不銹鋼復(fù)合板界面和焊接接頭顯微組織分析

劉寶璽　殷福星　丁宗凱

摘要： 通過對(duì)稱組坯和真空熱軋技術(shù)，成功制備了不銹鋼復(fù)合板，其界面過渡層主要包括脫碳層、界面和滲碳層，這主要是由于在溫度和壓力作用下，合金元素相互擴(kuò)散所造成的。通過彎曲測(cè)試發(fā)現(xiàn)界面結(jié)合較為優(yōu)良，無脫層裂紋存在。通過彎管和焊接工藝，獲得焊接接頭優(yōu)良的不銹鋼復(fù)合管，其焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)無宏觀和微觀缺陷存在，不銹鋼層熱影響區(qū)晶粒較為粗大，隨著離焊縫距離的減小，碳鋼層組織由不完全重結(jié)晶區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆亟Y(jié)晶區(qū)，又過渡至粗晶區(qū)，而不銹鋼焊縫隨著離熔合區(qū)距離的增加，由少量的平面晶轉(zhuǎn)變?yōu)榘麪罹В詈筠D(zhuǎn)變?yōu)闃渲А?/p>

關(guān)鍵詞： 不銹鋼復(fù)合管；界面組織；脫層裂紋；焊縫組織

中圖分類號(hào)： TG406

Interface characteristics and welded joint microstructureof stainless steel clad plate

Liu Baoxi1，2， Yin Fuxing1，2，Ding Zongkai3

（1.Research Institute for Energy Equipment Materials， Hebei University of Technology， Tianjin 300132， China；

2.Tianjin Key Laboratory of Materials Laminating Fabrication and Interfacial Controlling Technology， Tianjin 300132， China； 3.Huaneng Nuclear Power Co.， Ltd.， Ningde 352000， Fujian， China）

Abstract： The stainless steel clad plate was successfully fabricated by laying-up symmetric and vacuum hot rolling. The interfacial transition zone contains decarburized layer， interface and carburized layer， which is attributed to the diffusion of alloy element at the interface under the high pressure and temperature condition. The bending test reveals a prefect interface presented in the clad plate， without obvious delamination crack. The stainless steel clad pipe with excellent welded joint can be obtained by elbow and welding. There are no macroscopic and microscopic defects in the weld zone， fusion zone and heat affected zone. The heat affect zone of stainless steel layer is comprised of coarse grain， whereas the heat affect zone of carbon steel layer contains coarse grain area， completely recrystallized zone and partial recrystallized zone. With the increase of distance between weld zone and fusion zone， the small plane grain changes into a cellular crystal grain， and finally into a dendrite in the stainless steel weld zone.

Key words： stainless steel clad pipe； interface microstructure； delamination crack； weld microstructure

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，核電設(shè)備、石油化工和海水淡化領(lǐng)域都亟需含Cr，Ni等合金元素的不銹鋼制品。然而為了降低成本、節(jié)約資源和保證服役性能，國內(nèi)外經(jīng)常利用不銹鋼復(fù)合板來代替昂貴的不銹鋼材料。不銹鋼復(fù)合板是通過特定方式將不銹鋼和碳鋼結(jié)合在一起，可充分發(fā)揮不銹鋼的耐蝕、耐磨、耐高溫、抗磁等特點(diǎn)和碳鋼良好的焊接性、成型性、拉延性和導(dǎo)熱性的優(yōu)點(diǎn)。目前不銹鋼復(fù)合板的制備方法主要集中于爆炸焊接方法和真空熱軋法，其中真空熱軋法是在溫度和壓力的同時(shí)作用下，令不銹鋼板與碳鋼板之間的界面在接近真空的狀態(tài)下發(fā)生微觀的塑性流變后相互緊密接觸，從而達(dá)到完全的冶金結(jié)合。與爆炸焊接方法相比，具有無噪聲、生產(chǎn)效率高、過程可控、對(duì)環(huán)境影響小、可大面積規(guī)?；a(chǎn)復(fù)合薄板等優(yōu)勢(shì)，已成為世界上普遍采用的制備工藝[1-4]。

