Super304H/T92異種鋼摩擦焊焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能

贠柯　魯　元　楊　旭　李鵬濤　丁　勇　王若虹（西安特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院 西安 710065）

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Super304H/T92異種鋼摩擦焊焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能

贠柯魯元楊旭李鵬濤丁勇王若虹
（西安特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院 西安 710065）

摘 要：本文利用連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊技術(shù)焊接Super304H/T92異種鋼鋼管，Super304H/T92焊接接頭有良好的顯微組織和力學(xué)性能?？疾炝四Σ?xí)r間對(duì)焊接接頭的微觀組織和力學(xué)性能的影響，研究表明：隨著摩擦?xí)r間的延長(zhǎng)，焊合區(qū)晶粒尺寸沒有明顯變化，熱影響區(qū)Cr23C6等碳化物析出相的數(shù)量逐漸增加，焊接接頭的顯微硬度逐漸增大，沖擊韌性逐漸降低，拉伸斷裂位置和拉伸強(qiáng)度不受影響。

關(guān)鍵詞：Super304H T92 摩擦焊 顯微組織 力學(xué)性能

隨著全球環(huán)境和溫室效應(yīng)問題被提上議題，我國(guó)也提出了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。為了滿足節(jié)能減排和保護(hù)環(huán)境的需要，發(fā)展高效能的超臨界、超超臨界蒸汽參數(shù)的蒸汽循環(huán)發(fā)電機(jī)組是重要的解決途徑。通過提高蒸汽參數(shù)，可以有效改善和提高發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率，為了保障蒸汽參數(shù)提高的工況下機(jī)組的長(zhǎng)周期安全可靠運(yùn)行，必須研究高溫耐熱鋼材焊接技術(shù)［1，2］。T92鋼是細(xì)晶強(qiáng)韌化馬氏體耐熱鋼，比T91等傳統(tǒng)馬氏體耐熱鋼具有更高的蠕變斷裂強(qiáng)度。Super304H鋼是細(xì)晶奧氏體不銹鋼，由于添加Cu、Nb、N合金元素，具有比傳統(tǒng)HR3C奧氏體不銹鋼具有更高的蠕變斷裂強(qiáng)度和抗高溫蒸汽氧化性能。在USC鍋爐過熱器各區(qū)域蒸汽溫度不同，對(duì)所用管材的抗腐蝕性、抗氧化性和高溫蠕變性能的要求也不同，因此，在機(jī)組過熱器管部件中會(huì)出現(xiàn)大量的T92和Super304H異種鋼焊接接頭［3-5］。T92和Super304H異種鋼焊接接頭性能的優(yōu)劣將關(guān)系到機(jī)組的安全可靠運(yùn)行，所以，T92和Super304H異種鋼焊接技術(shù)的研究具有重要的價(jià)值。

實(shí)際工程應(yīng)用中，T92和Super304H異種鋼焊接通常采用手工氫弧焊（GTAW）打底，手工電弧焊（SMAW）對(duì)T92馬氏體鋼和Super304H奧氏體鋼進(jìn)行異種鋼焊接?，F(xiàn)有的焊接工藝具有焊接工藝成熟，適合現(xiàn)場(chǎng)安裝組焊，焊接條件要求低，焊接接頭性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。但是，焊接時(shí)還存在以下問題：1）焊接時(shí)鄰近焊縫部位的母材受熱形成晶粒粗大的熱影響區(qū)，使得熱影響區(qū)材料的韌性降低，從而影響其高溫性能；2） 焊接時(shí)靠近熔合線的焊縫金屬會(huì)出現(xiàn)過渡層（熔合區(qū)），且成分沿著厚度方向是變化的。3）焊接時(shí)焊縫熔合線部位出現(xiàn)碳遷移，焊縫兩端分別會(huì)形成增碳層和脫碳層，降低焊接接頭的性能。連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊是在壓力下，利用被焊工件接觸面相互摩擦產(chǎn)生的摩擦熱，使被焊接面金屬達(dá)到熱塑化狀態(tài)，通過金屬間的擴(kuò)散和再結(jié)晶實(shí)現(xiàn)連接的焊接方法。連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊技術(shù)是目前世界各國(guó)推廣應(yīng)用的先進(jìn)固態(tài)連接技術(shù)，通過扭矩和熱、壓力的綜合冶金作用，焊接接頭焊合區(qū)組織致密、晶粒細(xì)化、夾雜物彌散分布，因此焊接接頭的微觀組織和力學(xué)性能優(yōu)良［6，7］。

