的母材也形成了裂纹。高温热处理试验发现,当温度低于1050℃时,奥氏体晶粒长大速率很慢,在1000℃保温60min后晶粒尺寸仍小于80μm;当温度等于或高于1050℃时,晶粒长大速率显著加快,保温60min后晶粒尺寸长大到几百微米。在1050℃保温低于30min,钢的晶粒长大速率快;保温时间高于30min时,晶粒长大速率明显放慢。随着晶粒尺寸由50μm增加至180μm,材料的室温抗拉强度已由812.73MPa降低至729.65MPa,表明晶粒长大对材料强度具有较强的减弱。在1050℃保温30min以上的晶粒尺寸才与产生裂纹的接头粗晶区晶粒尺寸相近。而焊接时热影响区的高温停留时间并未超过10s,反映出焊接过程中的粗晶区晶粒长大行为比热处理的更加剧烈。测温发现,热影响区峰值温度可达到1200℃左右,虽然衬底材料对热影响区峰值温度影响不大,但明显改变了热影响区的高温停留时间及冷速。垫加隔热材料(即云母片)的热影响区冷速约为27.08℃/s,粗晶区晶粒得到充分长大,平均尺寸已达到100μm。而与中碳钢直接接触的热影响区冷速为48.4℃/s,是云母片的1.8倍,晶粒尺寸仅略大于母材的,粗化程度轻。与母材相比,热影响区发生明显软化,并且热影响区的残余应力较大,绝对值约为380MPa,而母材和焊缝的残余应力则较低。热影响区沿厚度方向呈现出不同的残余应力分布,靠近上表面和下表面的残余应力绝对值较大,中部略低。冷速对沿板厚方向的残余应力分布影响较小;热输入250-290J·mm-1的热影响区残余应力较大,但当进一步增加热输入,残余应力则有所降低。适当加快接头冷速、增开坡口能有效地抑制热影响区晶粒粗化,控制裂纹产生。坡口角度越大,则粗晶区奥氏体晶粒长大程度越轻。50-70°坡口接头成形良好,沿厚度方向的粗晶区晶粒尺寸较为一致,整个接头具有良好的塑性和强度。