填充金屬對(duì)08Cr19MnNi3Cu2N低鎳含氮奧氏體不銹鋼MAG焊接頭組織性能的影響

方乃文 黃瑞生 楊義成 徐亦楠 黃彩艷

摘要： ??采用熔化極活性氣體保護(hù)焊（MAG焊）工藝，對(duì)2.8 mm厚08Cr19MnNi3Cu2N低鎳含氮奧氏體不銹鋼試板進(jìn)行焊接。選取ER308L和ER307Si兩種焊絲，借助光學(xué)顯微鏡、力學(xué)性能測(cè)試及晶間腐蝕等分析方法，對(duì)焊接接頭組織和性能進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)和分析。結(jié)果表明：兩種焊絲獲得焊縫組織均為奧氏體+δ-鐵素體，且?jiàn)W氏體含量均在91%以上;ER307Si焊絲的焊接接頭γ-固溶體含量較高，但是焊縫區(qū)域硬度略低;Ni元素含量的降低使得兩種接頭的抗點(diǎn)蝕能力下降，但抗晶間腐蝕性能表現(xiàn)優(yōu)異。

關(guān)鍵詞： ?熔化極惰性氣體保護(hù)焊;奧氏體不銹鋼;組織; 性能

中圖分類號(hào)： TG 454

Effect of filler metal on microstructure and properties of welded joint for 08Cr19MnNi3Cu2N austenitic stainless steel with? low nickel and nitrogen

Fang Naiwen， Huang Ruisheng， Yang Yicheng， Xu Yinan， Huang Caiyan

（Harbin Welding Institute Limited Company，Harbin 150028，China）

Abstract： ?The test plate of 2.8 mm thick 08Cr19MnNi3Cu2N? austenitic stainless steel with low nickel and nitrogen was welded by MAG welding process. The welding wires ER308L and ER307Si with different alloy elements were selected to systematically evaluate and analyze the microstructure and properties of welded joints with the analysis methods of optical microscope， mechanical property test and corrosion. The results showed that the weld zone microstructure obtained by the two kinds of wire was austenite + ferrite， and the austenite content was above 91%. The content of γ-solid solution in the welded joint of ER307Si wire was higher， but the hardness of the weld metal was slightly lower. The low Ni content makes the anti-pitting energy of the two joints decrease， but the resistance to intergranular corrosion energy is excellent.

Key words： ?MAG welding; austenitic stainless steel; microstructure; performance

基金項(xiàng)目：? 哈爾濱焊接研究院有限公司技術(shù)發(fā)展基金（201916120）

0 前言

低鎳含氮奧氏體不銹鋼因具有良好的塑性、耐蝕性、耐高溫性和焊接性在船舶航空化工、石油容器等行業(yè)用途較為廣泛 [1]。該種類型不銹鋼主要是利用氮元素部分甚至完全代替鎳元素以獲得單相奧氏體組織，同傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼相比，該奧氏體化方法具有很多優(yōu)點(diǎn)：首先，與碳元素相比， 氮元素是更加有效地固溶強(qiáng)化元素;此外，氮元素在極大提高材料抗點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕能力的同時(shí)可有效促進(jìn)晶粒細(xì)化，減少鐵素體和形變馬氏體形成機(jī)會(huì);更為重要的是氮元素替代鎳元素在達(dá)到奧氏體化的同時(shí)，降低了金屬材料制備對(duì)鎳元素的消耗量 [2]，這對(duì)國(guó)家稀缺資源的戰(zhàn)略發(fā)展具有重要意義 [3-4]。

然而采用焊接工藝對(duì)其進(jìn)行加工，在焊接接頭中容易產(chǎn)生氮元素?fù)p失、氣孔、焊縫區(qū)熱裂紋以及熱影響區(qū)氮化物析出等冶金問(wèn)題，進(jìn)而限制了該類鋼的推廣應(yīng)用 [5-8]。常規(guī)MAG焊工藝應(yīng)用于低鎳含氮奧氏體不銹鋼領(lǐng)域的研究相對(duì)較少，迄今為止鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。文中以08Cr19MnNi3Cu2N低鎳含氮奧氏體不銹