現(xiàn)有不銹鋼復(fù)合管制備技術(shù)中，多采用爆燃加襯制備技術(shù)，即利用爆炸焊接、熱膨脹焊接、熱擴(kuò)散焊接或熱變形法，將不銹鋼管和碳鋼管之間以機(jī)械結(jié)合或半冶金結(jié)合方式形成的弱界面狀態(tài)，這在后續(xù)的矯直、裝配、切割、加工成型、焊接和服役過程中極易發(fā)生脫層裂紋，極大的影響了結(jié)構(gòu)承載能力和耐腐蝕性能。同時(shí)在管與管的連接過程中，不可避免的要對(duì)覆層和基層界面進(jìn)行封焊，這樣又增加了封焊、過渡焊、覆蓋焊等多項(xiàng)焊接工序[5-7]。然而利用真空熱軋后的不銹鋼復(fù)合板，呈現(xiàn)冶金和擴(kuò)散結(jié)合方式的強(qiáng)界面狀態(tài)，可以承受多種應(yīng)力狀態(tài)和加工方式而不發(fā)生脫層破壞，有效的提高了不銹鋼復(fù)合管的成品率[8]。文中利用真空熱軋制備的不銹鋼復(fù)合板，通過彎曲、焊接成型工藝獲得不銹鋼復(fù)合管，分析不銹鋼復(fù)合板界面結(jié)合狀態(tài)對(duì)彎曲變形的影響，并研究不銹鋼復(fù)合管接頭組織形成機(jī)理。

1 試驗(yàn)過程

1.1 材料制備

主要包括不銹鋼復(fù)合板的真空熱軋制備和不銹鋼復(fù)合管的焊接成型兩部分。首先采用對(duì)稱方式對(duì)304不銹鋼和Q235碳鋼進(jìn)行組坯，四周焊接并進(jìn)行抽真空至0.01 Pa后進(jìn)行密封。將已抽完真空的坯料加熱至1 100 ℃后保溫2 h，然后進(jìn)行熱軋?jiān)囼?yàn)。軋制速度為1 m/s，總壓下率約為90%，軋制道次為8道次，后進(jìn)行矯直，獲得覆層厚度為1 mm，總厚度為6 mm的304不銹鋼復(fù)合板。然后對(duì)不銹鋼復(fù)合板進(jìn)行卷制、彎管、焊接、矯直過程，如圖1所示。獲得不銹鋼復(fù)合管，對(duì)不銹鋼復(fù)合管進(jìn)行著色探傷，未發(fā)現(xiàn)有焊接缺陷存在。其中覆層和基層都采用A302不銹鋼焊條進(jìn)行焊接。焊前將A302焊條烘干，烘干溫度為200 ℃，選用的焊接參數(shù)為焊條直徑4 mm、焊接電流140 A、電弧電壓20 V、焊接速度25 cm/min。

x

1.2 分析測(cè)試

利用等離子切割不銹鋼復(fù)合管，以獲取焊縫部位，顯微組織觀察利用蔡司金相顯微鏡和場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡 JSM-7100F，彎曲試驗(yàn)采用日本島津生產(chǎn)的精密電子萬能試驗(yàn)機(jī)（AGS-50kNX），對(duì)不銹鋼復(fù)合板分別進(jìn)行內(nèi)彎和外彎180°，以研究不銹鋼復(fù)合板在彎管過程中界面的完好性。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不銹鋼復(fù)合板組織

真空熱軋后的不銹鋼復(fù)合板組織界面特征如圖2所示。圖2a所示為宏觀照片，可以看到界面比較平直，界面處有明顯的過渡區(qū)存在，碳鋼區(qū)主要由鐵素體和珠光體組成，其中珠光體沿軋制方向呈帶狀分布（圖2b），界面處由于碳元素和鉻元素的相互擴(kuò)散，生成了脫碳層和滲碳層兩個(gè)過渡區(qū)，如圖2c所示。界面處仍有少量微觀孔洞存在，這是由于高溫?cái)U(kuò)散不完全所致。不銹鋼層有大量的軋制亮帶存在，謝廣明等人[9]發(fā)現(xiàn)：通過熱處理可降低軋制亮帶的密度。此外，滲碳區(qū)由大量清晰的等軸晶粒存在，微觀照片如圖2d所示，晶界處存在大量不連續(xù)的納米Cr23C6顆粒存在，并發(fā)現(xiàn)周圍存在微觀孔洞，這是由于碳化物與基體組織熱膨脹系數(shù)和彈性模量的差別所致。