摩擦?xí)r間是非常重要的摩擦焊焊接工藝參數(shù)，摩擦?xí)r間決定了焊接接頭的摩擦加熱過程，直接影響焊接接頭的加熱溫度和溫度分布，對(duì)于焊接接頭的焊接質(zhì)量有重要的影響。本文作者利用連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊技術(shù)焊接Super304H奧氏體耐熱鋼和T92馬氏體耐熱鋼鋼管，考察摩擦?xí)r間對(duì)于鋼管焊接接頭的微觀組織和力學(xué)性能的影響，為Super304H/T92異種鋼摩擦焊焊接技術(shù)的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供了參考。

1 實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)用Super304H鋼管是由日本某公司生產(chǎn)，供貨狀態(tài)為固溶處理，T92鋼管是由德國(guó)某公司生產(chǎn)，供貨狀態(tài)為正火+回火，規(guī)格均為φ44.5mm×9mm。鋼管表面質(zhì)量良好，其外觀形貌如圖1所示。

采用SPECTROLAB定量光譜儀實(shí)測(cè)化學(xué)成分見表1。Super304H鋼在TP304H的基礎(chǔ)上添加Cu、Nb、N合金元素，有利于提高高溫蠕變斷裂強(qiáng)度和耐腐蝕性能。T92鋼是在T91鋼的基礎(chǔ)上利用W部分取代Mo得到的新型Cr-Mo低合金耐熱鋼，具有更高的許用應(yīng)力、高溫強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度。Super304H和T92鋼的力學(xué)性能指標(biāo)見表2。Super304H鋼和T92鋼母材的金相組織如圖2所示，Super304H鋼的基體為奧氏體組織，晶粒細(xì)小，金相組織有部分孿晶，晶內(nèi)和晶界上分布有少量碳化物析出相。T92鋼的金相組織為回火馬氏體，馬氏體板條形狀清晰可見，部分馬氏體板條界已轉(zhuǎn)變?yōu)閬喚Ы纾倭刻蓟镌谠瓓W氏體晶界和馬氏體板條界形成。

表1　Super304H鋼及T92鋼化學(xué)成分 （Wt%）

表2　Super304H鋼及T92鋼的室溫力學(xué)性能

圖2　Super304H鋼和T92鋼金相組織

使用連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊機(jī)C320進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)為：一級(jí)加壓階段，轉(zhuǎn)速為1500r/min，摩擦壓力為50MPa，摩擦?xí)r間為2s；二級(jí)加壓階段，轉(zhuǎn)速為1500r/min，摩擦壓力為150MPa，摩擦?xí)r間為工藝1（6s）、工藝2（10s）和工藝3（14s）；頂鍛階段，頂鍛壓力為200MPa， 頂鍛時(shí)間為5s。為了消除焊接接頭的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行焊后熱處理，加熱溫度960℃，保溫時(shí)間2h。焊接接頭經(jīng)外觀檢查和X射線無損檢驗(yàn)，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋存在。利用RGM-4300電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸強(qiáng)度和彎曲實(shí)驗(yàn)，拉伸和彎曲試樣加工尺寸參考承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)NB/T 47016—2011［8］，制備拉伸試樣6個(gè)，取平均值，制備面彎和背彎試樣各2個(gè)。利用GL-JBDW-300C沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊韌性實(shí)驗(yàn)，沖擊試樣加工尺寸參考金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法GB/T 229—2007［9］，焊接接頭焊合區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)各取3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣為一組，取平均值。利用數(shù)顯顯微硬度計(jì)MHVD-1000APS測(cè)量試樣的顯微硬度（試驗(yàn)力范圍200gf，實(shí)驗(yàn)載荷200g，加載時(shí)間15s），每個(gè)部位測(cè)量硬度6個(gè)點(diǎn)，取平均值。制備金相試樣，試樣拋光后，焊接接頭Super304H側(cè)用稀硝酸溶液進(jìn)行腐蝕，焊接接頭T92側(cè)用硫酸銅溶液進(jìn)行腐蝕，利用光學(xué)顯微鏡XJP6A觀察金相組織，利用JSM-6390A型掃描電子顯微鏡觀察試樣的斷口形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 Super304H/T92焊接接頭的顯微組織

