SAF2507與Q235鋼異種金屬焊接接頭組織研究

王一鳴 ，王 新 ，劉 潔 ，范光偉 ，李 睿，崔衛(wèi)則

（1.太原科技大學材料科學與工程學院，山西太原 030024；2.山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術中心，山西太原 030003）

所謂雙相不銹鋼（Duplex Stainless Steel，DSS）具體指此類鋼種的微觀組織是由鐵素體和奧氏體兩相構成，同時每種單一相所占的體積分數(shù)約為整體的50%，其機械性能及力學性能兼具奧氏體和鐵素體不銹鋼的杰出特性。如奧氏體不銹鋼所具備的優(yōu)異塑、韌性與可焊性，鐵素體不銹鋼所具備的優(yōu)異強硬度與抗氯離子應力腐蝕特性，所以，在石油開采及運輸、化工制造、建筑工程、制藥工程等行業(yè)中具備廣闊的應用前景[1-2]。伴隨雙相不銹鋼在工業(yè)生產(chǎn)使用范疇的日益擴展，陸續(xù)碰到和不同種類的金屬材料尤其是與碳鋼之間進行不同種類金屬連接的施焊問題。不同種類的鋼材進行焊接最大的難點在于不同種類的金屬之間在物理和化學性能方面存在很大的差異。對不同種類的金屬施焊過程中，在焊縫處常常不可避免的發(fā)生碳元素遷移、焊縫施焊時顯微組織產(chǎn)生變化、因為兩種金屬熱膨脹系數(shù)的不同導致熱應力的產(chǎn)生、因為塑、韌性的不同以及應力上升導致出現(xiàn)裂紋等問題[3-5]。

針對碳鋼與奧氏體不銹鋼施焊時產(chǎn)生碳元素遷移進而導致焊縫接頭的質(zhì)量出現(xiàn)較大問題，世界各國都對其開展較多研究[3-7]。近些年，國內(nèi)外針對雙相不銹鋼的探究分別使用埋弧焊與爆炸焊的焊接方法在碳鋼表面進行雙相不銹鋼的堆焊，最終使得焊接構件的抗腐蝕性上升[8-9]。因為雙相不銹鋼與低合金鋼在微觀組織、力學和腐蝕特性等方面的差別，使其焊縫接頭處可能產(chǎn)生化學成分梯度分布的改變，從而對焊接工藝參數(shù)的選擇、焊縫接頭力學特性及抗腐蝕特性產(chǎn)生巨大的影響。SAF2507在工程材料中沒有廣泛應用，因此將SAF2507雙相不銹鋼與Q235鋼選取焊條電弧方法（SMAW）進行施焊，針對焊縫接頭微觀組織形態(tài)進行分析研究，以搞清焊縫接頭組織成分及元素遷移的現(xiàn)象。

1 實驗材料和方法

實驗中采用太原鋼鐵集團公司生產(chǎn)的SAF2507雙相不銹鋼板和Q235鋼板進行SMAW對接實驗，二者均為厚度5 mm的鋼板，鋼板供貨狀態(tài)為熱軋態(tài)，實驗材料成分見表1.

實驗所用設備采用上海滬工ZX7-400逆變式直流弧焊機，焊接方法為直流反接的單道焊。其中，焊條電弧焊（SMAW）采用直徑為3.2mm的ER2510焊條，焊速 1.2cm·min-1～1.8cm·min-1，電流 90A～130A，電壓 20 V，熱輸入 0.2 kJ·mm-1～1.5 kJ·mm-1.焊接坡口加工成Y型坡口，坡口角度60°，根部間隙為1mm，鈍邊為1 mm，如圖1所示。

焊前焊條需經(jīng)200℃～250℃烘焙1 h，工件要求全焊透。將焊好試板舍去20 mm后采用線切割機切成小塊，對其進行金相組織觀察。先使用3%～6%的硝酸酒精溶液對碳鋼進行腐蝕，腐蝕時間30 s；再用5 g的高氯化鐵、10 ml鹽酸、10 ml水配置的腐蝕液腐蝕SAF2507，腐蝕時間15 min.使用超景深金相顯微鏡與掃描電子顯微鏡（SEM）對焊縫接頭的組織形態(tài)進行觀察，利用EDS能譜掃描儀對接頭熔合區(qū)及碳鋼熱影響區(qū)處進行化學成分的分析。

