焊接熱循環(huán)對奧氏體不銹鋼254SMo組織與性能的影響

(1.太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024;2.太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司，太原 030001)

0 序 言

超級奧氏體不銹鋼254SMo是一種超低碳、高鉻、高鉬的不銹鋼，因其含有氮，使其具有很高的強(qiáng)度和優(yōu)良的耐點(diǎn)蝕、耐縫隙腐蝕及耐晶間腐蝕性能，因此廣泛應(yīng)用于煙氣脫硫、垃圾焚燒、發(fā)電廠及海水淡化等重要領(lǐng)域[1-3]。

254SMo鋼由于其合金元素含量較高，特別是Mo元素的含量較高，會促進(jìn)金屬間相如σ相、χ相和Laves相的析出[4]，其中σ相幾乎是所有高合金不銹鋼中都會產(chǎn)生的。σ相通常在低于1 050 ℃的溫度下產(chǎn)生，在較高溫度下進(jìn)行固溶處理，可以使σ相充分溶解，但是254SMo鋼由于鉻、鉬含量較高，σ相在焊接過程中的析出速率較快，同時焊接又是一個快速加熱、快速冷卻的過程，σ相很難在奧氏體中充分溶解[5]。此外，焊接熱影響區(qū)是整個焊接接頭的薄弱地帶，隨著熱輸入的增大，熱影響區(qū)晶粒粗化及有害相的析出會導(dǎo)致材料的力學(xué)性能及耐蝕性能發(fā)生變化[6]。

焊接熱循環(huán)描述了工件上某點(diǎn)的溫度隨時間的變化，一般用來描述焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)有以下四個：加熱速度υh、加熱最高溫度Tmax、在相變溫度以上的停留時間tH、冷卻速度υc，這些參數(shù)都直接或間接的影響焊后的組織和性能[7-8]。焊接熱循環(huán)曲線可以借助焊接熱過程的理論公式T=f(x,y,z,t)來計算[9]，但是實(shí)際焊接過程與理論計算時的假設(shè)條件存在較大出入，理論計算得到的熱循環(huán)曲線誤差較大，因此，文中通過焊接熱循環(huán)的測試，掌握材料在焊接熱循環(huán)作用下對焊接接頭組織和性能的影響。

文中針對254SMo焊條電弧焊工藝，利用紅外測溫技術(shù)測得不同熱輸入下焊縫及熱影響區(qū)的熱循環(huán)曲線，通過超景深光學(xué)顯微鏡研究焊接熱循環(huán)對254SMo焊條電弧焊熱影響區(qū)組織的影響，為優(yōu)化實(shí)際焊接工藝參數(shù)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為商業(yè)用超級奧氏體不銹鋼254SMo板材，供貨狀態(tài)為熱軋狀態(tài)，板材尺寸為150 mm×55 mm×10 mm，選用焊條電弧焊(SMAW)的焊接方法，焊條選用P-12R堿性焊條，直徑為3.2 mm，表1為母材及熔敷金屬的化學(xué)成分。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1焊前準(zhǔn)備及焊接工藝

對試驗(yàn)試板進(jìn)行坡口切削加工，坡口形式及大小如圖1所示，焊前對坡口及附近50 mm范圍內(nèi)的表面用砂紙進(jìn)行打磨，然后用丙酮進(jìn)行清洗，確保沒有油污、蝕銹和其他雜質(zhì)的存在。焊條進(jìn)行充分烘干，烘干溫度為150 ℃，保溫1 h后使用。

文中將選取1.25 kJ/mm,1.36 kJ/mm,1.46 kJ/mm,1.61 kJ/mm四種不同的熱輸入進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)見表2，焊后選取焊縫表面沒有缺陷的焊件用線切割進(jìn)行切割取樣，將切好的試樣經(jīng)打磨拋光后，再用5 g FeCl3+50 mL HCl+100 mL H2O混合溶液進(jìn)行侵蝕，采用KEYENCE VHX-2000型超景深光學(xué)顯微鏡和Hitachi S-4800掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣的顯微組織和析出相，利用Image-Pro Plus軟件對熱影響區(qū)組織晶粒度進(jìn)行分析測試。

表1 母材254SMo及熔敷金屬的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 焊接工藝參數(shù)

