氮?dú)鈱?duì)SAF 2507雙相不銹鋼GTAW焊接接頭組織與性能影響

杜東方，肖 峰，孫學(xué)杰，劉 潔

（1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽(yáng)618000；2.太原科技大學(xué)，山西 太原030024）

氮?dú)鈱?duì)SAF 2507雙相不銹鋼GTAW焊接接頭組織與性能影響

杜東方1，肖 峰1，孫學(xué)杰1，劉 潔2

（1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽(yáng)618000；2.太原科技大學(xué)，山西 太原030024）

采用GTAW焊接SAF2507雙相不銹鋼，焊絲為ER2594，保護(hù)氣體為Ar+N2。研究了保護(hù)氣體中氮?dú)猓é眨∟2）=0～5%）比例對(duì)SAF2507 GTAW焊接接頭組織和性能的影響。結(jié)果表明，隨著保護(hù)氣體中N2含量的增加，焊縫組織中奧氏體相增多，硬度下降，耐點(diǎn)腐蝕性能增強(qiáng)；當(dāng)N2含量到達(dá)5%時(shí)，產(chǎn)生焊接飛濺和焊接氣孔，接頭焊縫沖擊功降低；采用φ（Ar）+φ（N2）2%～3%保護(hù)的焊接工藝,焊接接頭能保持較好的相比例，焊接接頭的組織、力學(xué)和點(diǎn)腐蝕等綜合性能更優(yōu)。

氮?dú)猓籗AF2507；GTAW；力學(xué)性能；點(diǎn)腐蝕

0 前言

SAF2507雙相不銹鋼由于具有鉻、鉬、氮含量高和低鎳的優(yōu)化組合設(shè)計(jì)，綜合力學(xué)性能和耐腐蝕性能優(yōu)異，已被廣泛應(yīng)用在海洋、石油化工、煤電、造紙等特殊行業(yè)，應(yīng)用前景廣闊[1-2]。此種鋼焊接的最大問題是如何保證焊后所具有的綜合力學(xué)性能和高的耐腐蝕性能，對(duì)此影響有三個(gè)方面：一是焊接過程中氮的損失；二是焊后組織雙相比例的變化；三是焊后接頭中有害相的析出。其中焊接過程中氮的損失是焊接SAF2507遇到的最大問題。鋼中氮的加入起到一個(gè)固溶強(qiáng)化作用，它在一定程度上可以減少金屬間相的析出，還能提高焊后焊縫金屬的強(qiáng)度及耐腐蝕性能[3-4]，由于在焊接過程中不可避免的會(huì)有氮的損失，這就降低了焊縫中的固溶氮含量，從而造成接頭性能的下降，因此，SAF2507雙相不銹鋼焊接時(shí)首先需要考慮補(bǔ)充氮的損失問題，保證焊接接頭性能。在焊接過程中，保護(hù)氣體中加入氮?dú)馐菑浹a(bǔ)焊縫金屬中損失的氮含量時(shí)采用的一種方法，國(guó)內(nèi)外對(duì)此已有一定的應(yīng)用[5-6]。但在GTAW焊接的保護(hù)氣體加中入氮?dú)夂勘壤龑?duì)SAF2507雙相不銹鋼板（厚度0.5～6 mm）力學(xué)和組織性能影響的研究非常少，隨著科技的發(fā)展，更多的行業(yè)對(duì)SAF2507雙相不銹鋼焊接件的需求會(huì)越來越大，因此開展好該鋼種焊接的基礎(chǔ)研究工作對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用有至關(guān)重要的意義。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究采用的試驗(yàn)方法為 GTAW焊接，母材為太原鋼鐵公司生產(chǎn)的SAF2507（UNSS32750），焊絲ER2594，直徑φ2.4 mm，其主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 母材與焊絲的化學(xué)成分%

1.2 試驗(yàn)方法

采用時(shí)代WS-400焊機(jī)，焊接方法為GTAW直流正接，試板加工尺寸為300 mm×150 mm×6 mm，V形坡口對(duì)接焊，坡口角度60°，根部間隙為2 mm，鈍邊2 mm。為了研究保護(hù)氣體中氮?dú)獗壤龑?duì)SAF2507焊接接頭組織與性能的影響，采用φ（Ar）100%、φ（Ar）99%+φ（N2）1%、φ（Ar）98%+φ（N2）2%、φ（Ar）97.5%+φ（N2）2.5%、φ（Ar）97%+φ（N2）3%、φ（Ar）95%+φ（N2）5%共六種工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，并控制層間溫度不大于150℃。不同保護(hù)氣體下的接頭焊接工藝參數(shù)如表2所示，保護(hù)氣體流量為12 L/min。

表2 不同保護(hù)氣體條件下的焊接工藝參數(shù)