表1 母材和焊條的化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

2 結果與分析

2.1 顯微組織

雙相不銹鋼與碳鋼不同種類金屬焊接的接頭區(qū)域是由不銹鋼及碳鋼母材、母材熱影響區(qū)、接頭熔合區(qū)、焊縫等部分構成。圖2a）、2b）分別為雙相不銹鋼SAF2507和Q235鋼母材的顯微組織，雙相不銹鋼SAF2507中奧氏體和鐵素體的體積分數(shù)占整個微觀組織的50%左右，鋼材經(jīng)過熱軋制使得晶粒出現(xiàn)拉長現(xiàn)象。圖2a）看到白色組織為奧氏體相，黑色組織為鐵素體相，圖2b）顯示碳鋼焊前組織為鐵素體相。

圖3為使用ER2510焊條得到焊縫的顯微組織。圖3a）可以看到在Q235鋼一側(cè)的熔合區(qū)發(fā)現(xiàn)明顯的黑色和白色帶狀組織且熔合區(qū)附近晶粒為等軸晶。圖3b）為焊縫的微觀組織，可以看到晶粒呈等軸晶且組織為黑色的鐵素體和白色的奧氏體，這是由于ER2510焊條的組織決定的，ER2510焊條與SAF2507母材組織相同均為鐵素體+奧氏體相。圖3c）可以看到SAF2507熔合區(qū)奧氏體組織晶粒長大且奧氏體和鐵素體呈不均勻分布。

圖1 SAF2507和Q235鋼焊接模型

圖2 施焊前雙相不銹鋼SAF2507和Q235鋼的微觀組織

圖3 SAF2507和Q235鋼焊縫的顯微組織

2.2 凝固過渡層

SAF2507雙相不銹鋼與Q235鋼進行SMAW焊時，由于二者材料的導熱性能有所差異，焊槍槍頭偏向SAF2507雙相不銹鋼一側(cè)故焊接接頭與母材附近熔合區(qū)處變成液態(tài)的金屬溫度略有差異，導致接頭熔合區(qū)中液態(tài)金屬的流動性能下降，機械攪拌作用也因此降低，致使焊縫金屬的成分與Q235鋼的成分出現(xiàn)明顯差別，是以出現(xiàn)熔合區(qū)處已熔融的母材金屬與填充金屬沒有辦法完全融合的現(xiàn)象，致使接近焊縫邊緣的熔合區(qū)上產(chǎn)生一塊狹小的不完全融合區(qū)域，經(jīng)常稱其為凝固過渡層。學者[10-12]研究發(fā)現(xiàn)此過渡層是由接頭熔合線和命名為“第二類邊界線”（type IIboundary）構成的，如圖 5a）所示。圖5b）為使用EDS對第二類邊界區(qū)域進行能譜掃描分析，發(fā)現(xiàn)在此區(qū)域存在較高的Fe、Cr元素和較低的Ni、Mo、Mn等元素。由于ER2510焊條與SAF2507雙相不銹鋼母材化學成分相似且其含Ni量還略高于雙相不銹鋼母材本身，焊條和Q235鋼母材存在較大的合金元素梯度使得合金元素發(fā)生擴散。又由于增碳層阻止了合金元素向Q235鋼深入擴散，故而 Fe、Cr、Ni、Mo、Mn等合金元素發(fā)生聚集，形成金屬間化合物，最終在焊縫金屬中的雙相組織間形成明顯的第二類邊界。