鋼薄板為例，采用MAG焊工藝，選取化學(xué)成分差異較大的兩種焊絲對(duì)其焊接接頭的組織和性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)地研究和分析，為08Cr19MnNi3Cu2N低鎳含氮奧氏體不銹鋼及其相似鋼種焊接方法的選用和焊絲的選擇提供參考，進(jìn)一步為其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣奠定技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用08Cr19MnNi3Cu2N低鎳含氮奧氏體不銹鋼試板尺寸為150 mm×300 mm×2.8 mm，焊前通過(guò)機(jī)械加工的方法去除坡口及附近區(qū)域的氧化皮，同時(shí)使用酒精清洗坡口附近區(qū)域的油污。焊接材料選用直徑為1.2 mm的 ER308L，ER307Si兩種不銹鋼氣體保護(hù)焊絲，它們主要在Si，Mn，N等元素含量和抗拉強(qiáng)度上有差別。不銹鋼母材和兩種焊絲的化學(xué)成分見(jiàn)表1，母材和焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能見(jiàn)表2。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用焊接電源型號(hào)為奧地利福尼斯TPS4000焊機(jī)。焊接試板坡口形式為I形對(duì)接坡口，圖1為焊接過(guò)程示意圖。在保證焊接工藝參數(shù)保持不變的情況下，分析不同焊絲對(duì)焊縫接頭組織和力學(xué)性能的影響，其主要工藝參數(shù)見(jiàn)表3。 試板焊接完成后依據(jù)GB/T 3323—2005《金屬熔化焊焊接接頭射線照相》及GB/T 26953—2011《焊縫無(wú)損檢測(cè)焊縫滲透檢測(cè)驗(yàn)收等級(jí)》進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。焊接接頭性能試樣尺寸、取樣方法和試驗(yàn)方法等分別參照GB/T 25774.2—2016《鋼的單面單道焊和雙面單道焊焊接接頭力學(xué)性能試樣的制備及檢驗(yàn)方法》、GB/T 26955—2011《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn) 焊縫宏觀和微觀檢驗(yàn)》、GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》、GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》、GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》、GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》、GB/T 17897—2016《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼三氯化鐵點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)方法》、GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》及相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行操作。從多維度評(píng)價(jià)分析08Cr19MnNi3Cu2N低鎳高氮奧氏體不銹鋼熔化極活性氣體保護(hù)焊工藝實(shí)施過(guò)程中焊絲成分對(duì)焊接接頭組織性能的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭宏觀和微觀組織分析

2.1.1? 宏觀形貌

圖2為在相同工藝參數(shù)下ER308L和ER307Si焊絲的焊接接頭的宏觀形貌，焊接接頭結(jié)合良好，未見(jiàn)氣孔、裂紋、未熔合、夾渣等缺陷。

2.1.2? 微觀組織

兩種不銹鋼焊絲的凝固模式均為FA模式，即凝固過(guò)程中先析出鐵素體，再析出奧氏體，雖然氮元素在高溫鐵素體溶解度較小，但是由于焊接過(guò)程為非平衡過(guò)程，即L+δ兩相區(qū)較窄，在快速冷卻條件下迅速通過(guò)δ相區(qū)，進(jìn)入冷卻速度較慢的γ相區(qū)，在該相區(qū)內(nèi)絕大多數(shù)氮元素均能溶解到奧氏體中，并且?jiàn)W氏體-鐵素體晶界凹凸不平，可抑制裂紋的拓展，且細(xì)小均勻的骨架狀鐵素體組織在焊縫中可起彌散強(qiáng)化的作用。 圖3為ER308L焊絲焊接后的接頭微觀組織形貌，其中圖3a為焊縫區(qū)域，其微觀組織為奧氏體+δ-鐵素體，隨機(jī)選取5個(gè)視場(chǎng)測(cè)得奧氏體含量約為91.2%;圖3b為焊縫熔合線附近區(qū)域，該區(qū)域的微觀組織為奧氏 體+δ-鐵素體;圖3c為過(guò)熱區(qū)組織，可以看出該區(qū)域?yàn)閵W氏體+δ-鐵素體，晶粒度約為7級(jí)。 同樣，對(duì)ER307Si焊絲焊接后的接頭微觀組織進(jìn)行了分析，如圖4所示。焊縫區(qū)組織為奧氏體+δ-鐵素體（圖4a），隨機(jī)選取5個(gè)視場(chǎng)測(cè)得奧氏體含量約為92.4%;圖4b為熔合區(qū)，該區(qū)域?yàn)閵W氏體+δ-鐵素體;圖4c為過(guò)熱區(qū)，該區(qū)域組織為奧氏體+δ-鐵素體，晶粒度約為7級(jí)。 從以上各部位微觀組織可以看出，在母材和熔合線附近部位，焊縫與母材熔合良好，未發(fā)現(xiàn)明顯焊接缺陷和出現(xiàn)脆性相組織，兩組試樣的焊縫組織均由奧氏體+δ-鐵素體組成，鐵素體均勻分布在奧氏體中，枝晶 形態(tài)主要為骨架狀和板條狀。此外，熱影響區(qū)較窄，組織較為均勻，這說(shuō)明08Cr19MnNi3Cu2N低鎳高氮奧氏體不銹鋼采用兩種不同類型焊絲，結(jié)合熔化極活性氣體保護(hù)焊合理的工藝參數(shù)選擇均可獲得理想的焊縫成形和組織。? 一般而言，焊接過(guò)熱區(qū)在晶粒焊接熱循環(huán)以后，容易出現(xiàn)晶粒粗大現(xiàn)象，成為焊接接頭性能最薄弱的部位。但是，ER308L和ER307Si兩種焊絲在相同的焊接工藝條件下過(guò)熱區(qū)組織均未出現(xiàn)晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象，這意味08Cr19MnNi3Cu2N低鎳高氮奧氏體不銹鋼在該焊接條件下，焊接接頭的性能不會(huì)出現(xiàn)明顯的惡化趨勢(shì)。