圖1 焊接試件坡口尺寸

1.2.2測溫設(shè)備

采用高性能便攜式紅外熱像儀VarioCAM Hr Handheld測定溫度，該熱像儀采用384×288非制冷焦平面微量熱型探測器，其測量熱靈敏度可達(dá)0.03 ℃，測溫范圍可選擴(kuò)展至>2 000 ℃，測溫精度為±2%(<0或>100 ℃)，采用光機(jī)位移成像技術(shù)，可以清晰的檢測到目標(biāo)物體細(xì)微的溫度變化，采用60 Hz的成像速率可以清晰的掃描和檢測快速移動的物體，利用此紅外熱像儀對焊接過程中焊縫及熱影響區(qū)表面溫度進(jìn)行跟蹤測試，得到焊接接頭表面任一點(diǎn)的熱循環(huán)曲線，試驗(yàn)裝置及測溫方式如圖2所示。

圖2 焊接溫度場測量示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接熱循環(huán)

利用紅外熱圖分析軟件IRBIS 3 Professional處理紅外實(shí)測數(shù)據(jù)，針對不同的焊接熱輸入選取與熔合線垂直距離為0.4～0.5 mm的焊接HAZ上的像素點(diǎn)，提取這些像素點(diǎn)上的數(shù)據(jù)，去除異常溫度數(shù)據(jù)(主要為突降數(shù)據(jù))，將最終篩選得到的溫度與時間數(shù)據(jù)利用Origin進(jìn)行繪制，得到的熱影響區(qū)熱循環(huán)曲線如圖3所示，熱輸入為1.25 kJ/mm，1.36 kJ/mm，1.46 kJ/mm，1.61 kJ/mm對應(yīng)的峰值溫度分別為1 208.5 ℃，1 243.8 ℃，1 298.3 ℃，1 354.6 ℃，冷卻時間t12/8分別為5.5 s，7.5 s，9 s，11 s。

2.2 不同熱輸入下焊接熱影響區(qū)組織及其析出相

圖4為母材及不同焊接熱輸入(1.25 kJ/mm,1.36 kJ/mm,1.46 kJ/mm,1.61 kJ/mm)下254SMo鋼焊接熱影響區(qū)的組織。由圖4a可以看出，母材為均勻的等軸奧氏體組織，晶內(nèi)有大量的孿晶。由圖4b、圖4c、圖4d和圖4e可以看出，焊接時隨著焊接熱輸入的增加，熱影響區(qū)晶粒出現(xiàn)明顯的長大趨勢，這主要是由于冷卻時間t12/8隨著熱輸入的增加而變長，即高溫停留時間在增加，使得奧氏體組織晶粒長大。此外，隨著峰值溫度的升高，金屬的原子擴(kuò)散速度加快，Mn,P,C,N等微量元素溶入奧氏體后，會使γ-Fe原子間的結(jié)合力降低，加速鐵原子的自擴(kuò)散速率，從而促進(jìn)奧氏體晶粒長大[10-11]。

圖3 不同熱輸入下焊接熱影響區(qū)的熱循環(huán)曲線

圖4 不同熱輸入下焊接熱影響區(qū)組織

按照GB 6394—02《金屬平均晶粒度測定方法》標(biāo)準(zhǔn)，利用Image-Pro Plus軟件對不同熱輸入?yún)?shù)條件下熱影響區(qū)的晶粒度大小進(jìn)行測試，測得母材晶粒度級別較高，達(dá)到10.4級，平均晶粒尺寸為9.12 μm，圖5為晶粒度隨熱輸入的變化曲線，從圖中可以看出，隨著熱輸入的增加，奧氏體晶粒度級別在不斷下降，當(dāng)熱輸入達(dá)到1.61 kJ/mm時，熱影響區(qū)奧氏體平均晶粒尺寸長大到16.37 μm。

當(dāng)熱輸入為1.25 kJ/mm時，晶粒內(nèi)部存在大量孿晶，且晶界和晶粒內(nèi)部未見析出相產(chǎn)生；當(dāng)熱輸入增大到1.46 kJ/mm時，晶粒內(nèi)部孿晶有所減少，晶界及晶粒內(nèi)部未見有明顯析出相產(chǎn)生，此時晶粒尺寸比較均勻，隨著熱輸入繼續(xù)增大到1.61 kJ/mm時，晶內(nèi)孿晶增多，晶粒邊界發(fā)現(xiàn)有析出相的產(chǎn)生。為了進(jìn)一步確定該析出相的類型，對熱輸入為1.61 kJ/mm的熱影響區(qū)組織進(jìn)行SEM和EDS定量分析，圖6為焊接熱影響區(qū)組織SEM形貌圖，從圖中可以看出，晶界處有連續(xù)網(wǎng)狀分布的析出相，晶內(nèi)有少量的塊狀析出相，對析出相進(jìn)行EDS定量分析，得到結(jié)果見圖7和表3，表3中的析出相成分顯示，該析出相中含有較高含量的Cr和Mo，且Ni含量較低，因此，該析出相為χ相。