圖3～圖5是不同摩擦?xí)r間的Super304H/T92鋼焊接接頭試樣的金相組織。焊接接頭的金相組織由焊合區(qū)和熱影響區(qū)組成。Super304H/T92鋼摩擦焊焊接過程中，焊合區(qū)產(chǎn)生粘合、體積塑形粘滯和剪切撕裂行為，導(dǎo)致焊合區(qū)晶粒發(fā)生變形，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力和晶格畸變能增大。因?yàn)闊崴苄宰冃螠囟冉档?，再結(jié)晶晶粒單位體積自由能隨之降低，產(chǎn)生大量均勻的再結(jié)晶形核，導(dǎo)致焊合區(qū)以動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的細(xì)晶組織為主。Super304H/T92鋼焊接接頭的焊合區(qū)包括焊接界面，焊接界面Super304H側(cè)或T92側(cè)30μm區(qū)域。焊合區(qū)中心為Super304H/T92焊接界面，界面清晰平直，局部因?yàn)楹附舆^程中粘合和剪切撕裂行為，Super304H側(cè)的焊合區(qū)中偶爾出現(xiàn)T92的夾層組織，夾層組織與焊接界面平行。焊接界面Super304H側(cè)30μm區(qū)域內(nèi)，因?yàn)閯?dòng)態(tài)再結(jié)晶的細(xì)化晶粒作用，焊縫組織以細(xì)小的奧氏體等軸晶為主。焊接界面T92側(cè)30μm區(qū)域內(nèi)，焊縫組織因?yàn)槟Σ廉a(chǎn)生的高溫導(dǎo)致馬氏體組織奧氏體化，再加上動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的細(xì)化晶粒作用，形成細(xì)小的奧氏體等軸晶，隨著冷卻過程，奧氏體等軸晶轉(zhuǎn)化為回火馬氏體，部分馬氏體內(nèi)部發(fā)生回火分解，板條狀不明顯［10］。因?yàn)?，Super304H/T92鋼摩擦焊焊接接頭焊縫組織的Super304H/T92焊接界面結(jié)合良好，焊接界面兩側(cè)30μm區(qū)域內(nèi)的奧氏體和回火馬氏體晶粒細(xì)小，所以焊合區(qū)具有較高的強(qiáng)度。

Super304H/T92鋼摩擦焊焊接工藝屬于固相焊接，焊合區(qū)未發(fā)生焊材和局部母材金屬熔化，焊接過程中熱影響區(qū)的熱輸入遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氬弧焊熱影響區(qū)的熱輸入。所以，Super304H側(cè)和T92側(cè)熱影響區(qū)寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氬弧焊熱影響區(qū)寬度，沒有氬弧焊T92側(cè)熱影響區(qū)通常存在的以塊狀δ鐵素體相為主的過熱區(qū)。此外，摩擦焊熱影響區(qū)的晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì)沒有氬弧焊熱影響區(qū)的晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì)明顯，晶粒尺寸相對(duì)較小。Super304H側(cè)熱影響區(qū)的粗大奧氏體晶粒隨著與焊接界面距離逐漸增大，晶粒尺寸逐漸減小，直到與母材區(qū)晶粒尺寸一樣［11］。T92側(cè)熱影響區(qū)的馬氏體板條束和板條尺寸明顯增大，隨著與焊接界面的距離逐漸增大，馬氏體板條束和板條尺寸逐漸減小，直到與母材區(qū)尺寸一樣。Super304H側(cè)和T92側(cè)熱影響區(qū)寬度較窄，沒有過熱區(qū)存在，所以熱影響區(qū)組織具有較高的強(qiáng)度。

圖3　工藝1的焊接接頭金相組織

圖4　工藝2的焊接接頭金相組織

圖5　工藝3的焊接接頭金相組織

Super304H/T92摩擦焊表面溫度與摩擦焊接熱源溫度相同，直接影響焊接接頭的加熱溫度、溫度分布、接頭金屬的變形與擴(kuò)散，對(duì)于Super304H/T92焊接接頭的微觀組織有很大影響。在焊接焊件時(shí)，摩擦焊熱源被認(rèn)為是一個(gè)線性傳播的連續(xù)均布的面狀熱源。如果不考慮向周圍空間的散熱，根據(jù)焊接熱過程計(jì)算公式，金屬摩擦焊表面的溫度為［12］：