進(jìn)一步對(duì)產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因進(jìn)行分析，過(guò)熱區(qū)的晶間析出大量的Cr2N。這些Cr2N的“釘扎”作用和大量氮的固溶強(qiáng)化作用，阻礙了焊接受熱區(qū)晶界的運(yùn)動(dòng)，抑制了晶粒合并，使得過(guò)熱區(qū)的組織未出現(xiàn)明顯的長(zhǎng)大現(xiàn)象。這種效果對(duì)低鎳高氮奧氏體不銹鋼的焊接性十分有利。

由兩組焊縫組織中γ-固溶體含量變化可知，N元素具有強(qiáng)烈的穩(wěn)定奧氏體的作用，并可以擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，并使一轉(zhuǎn)變向低溫移動(dòng)，此規(guī)律從圖5的XRD 衍射定量分析中可以得到驗(yàn)證。錳的作用在于它降低了鋼的臨界淬火速度，在冷卻時(shí)增加奧氏體的穩(wěn)定性，抑制奧氏體的分解，使高溫下形成的奧氏體得以保持到常溫，結(jié)果使奧氏體在室溫下也很穩(wěn)定，所以在兩種焊絲中氮元素和錳元素含量較高的ER307Si焊縫中奧氏體含量較高。

2.2 力學(xué)性能

2.2.1? 拉伸、彎曲試驗(yàn)

焊接接頭拉伸、彎曲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4?？梢钥闯觯瑑煞N焊絲的焊接接頭相比，ER307Si焊絲接頭要略高于ER308L焊絲接頭。這主要是由于ER307Si焊絲固溶氮元素含量高，焊接完后焊縫區(qū)域固溶強(qiáng)化效果要優(yōu)于ER308L焊絲。此外，ER307Si焊絲的錳含量高于ER308L焊絲，而錳元素在無(wú)鎳或少鎳的新型奧氏體不銹鋼中是最主要的合金強(qiáng)化元素。并且，錳元素的存在使鋼可溶解更多的氮元素，有利于焊縫的固溶強(qiáng)化。

除此之外，還在室溫下對(duì)兩種焊絲獲得焊縫進(jìn)行正彎和背彎試驗(yàn)，對(duì)焊接接頭進(jìn)行宏觀觀察，均未發(fā)現(xiàn)裂紋等其它形式的缺陷，說(shuō)明焊接接頭具有足夠的抗彎曲性能。

2.2.2? 硬度試驗(yàn)

圖6為焊接接頭顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果。從圖6可以看出，焊接接頭熱影響區(qū)位置處硬度略有上升，其余位置沒(méi)有明顯硬化傾向。兩組焊縫位置的硬度均低于母材硬度， 這主要是因?yàn)楹附訒r(shí)大量氮元素從焊縫溢出所致。

由于鎳元素在奧氏體不銹鋼組織中有細(xì)化晶粒的作用，晶粒越小，晶界就越多，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙就越 大，材料形變的阻力就越大，宏觀上表現(xiàn)為硬度高，鎳? 含量較高的ER308L焊接接頭的整體硬度分布較

ER307Si焊接接頭高。另外，從微觀組織分析也可以看出，ER307Si焊接接頭中奧氏體含量較高，而奧氏體的硬度低于鐵素體的硬度，所以整個(gè)ER307Si焊接接頭硬度普遍低于ER308L焊接接頭。3個(gè)區(qū)域中熱影響區(qū)的硬度較高，這是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)內(nèi)的金屬元素幾乎沒(méi)有受到高溫?zé)龘p，晶粒長(zhǎng)大和脆性相增加不明顯，這對(duì)整個(gè)接頭的組織和性能比較有利。因此，選擇合適的焊絲進(jìn)行MAG焊焊接低鎳高氮奧氏體不銹鋼不存在明顯硬化區(qū)。