圖5 不同熱輸入下的晶粒度級別

析出相的產(chǎn)生主要是因?yàn)殡S著熱輸入的增大，冷卻時間t12/8變長，冷卻速度較為緩慢，這為第二相的析出提供了充裕的時間，峰值溫度的升高，促進(jìn)了合金元素的擴(kuò)散，使大量的合金元素在奧氏體三晶粒交界處聚集，為第二相的形成提供了成分條件。

圖6 熱輸入為1.61 kJ/mm的熱影響區(qū)組織SEM圖

圖7 析出相能譜圖

FeCrNiMo45.4523.166.0225.37

2.3 不同熱輸入下焊接接頭的顯微硬度

焊接接頭的顯微硬度值一般與其各區(qū)域的組織存在一定的聯(lián)系，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度實(shí)驗(yàn)》從熔合區(qū)向兩側(cè)的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)打點(diǎn)進(jìn)行硬度測量，圖8為不同熱輸入下254SMo焊接接頭顯微硬度分布曲線圖，圖中左側(cè)為焊縫區(qū)，右側(cè)為熱影響區(qū)。在加載載荷為100 g、保荷時間為15 s的條件下測得，母材的硬度值為213 HV，從圖中可以看出，在同一焊接熱輸入下，焊縫區(qū)的硬度值明顯高于母材和熱影響區(qū)，這主要是因?yàn)楹缚p組織為枝晶和細(xì)小的胞狀晶，而且填充材料的合金元素含量較高。熱輸入為1.36 kJ/mm和1.46 kJ/mm時的整個焊接接頭硬度值明顯大于熱輸入為1.25 kJ/mm和1.61 kJ/mm時，隨著熱輸入的增大，冷卻速度減慢，使焊接接頭在高溫區(qū)停留時間變長，晶粒邊界有少量的析出相產(chǎn)生，從而使焊接接頭的硬度提高，但是當(dāng)熱輸入增加到1.61 kJ/mm時，焊縫和熱影響區(qū)組織顯著粗化，使得整個焊接接頭硬度值突然下降?？傮w來說，隨著熱輸入的增加，冷卻時間t12/8變長，焊接接頭顯微硬度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

圖8 不同熱輸入下焊接接頭顯微硬度分布曲線

2.4 不同熱輸入下熱影響區(qū)的沖擊性能

由于焊后板材存在少量的變形，無法制備標(biāo)準(zhǔn)的沖擊試樣，所以采用線切割加工成55 mm×10 mm×5 mm的V形缺口非標(biāo)準(zhǔn)試樣，缺口開在距離熔合線較近的熱影響區(qū)上，每種焊接熱輸入制備3個沖擊試樣在室溫下進(jìn)行夏比擺錘沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 母材及不同熱輸入下熱影響區(qū)的室溫沖擊吸收能量

從表4中可以看出，隨著熱輸入的增加，室溫沖擊功呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，這主要是因?yàn)楹附訜嵫h(huán)對于熱影響區(qū)組織的粗化所造成的，隨著熱輸入的增加，焊接熱循環(huán)的峰值溫度升高，冷卻變得緩慢，奧氏體晶粒有足夠的時間長大粗化，同時伴隨著析出相在晶界處的出現(xiàn)，也會降低材料的韌性及室溫沖擊吸收能量。

從沖擊斷口的掃描電鏡圖9可以看出，4種熱輸入條件下的斷口處均為等軸狀韌窩，說明斷裂都屬于韌性斷裂。

圖9 沖擊斷口掃描電鏡

3 結(jié) 論

(1)采用不同熱輸入的SMAW焊接254SMo不銹鋼板，焊接熱影響區(qū)受多次熱循環(huán)的影響，晶粒明顯長大，隨著熱輸入的增大到1.61 kJ/mm，冷卻時間t12/8從5.5 s增加到11 s，焊接熱影響區(qū)奧氏體平均晶粒尺寸長大到16.37 μm，同時熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)有析出相的產(chǎn)生。

(2)結(jié)合4種焊接熱輸入下的SMAW焊接接頭顯微硬度、沖擊性能及組織進(jìn)行分析，可得出當(dāng)焊接熱輸入為1.46 kJ/mm時，焊接接頭的硬度值最高，沖擊性能較好，且在該熱輸入下晶粒尺寸較均勻，未見明顯析出相的產(chǎn)生。因此，實(shí)際SMAW焊接生產(chǎn)中焊接熱輸入應(yīng)選在1.46 kJ/mm附近。

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