圖4 第二類邊界線顯微組織

2.3 碳遷移過渡層

SAF2507雙相不銹鋼母材和ER2510焊條的碳元素濃度較小，將其和碳元素濃度相對較大的Q235鋼施以焊接時，Q235鋼中的碳元素在母材熔合區(qū)處出現(xiàn)遷移現(xiàn)象且發(fā)生聚集，致使碳元素濃度較大的Q235鋼熔合區(qū)處形成脫碳層區(qū)域及黑色帶狀的增碳層區(qū)域如圖5a）所示。圖5b）是對增碳層進行EDS能譜點掃描分析Cr元素的含量，可以看到在增碳層中存在較高的Fe元素峰值和較低的Cr元素峰值，文獻[13]研究發(fā)現(xiàn)增碳層是類馬氏體混合區(qū)域，不僅含有碳化物，還有板條狀馬氏體、孿晶狀馬氏體等脆性組織，這也與EDS能譜分析相一致。由于熔合區(qū)界面發(fā)生碳元素遷移產(chǎn)生的結果誘使焊縫接頭的蠕變特性下降，抗熱疲勞特性降低，脫碳層區(qū)域容易出現(xiàn)裂紋進而導致脆性斷裂。再因為碳遷移是產(chǎn)生于母材熔合區(qū)的界面附近，焊縫接頭中就會呈現(xiàn)較為明顯的硬度梯度，脫碳層區(qū)域Cr元素濃度的匱乏，致使焊縫接頭抗腐蝕特性降低。

依據(jù)文獻[14]的記載，從本質(zhì)上來說碳遷移的產(chǎn)生是因為Cr元素與碳元素之間有較強的結合力，二者極易結合形成穩(wěn)定的碳化物致使碳元素的活躍度下降，是以碳元素出現(xiàn)上坡擴散。在碳元素的發(fā)生擴散的同時，填充金屬中的Cr元素滲透進熔合區(qū)與C元素結合，在熔合區(qū)附近的組織中沉淀出鉻的碳化物并持續(xù)生長。在碳元素發(fā)生擴散的初始階段，焊縫中的Cr元素的濃度相對較大，是以碳元素擴散速率較快。伴隨填充金屬的持續(xù)熔化，Cr元素同碳元素不停的結合，生成結構比較穩(wěn)定的含Cr碳化物，當Cr元素的損耗達到一定比例后，焊縫中的Cr元素濃度降低，碳元素的擴散速率也因此逐步下降。焊縫中的Cr元素同碳元素完全結合生成穩(wěn)定的合金碳化物組織后，碳遷移現(xiàn)象終止熔合區(qū)及焊縫的微觀組織置于比較穩(wěn)定的形態(tài)，即形成上述增脫碳層，EDS能譜分析結果與文獻一致。

電流分別為 90 A，100 A，115 A，130 A條件下對試板進行金相組織觀察得到增脫碳層寬度逐漸增大，與文獻所述的研究一致，焊接電流越大，熔池溫度越高，液體的流動性增強，攪拌作用增加，增脫碳層的寬度相對是一個增大的過程。通過實驗驗證，碳元素在增脫碳層區(qū)域中的擴散和焊接電流息息相關，電流越大熔合區(qū)溫度越高，擴散速率越大，增脫碳層也就越明顯。

為了降低母材熔合區(qū)附近的碳遷移，施焊過程中對于填充金屬的選用就成為主要的參考標準。文獻[15-17]通過比對不同焊接材料進行異種金屬的焊接發(fā)現(xiàn)合金元素Ni對降低焊接接頭中的碳遷移起有利作用，這是因為Ni元素對碳有較大的溶解度，又由于Ni元素能夠增加微觀組織發(fā)生石墨化，使得含Cr碳化物的穩(wěn)定性有所下降，減弱了強碳化物形成元素像Cr元素同碳元素的結合能力，是以本實驗選取的是ER2510焊條，其Ni的含量高于母材中Ni的含量，熔池金屬組織也與母材組織相近，而且避免了焊后熱處理達到減少碳元素遷移的目的，大大延長焊接接頭的的使用壽命。

圖5 碳遷移過渡層顯微組織

3 結論

1）通過EDS能譜掃描對第二類邊界化學成分分析得知，第二類邊界中含有大量的Fe、Cr和少量的Ni、Mo、Mn等合金元素，沒有發(fā)現(xiàn)碳元素的存在，說明第二類邊界是由 Fe、Cr、Ni、Mo、Mn等合金元素構成的金屬間化合物。

2）通過EDS能譜掃描對增、脫碳層化學成分分析得知，在增、脫碳層中發(fā)現(xiàn)少量的Cr元素，有些區(qū)域還會有微量的Ni元素，增碳層的組織中存在碳化物脆性相。

3）隨著焊接電流在有效范圍內(nèi)的增大，增、脫碳層的寬度增大，焊縫的耐腐蝕性下降。

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