2.2 不銹鋼復(fù)合板彎曲行為

不銹鋼復(fù)合板易于在彎管過程中以發(fā)生脫層斷裂，因此需要研究不銹鋼復(fù)合板在彎曲過程中界面的完好性，圖3為不銹鋼復(fù)合板承受180°內(nèi)彎和外彎測(cè)試后的照片。其位移-載荷曲線如圖3b所示。無論是不銹鋼受壓，還是碳鋼受壓，界面處都未發(fā)生脫層現(xiàn)象（圖3a，3c，3d），因此，利用真空熱軋法制備的不銹鋼復(fù)合板獲得的界面結(jié)合強(qiáng)度較高，可滿足后續(xù)的矯直、裝配、切割、加工成型、焊接和服役要求。

2.2 不銹鋼復(fù)合管焊頭組織

圖4為不銹鋼復(fù)合管的焊接接頭顯微組織照片。從宏觀數(shù)碼照片觀察到焊縫組織優(yōu)良，無宏觀焊接缺陷存在。分別對(duì)各部位進(jìn)行放大觀察發(fā)現(xiàn)，共有6種不同顯微組織。其中焊縫組織主要由柱狀晶存在，如圖4d所示，碳鋼基層的熱影響區(qū)主要包括魏氏體組織，如圖4f所示。對(duì)圖4各部位分別放大觀察，如圖5所示。

圖5a所示的為遠(yuǎn)離焊縫的熱影響區(qū)部位，可以觀察到碳鋼層存在少量的不完全重結(jié)晶區(qū)，組織特征為鐵素體相大小不一，然而珠光體較為細(xì)小。該位置峰值溫度介于750～900 ℃，有部分碳鋼經(jīng)歷兩次相變重結(jié)晶，因而生成細(xì)小的鐵素體和珠光體。而另一部分始終保持初始狀態(tài)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，不銹鋼層熱影響區(qū)只出現(xiàn)粗大的奧氏體晶粒，如圖5b所示，這是因?yàn)椴讳P鋼組織在結(jié)晶前后都為奧氏體相，形態(tài)保持規(guī)則的正六角形。圖5c為離焊縫較近的碳鋼層熱影響區(qū)，發(fā)現(xiàn)珠光體和鐵素體的形貌呈梯度變化，隨著離焊縫距離的減小，碳鋼組織由不完全重結(jié)晶區(qū)過渡為完全重結(jié)晶區(qū)。重結(jié)晶區(qū)的峰值溫度在900～1 100 ℃之間，由大量的細(xì)小且均勻的鐵素體和奧氏體晶粒所組成，此時(shí)碳鋼加熱過程中完全經(jīng)歷了轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的相變反應(yīng)，同時(shí)在冷卻時(shí)又經(jīng)歷了奧氏體到鐵素體和珠光體的重結(jié)晶過程，兩次重結(jié)晶的作用令該區(qū)晶粒得到顯著的細(xì)化并均勻化。隨著離焊縫組織距離的進(jìn)一步減小，碳鋼熱影響區(qū)則逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇志^(qū)，峰值溫度大于處于1 100～1 490℃之間，這是由于低碳鋼處于過熱狀態(tài)，難熔的碳化物和氮化物都熔入奧氏體內(nèi)部，造成奧氏體晶粒發(fā)生嚴(yán)重的長(zhǎng)大，冷卻后會(huì)生成粗大的鐵素體和珠光體組織。甚至?xí)霈F(xiàn)魏氏體組織，如圖5d所示。