式中：

T（t）——摩擦焊接表面溫度；

t——摩擦加熱時(shí)間；

q——摩擦加熱功率（焊接熱源的功率）；

λ——熱導(dǎo)率；

C——熱容量。

摩擦加熱功率為［12］：

式中：

q—摩擦加熱功率；

T—摩擦轉(zhuǎn)矩；

n—轉(zhuǎn)速。

摩擦轉(zhuǎn)矩主要取決于摩擦壓力和摩擦因數(shù)，摩擦因數(shù)主要由焊接材料，轉(zhuǎn)速和摩擦壓力，焊接表面狀況等決定。因此，Super304H/T92摩擦焊焊接過程中，當(dāng)焊接材料，轉(zhuǎn)速和摩擦壓力，焊接表面狀況等一定，摩擦轉(zhuǎn)矩和摩擦加熱功率不變，隨著摩擦加熱時(shí)間增加，摩擦焊接表面溫度增加。所以，焊縫區(qū)域焊接溫度升高，焊接接頭溫度分布變寬。因?yàn)楹负蠀^(qū)持續(xù)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程，雖然摩擦?xí)r間延長(zhǎng)導(dǎo)致焊合區(qū)焊接溫度升高，但是焊接界面兩側(cè)30μm內(nèi)的焊合區(qū)組織晶粒尺寸沒有發(fā)生明顯變化。隨著摩擦?xí)r間延長(zhǎng)，焊接過程中熱影響區(qū)的熱輸入增加，導(dǎo)致熱影響區(qū)的溫度升高，Super304H側(cè)熱影響區(qū)的奧氏體晶粒尺寸和T92側(cè)熱影響區(qū)的馬氏體板條束和板條尺寸略微增大，Super304H側(cè)區(qū)域的Cr23C6、Nb（C，N）析出相和T92側(cè)區(qū)域的Cr23C6、（Nb，V） C析出相數(shù)量增加［13］。

2.2 Super304H/T92焊接接頭的力學(xué)性能

2.2.1彎曲和拉伸性能

Super304H/T92鋼摩擦焊焊接接頭的抗拉強(qiáng)度見表3，拉伸試樣的斷裂位置和斷口形貌如圖6所示，拉伸試樣斷裂位置為Super304H母材區(qū)，斷口形貌呈典型的韌性斷裂特征，斷口呈現(xiàn)細(xì)密的韌窩結(jié)構(gòu)，韌窩尺寸大小不一，韌窩內(nèi)可觀察到顆粒狀的析出相。焊接接頭的抗拉強(qiáng)度高于Super304H母材的抗拉強(qiáng)度，因此焊接接頭的強(qiáng)度滿足工程使用要求。制備的面彎和背彎試樣，進(jìn)行彎曲試驗(yàn)后，彎曲試樣的表面良好，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，因此符合使用要求。

表3　Super304H奧氏體耐熱鋼焊接接頭的力學(xué)性能

圖6　Super304H/T92拉伸試樣的斷口位置和形貌

2.2.2 沖擊性能

不同摩擦?xí)r間的Super304H/T92鋼摩擦焊焊接接頭各區(qū)域的沖擊性能見表3，沖擊試樣的斷口形貌見圖7～圖9。Super304H/T92鋼焊接接頭各區(qū)域沖擊試樣的斷口都呈現(xiàn)延性纖維撕裂狀，具有明顯的撕裂形態(tài)。焊合區(qū)細(xì)小的奧氏體晶粒組織和回火馬氏體組織有利于提高焊合區(qū)的沖擊韌性，焊合區(qū)沖擊試樣的斷口形貌是以小韌窩為主的形態(tài)，斷裂方式以韌窩斷裂為主，韌窩的底部有顆粒狀的析出相，晶界上有明顯的撕裂棱，熱影響區(qū)斷口形貌的韌窩尺寸較大，斷口局部較平整。因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)奧氏體晶粒和馬氏體板條尺寸增大，熱影響區(qū)的沖擊韌性略低于焊合區(qū)的沖擊韌性。隨著摩擦?xí)r間延長(zhǎng)，焊合區(qū)的奧氏體晶粒和回火馬氏體晶粒尺寸沒有明顯變化，但是，焊合區(qū)位錯(cuò)密度和晶格畸變能增加，所以沖擊韌性略微下降。因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)的奧氏體晶粒尺寸和馬氏體板條尺寸隨著摩擦?xí)r間增加而增大，以及熱影響區(qū)的Cr23C6等析出相數(shù)量逐漸增加，所以熱影響區(qū)的沖擊韌性下降比較明顯。