金相侵蝕標(biāo)準(zhǔn)按照ASTM A923-A執(zhí)行，侵蝕液為40%NaOH，電解侵蝕電壓為3 V，時(shí)間為50 s；相比例測(cè)定根據(jù)GB6401-1986標(biāo)準(zhǔn)，采用計(jì)點(diǎn)法測(cè)定；采用Hitachi S-4800型掃描電鏡觀察和分析焊接接頭；沖擊試驗(yàn)根據(jù)GB/T229-2007標(biāo)準(zhǔn)，采用5 mm×10 mm×55 mm的V型缺口沖擊試樣，在JB-300 B試驗(yàn)機(jī)上對(duì)不同試驗(yàn)獲得的接頭的焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)；硬度測(cè)試按GB/2654-2008標(biāo)準(zhǔn)在HXS-1000A顯微硬度計(jì)上測(cè)定；點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)按ASTM G48標(biāo)準(zhǔn)，在50℃±2℃的6%FeCl3溶液中浸蝕24 h后計(jì)算其平均腐蝕速率。

2 結(jié)果和分析

2.1 組織觀測(cè)結(jié)果及分析

2.1.1 接頭金相組織觀察與相比例分析

圖1為不同氮?dú)獗壤Ｗo(hù)氣體條件下焊接接頭的金相組織，其中BM表示母材，HAZ表示熱影響區(qū)，WM表示焊縫。由圖1可知，白色為奧氏體，灰色為鐵素體，隨著焊接時(shí)保護(hù)氣體中氮?dú)夂康脑黾?，奧氏體相逐漸增加。利用相比例計(jì)算，由圖2可知，保護(hù)氣體中隨著氮?dú)夂康脑黾樱附咏宇^組織中奧氏體相不斷增加，并且焊縫金屬中的奧氏體相比熱影響區(qū)中的高，說明在焊接過程中通過增加保護(hù)氣體中氮?dú)夂磕軌虼龠M(jìn)熔敷金屬對(duì)氮元素的吸收，而氮元素同時(shí)又是奧氏體化元素，由于通過加氮?dú)獾姆绞綇浹a(bǔ)了焊接過程中氮的損失，增加了焊接接頭中的氮，從而增大了奧氏體相的比例。隨著保護(hù)氣體中氮?dú)獗壤脑黾?，?dāng)?shù)獨(dú)獗壤_(dá)到5%時(shí)，也就是GTAW焊接中保護(hù)氣體為φ（Ar）95%+φ（N2）5%時(shí)發(fā)現(xiàn)焊接過程中產(chǎn)生飛濺，焊接電弧不穩(wěn)，焊接過程不易控制。

2.2.2 接頭掃描電鏡觀察及XRD分析

σ相、Cr2N等這些有害相在SAF2507鋼焊接中最容易析出，由于這些有害相的析出會(huì)嚴(yán)重破壞鋼的力學(xué)性能及腐蝕性，因此需要檢測(cè) SAF2507 GTAW焊接過程中是否析出σ相和Cr2N，對(duì)φ（Ar）97%+φ（N2）3%和φ（Ar）95%+φ（N2）5%工藝下的焊接接頭進(jìn)行SEM觀察和XRD分析，如圖3、圖4所示。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，由圖4可知，只存在α和γ兩相，并沒有σ相和Cr2N析出。由圖3還可知，在φ（Ar）95%+φ（N2）5%工藝下的焊接接頭的SEM照片中有大量的黑洞出現(xiàn)，應(yīng)用RT檢測(cè)發(fā)現(xiàn)這些黑洞就是氣孔，而在其他工藝條件下的焊接接頭中并沒有發(fā)現(xiàn)氣孔的出現(xiàn)。

圖1 不同保護(hù)氣體條件下焊接接頭的金相組織

圖 2 SAF2507焊接接頭中奧氏體相含量與不同氮?dú)夤に嚄l件下的關(guān)系曲線

2.2 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果及分析

2.2.1 沖擊實(shí)驗(yàn)

保護(hù)氣體中不同氮?dú)獗壤龡l件下焊接接頭的室溫沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，保護(hù)氣體中氮?dú)獗壤讦眨ˋr）97%～100%+φ（N2）0～3%的實(shí)驗(yàn)條件下，隨著氮?dú)獗壤奶岣?，焊縫處和熱影響區(qū)的沖擊功都逐漸增大，在φ（Ar）95%+φ（N2）5%保護(hù)氣體條件下焊接接頭的沖擊功又突然下降，并且比純氬氣保護(hù)下的焊接接頭的沖擊功還要低，這是因?yàn)樵诤附舆^程中增大保護(hù)氣體中氮?dú)獾谋壤?，可以使焊接接頭吸收氮元素而達(dá)到增氮的目的，氮是一種強(qiáng)烈的奧氏體化元素，這就促使接頭中形成更多的奧氏體相（奧氏體相是一種韌性相），進(jìn)而提高了材料的韌性，所以在φ（Ar）+φ（N2）0～3%工藝下隨著氮?dú)獗壤奶岣邲_擊功逐漸升高，而在φ（Ar）95%+φ（N2）5%工藝下由于形成了很多的氣孔，反而降低了材料的韌性，沖擊功下降。