2.3 焊接接頭點(diǎn)蝕和晶間腐蝕分析

2.3.1? 點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)? 根據(jù)試樣失重?cái)?shù)據(jù)及尺寸計(jì)算試樣的腐蝕速率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，兩件點(diǎn)蝕試樣腐蝕均較為嚴(yán)重，原因是受兩種焊絲中鎳元素含量較低所致，從而降低了其耐點(diǎn)腐蝕性能。另外，從組織構(gòu)成分析可知，兩種接頭均有奧氏體和δ-鐵素體雙相組織構(gòu)成，存在大量的γ-δ晶界，故兩種接頭的抗點(diǎn)腐蝕能力較差。兩個(gè)試樣腐蝕前后的正反面形貌，如圖7～8所示。

2.3.2? 晶間腐蝕分析

圖9為晶間腐蝕彎曲后試樣。4件試樣均未見(jiàn)晶間腐蝕傾向。在焊接過(guò)程中，控制合適的焊接熱輸入，保證了焊接過(guò)程中奧氏體化鎳和氮元素能夠充分?jǐn)U散與聚集，減少甚至抑制了有害相的析出，從而有效地保證了焊接接頭的抗晶間腐蝕能力。

3 結(jié)論

（1）ER308L焊絲和ER307Si焊絲兩種焊絲接頭的焊縫組織均為奧氏體+δ-鐵素體，ER308L焊絲焊縫中奧氏體含量約為91.2%，ER307Si焊絲焊縫中奧氏體含量約為92.4%，兩組接頭焊縫的晶粒度一致，均為7級(jí)。

（2） 兩組焊接接頭熱影響區(qū)位置硬度略有上升，其余位置沒(méi)有明顯硬化傾向;ER307Si焊絲焊接接頭硬度普遍低于ER308L焊絲焊接接頭。兩組接頭3個(gè)區(qū)域中熱影響區(qū)的硬度較高，選擇合適的焊絲進(jìn)行MAG焊焊接低鎳高氮奧氏體不銹鋼不存在明顯硬化區(qū)。

（3）兩組接頭的抗點(diǎn)蝕能力較差，在需要抗晶間腐蝕的工況條件下，可以優(yōu)先考慮鎳含量較高的焊絲進(jìn)行MAG焊焊接;在焊接過(guò)程中，控制合適的焊接熱輸入，保證焊接過(guò)程中奧氏體化鎳和氮元素能夠充分?jǐn)U散與聚集，減少甚至抑制了有害相的析出，可以有效地保證焊接接頭的抗晶間腐蝕能力。? [HT5H]參考文獻(xiàn)

[1]? Pouranvari M，Alizadeh-Sh M，Marashi S P H.Welding metallurgy of stainless steels during resistance spot welding Part I：fusion zone[J].Science and Technology of Welding and Joining，2015，20：502-511.

[2] 夏明生，田志凌，彭云，等.高氮奧氏體不銹鋼的氮化物析出及其對(duì)焊接性影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2005，26（12）：108-112，128.

[3] Müllner P，Solenthaler C，Uggowitzer P J，et al. Brittle fracture in austenitic steel[J].Acta Metallurgica et Materialia， 1994， 42（7）：2211-2217.

[4]? Hans Berns. Manufacture and application of high nitrogen steels [J]. ?ISIJ International，1996，36（7）：909-914.

[5] 明珠，王克鴻，王偉，等.焊絲含氮量及焊接電流對(duì)高氮鋼焊縫組織和性能影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2019，40（1）：104-108.

[6] 夏明生，田志凌，彭云，等.高氮奧氏體不銹鋼熔焊時(shí)電弧空間及熔池的氮行為[J]. 鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2007，19（6）：13-19.

[7] 夏明生， 田志凌， 彭云， 等.高氮奧氏體不銹鋼熔焊焊縫的氮含量[J].材料導(dǎo)報(bào)， 2006，20（2）：66-70.

[8] Huang R S，Kang L，Ma X.Microstructure and phase composition of a low-power YAG laser-MAG welded stainless steel joint[J].Journal of Materials Engineering and Performance，2008，17（6）：928-935.

收稿日期： ?2019-10-05

方乃文簡(jiǎn)介： ?1987年出生，博士研究生，高級(jí)工程師;主要從事有色金屬焊接工藝研究，已發(fā)表論文36篇;naiwen20@163.com。