圖7　工藝1的沖擊斷口形貌

圖8　工藝2的沖擊斷口形貌

圖9　工藝3的沖擊斷口形貌

2.2.3 顯微硬度

不同摩擦?xí)r間的Super304H/T92奧氏體耐熱鋼摩擦焊焊接接頭各區(qū)域的顯微硬度見表3，因?yàn)楹负蠀^(qū)位錯(cuò)密度和晶格畸變能最大，T92熱影響區(qū)的馬氏體組織本身顯微硬度較高，Cr23C6、（Nb，V） C析出相也提高了顯微硬度，所以焊合區(qū)和T92熱影響區(qū)的顯微硬度較高。雖然Super304H熱影響區(qū)的奧氏體晶粒尺寸較大，Cr23C6和Nb（C，N）析出相數(shù)量也較多，但是，Super304H熱影響區(qū)的顯微硬度與其它區(qū)域相比較低。隨著摩擦?xí)r間延長(zhǎng)，焊合區(qū)位錯(cuò)密度和晶格畸變能增加，焊合區(qū)的顯微硬度逐漸增加，熱影響區(qū)的奧氏體晶粒尺寸和馬氏體板條尺寸增大，以及熱影響區(qū)的Cr23C6等析出相數(shù)量增加，導(dǎo)致熱影響區(qū)的顯微硬度也逐漸增加。

實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，異種鋼摩擦焊技術(shù)因?yàn)槭枪滔嗪附?，與傳統(tǒng)的熔焊工藝相比有以下優(yōu)點(diǎn)，熱影響區(qū)晶粒相對(duì)細(xì)小，不存在熔合區(qū)，也不存在熔合線部位的碳遷移現(xiàn)象，焊接過程全部自動(dòng)化，焊接成本低，焊接過程無污染，不需要焊材，焊接接頭性能優(yōu)良。因此，異種鋼摩擦焊技術(shù)在電站鍋爐、石油化工、航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，異種鋼摩擦焊技術(shù)也存在焊接工藝不成熟，焊接接頭性能不穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)焊接困難等問題，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

3 結(jié)論

本文利用連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊工藝制備性能優(yōu)良的Super304H/T92奧氏體耐熱鋼焊接接頭。焊接接頭的焊接界面結(jié)合良好，焊合區(qū)的奧氏體晶粒和馬氏體板條尺寸細(xì)小，有利于改善焊合區(qū)的力學(xué)性能。拉伸試樣的斷裂位置位于Super304H母材區(qū)，拉伸強(qiáng)度高于Super304H母材強(qiáng)度，各項(xiàng)力學(xué)性能滿足使用要求。摩擦?xí)r間對(duì)于Super304H/T92焊接接頭的微觀組織和力學(xué)性能有一定影響，隨著摩擦?xí)r間增加，熱影響區(qū)的奧氏體晶粒和馬氏體板條增大，Cr23C6等析出相數(shù)量增加，導(dǎo)致焊接接頭各區(qū)域的沖擊韌性下降，顯微硬度增加，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度不受摩擦?xí)r間影響。

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Microstructures and Mechanical Properties of Friction Welded T92/Super304H Dissimilar Steel Weld Joints

Yun Ke Lu Yuan Yang Xu Li Pengtao Ding Yong Wang Ruohong
（ Xi'an Special Equipment Inspection Institute Xi'an 710065）

AbstractIn this paper， T92/Super304H dissimilar steel were welded by friction welded welding process. The friction welded joint of Super304H/T92 exhibited good mechanical and metallurgical properties. The influence of friction time on the structure and properties of T92/Super304H dissimilar steel joints was investigated. With the increase in the friction time， the grains of weld zone didn’t grow up and the number of second-phase particles precipitates increased； meanwhile the microhardness increased， the impact toughness decreased， the tensile fracture and fracture location didn’t change.

KeywordsSuper304H T92 Friction welding Microstructure Mechanical properties

中圖分類號(hào)：X942

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1673-257X（2016）05-0018-05

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.05.003

作者簡(jiǎn)介：贠柯（1985～），男，碩士，副主任，工程師，從事特種設(shè)備檢驗(yàn)和研發(fā)工作。

收稿日期：（2015-09-09）