圖3 φ（Ar）97%+φ（N2）3%和φ（Ar）95%+φ（N2）5%焊縫處的SEM照片

圖4 φ（Ar）97%+φ（N2）3%和φ（Ar）95%+φ（N2）5%工藝條件下焊接接頭的XRD衍射圖

圖5 SAF2507焊接接頭中焊縫和熱影響區(qū)沖擊功與不同氮?dú)夤に嚄l件下的關(guān)系曲線

2.2.2 顯微硬度實(shí)驗(yàn)

SAF2507焊接接頭中不同區(qū)域顯微硬度與不同氮?dú)夤に嚄l件下的關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6可知，在幾種試驗(yàn)方案中隨著保護(hù)氣體中氮?dú)獗壤脑黾?，硬度在焊縫和熱影響區(qū)中也逐漸降低，并且焊縫和熱影響區(qū)硬度都比母材中的值高，其中熱影響區(qū)中硬度最高。

圖 6 SAF2507焊接接頭中不同區(qū)域顯微硬度與不同氮?dú)夤に嚄l件下的關(guān)系曲線

2.3 點(diǎn)腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖7為不同氮?dú)獗壤に嚄l件下焊接接頭的點(diǎn)腐蝕速率。由圖7可知，隨著保護(hù)氣體中氮?dú)獗壤脑黾?，焊接接頭的點(diǎn)腐蝕速率逐漸減少，說明保護(hù)氣體中氮?dú)獾脑黾痈纳屏撕附咏宇^的點(diǎn)腐蝕性能。在SAF2507焊接過程中，通過增加焊接過程中保護(hù)氣體氮?dú)獾谋壤梢源龠M(jìn)焊接接頭中氮元素的吸收，從而彌補(bǔ)焊接過程中氮的損失，有研究認(rèn)為氮主要存在于奧氏體中，在焊接熔融過程中能夠促使鐵素體中的鉻、鉬轉(zhuǎn)移到奧氏體中，從而提高奧氏體中的點(diǎn)蝕電位[7]，而氮同時(shí)又是奧氏體化元素，可以擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，達(dá)到奧氏體占優(yōu)的焊縫成分，改善了SAF2507焊接接頭的耐點(diǎn)腐蝕性能。

圖7 SAF2507焊接接頭在不同氮?dú)夤に嚄l件下的點(diǎn)蝕率

3 結(jié)論

（1）隨著保護(hù)氣體中N2含量的增加，焊縫組織中奧氏體相增多，硬度下降，耐點(diǎn)腐蝕性能增強(qiáng)。

（2）當(dāng)N2含量到達(dá)5%時(shí)，產(chǎn)生焊接飛濺和焊接氣孔，接頭焊縫沖擊功降低。

（3）采用φ（Ar）+φ（N2）2%～3%保護(hù)的焊接工藝，焊接接頭能保持較好的相比例，焊接接頭的組織、力學(xué)和點(diǎn)腐蝕等綜合性能更優(yōu)。

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Effect of N2on the microstructure and properties of welded joint in GTAW for SAF2507 duplex stainless steel

DU Dongfang1，XIAO Feng1，SUN Xuejie1，LIU Jie2
（1.Sichuan Engineering Technical College，Deyang 618000，China；2.Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China）

In this paper，SAF2507 is welded by GTAW with ER2594 as filler metal,and the shielding gas is Ar+N2.The effect of the proportion of N（2φ（N）20～5%）on the microstructure and mechanical properties of welded joints in GTAW for SAF2507 are studied.The results show that as the content of N2 in the shielding gas increases，the austenitic phase of weld metal increases，the micro-hardness declines and the property of pitting corrosion enhances；When the content of N2is 5%，there are spatter and pores，and the impact energy of weld metal reduces;by using φ（Ar）+φ（N）22%～3%welding parameters，the phase ratio，microstructure，pitting corrosion and mechanical properties of welded joints are better.

N2；SAF2507；GTAW；mechanical properties；pitting corrosion

TG407

：A

：1001-2303（2015）10-0145-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.33

2015-05-23；

：2015-07-16

山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目（20120321015-02）

杜東方（1984—），男，河南駐馬店人，碩士，主要從事高強(qiáng)度超級(jí)不銹鋼焊接性能、焊接工藝及組織方面的研究工作。