焊條類型為不銹鋼A302，因此其焊縫組織全部為奧氏體組織。在焊縫與熱影響區(qū)之間有明顯的熔合線，如圖5e所示，呈平面結(jié)晶狀態(tài)出現(xiàn)。這是由于固液兩相界面前方溫度梯度過大，無法存在成分過冷區(qū)，一旦出現(xiàn)向前生長(zhǎng)的晶芽，定會(huì)被周圍較熱的液態(tài)金屬所熔化，因此只能以平面形式的結(jié)晶方式向前生長(zhǎng)。焊縫前沿主要由胞狀晶粒組成，這是因?yàn)楸M管固液界面前方的溫度梯度較大，然而液相溫度和結(jié)晶溫度之間必有一定面積的相交區(qū)，這樣就形成了較小的成分過冷區(qū)。這時(shí)平面結(jié)晶過程會(huì)呈現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)，固液前沿會(huì)生成許多平行的束狀芽胞，并向界面前方生長(zhǎng)，則成為相互平行的胞狀亞晶，則橫截面為典型的六邊形。隨著離熔合線距離的增加，不銹鋼焊縫則主要由樹枝晶所組成，這時(shí)因?yàn)楣桃呵胺降臏囟忍荻茸兊幂^小，液相溫度與結(jié)晶溫度相交的距離也較大，造成大范圍的成分過冷區(qū)間，這樣在固液界面前沿會(huì)產(chǎn)生大量的芽胞，并較大速度的向前推進(jìn)，除了產(chǎn)生一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的主枝之外，還會(huì)向周圍生成很多二次或三次橫枝，這些晶枝不斷長(zhǎng)大，直至接觸為止，形成了較為典型的樹枝晶。圖5f為兩道焊縫接觸的地方，也呈現(xiàn)出明顯的熔合線，同時(shí)焊縫組織都出現(xiàn)平面晶、胞狀晶和樹枝晶形貌[10]。

3 討論

3.1 不銹鋼復(fù)合板界面過渡區(qū)和界面反應(yīng)物

不銹鋼在熱軋過程過程，在溫度和壓力的同時(shí)作用下，令不銹鋼板與碳鋼板之間的界面通過元素?cái)U(kuò)散達(dá)到完全的冶金結(jié)合。在此過程中，不銹鋼覆層中的Cr， Ni等合金元素?cái)U(kuò)散至碳鋼基層，而碳鋼中的C元素會(huì)擴(kuò)散至不銹鋼覆層。因此界面處形成了明顯的過渡層，其中碳鋼基層中由于C元素的減小，造成脫碳層的產(chǎn)生，該部位珠光體全部消耗殆盡，只剩有鐵素體晶粒。而不銹鋼一側(cè)由于C元素的擴(kuò)散而產(chǎn)生滲碳層，該處晶粒腐蝕的特別明顯，這是由于晶界處產(chǎn)生大量的Cr23C6，造成嚴(yán)重的晶界腐蝕。該區(qū)域有可能造成沿晶斷裂，會(huì)對(duì)不銹鋼復(fù)合板的抗微觀損傷能力有所影響。而界面處有可能因?yàn)镸n， Si元素的擇優(yōu)氧化，生成SiMnO三元化合物[11]。

3.2 不銹鋼復(fù)合管焊接接頭組織

不銹鋼復(fù)合管經(jīng)過著色探傷研究發(fā)現(xiàn)，焊接接頭較為優(yōu)良，無宏觀裂紋存在，通過對(duì)不銹鋼復(fù)合管焊接接頭組織的分析和研究，焊縫組織、熔合區(qū)和熱影響區(qū)無微觀缺陷存在，能滿足不銹鋼復(fù)合管的服役需求。

4 結(jié)論

（1）通過真空熱軋成功制備了不銹鋼復(fù)合板，其界面過渡區(qū)主要包括脫碳層、界面和滲碳層，通過彎曲試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不銹鋼復(fù)合板無脫層現(xiàn)象，界面結(jié)合較為優(yōu)良。

（2）通過彎管、焊接等工藝，成功獲得不銹鋼復(fù)合管，焊縫組織無宏觀和微觀缺陷存在。

（3）不銹鋼層熱影響區(qū)主要由粗晶奧氏體組成，而碳鋼層熱影響區(qū)包含粗晶魏氏體區(qū)、完全重結(jié)晶區(qū)和不完全重結(jié)晶區(qū)，焊縫組織包括平面晶、胞狀晶和樹枝晶。

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