S32750超級(jí)雙相不銹鋼TIG自熔焊接接頭組織及力學(xué)性能

柳陽(yáng)，李國(guó)平，王立新，趙振鐸, 范光偉

(1.太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司，先進(jìn)不銹鋼材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030003；2.山西太鋼不銹鋼股份有限公司，太原 030003)

0 前言

雙相不銹鋼是一種集優(yōu)良耐蝕性和高強(qiáng)度于一身的鋼種，其物理性能介于奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼之間。雙相不銹鋼中含有較高的Cr，Mo和N含量，其點(diǎn)蝕指數(shù)PREN一般高于316不銹鋼，S32750超級(jí)雙相不銹鋼的PREN可高于6% Mo奧氏體不銹鋼，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐Cl-點(diǎn)蝕性能[1]。而且，由于雙相組織的原因，所有的雙相不銹鋼耐應(yīng)力腐蝕的能力均明顯強(qiáng)于奧氏體不銹鋼，從而在石油化工、制鹽、水工、造船等領(lǐng)域得到廣泛使用[2-3]。與同耐蝕級(jí)別的奧氏體不銹鋼相比，屈服強(qiáng)度約為奧氏體不銹鋼的兩倍。這樣在保證使用強(qiáng)度、壽命的前提下，材料可進(jìn)一步減薄，經(jīng)濟(jì)性更為顯著。

焊接雙相不銹鋼時(shí)，重點(diǎn)在于避免出現(xiàn)兩相比例失衡和析出有害相[4-5]。其中，避免兩相比例失衡更為重要。因?yàn)閮上啾壤氖Ш鈺?huì)造成各元素在兩相之間的偏析，從而促使有害析出相過(guò)早地出現(xiàn)。對(duì)于SMAW，MIG等填充金屬的焊接方法，一般通過(guò)使用Ni含量高于母材的焊材來(lái)保證焊縫金屬的兩相比例[6]，如使用ER2209焊接S32205。同時(shí)，通過(guò)合理的焊接熱輸入來(lái)控制焊縫和HAZ的兩相比例，并且避免有害相的析出[7-8]。而對(duì)于制管行業(yè)，通常使用高效、低成本的不填絲自熔焊接，如TIG，PAW等，這會(huì)導(dǎo)致焊縫中奧氏體含量不足，并可能進(jìn)一步導(dǎo)致析出相的提前出現(xiàn)。

S32750超級(jí)雙相不銹鋼薄板生產(chǎn)難度大，國(guó)內(nèi)還未實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，所以目前對(duì)于其自熔焊接的研究還很少。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料選用厚度為1.2 mm的S32750超級(jí)雙相不銹鋼冷軋板，化學(xué)成分見(jiàn)表1。材料為固溶態(tài)，初始組織中奧氏體與鐵素體兩相比例接近1:1。焊接試板尺寸為400 mm×400 mm，采用TIG方法，在試板中心線自熔施焊，焊縫與軋制方向平行，保護(hù)氣體為Ar+2.5%N2，氣體流量為13 L/min。焊接試驗(yàn)過(guò)程中，僅通過(guò)改變焊接電流獲得5組不同熱輸入條件下的焊接接頭，熱效率取0.8，TIG焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。焊接試驗(yàn)后，依照GB/T 20124—2006《鋼鐵 氮含量的測(cè)定 惰性氣體熔融導(dǎo)熱法(常規(guī)方法)》對(duì)焊縫金屬進(jìn)行N含量測(cè)定，使用光學(xué)顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM & EDS)觀察焊接接頭不同區(qū)域的顯微組織和兩相比例，分別在電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)和維氏硬度計(jì)上對(duì)焊接接頭的拉伸性能及硬度分布進(jìn)行了測(cè)試與分析。硬度分布為試板厚度中心線上，以熔合線為基點(diǎn)，向母材側(cè)每500 μm打一個(gè)硬度點(diǎn)，向焊縫側(cè)每隔500 μm打一個(gè)硬度點(diǎn)，直至焊縫中心。載荷5 kg，保載時(shí)間10 s。

表1 S32750雙相不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 熱輸入對(duì)熔池尺寸及焊縫N含量的影響

對(duì)焊接接頭參照?qǐng)D1所示測(cè)量弧坑的尺寸，使用弧坑尺寸來(lái)代表熔池尺寸，結(jié)果列于表3。由表3可以看出，隨著焊接電流的增加，熔池長(zhǎng)度、熔池寬度均增加。熔池變大，意味著熔池存在時(shí)間變長(zhǎng)，熔池中N元素與保護(hù)氣體之間的吸入和逸出作用時(shí)間延長(zhǎng)。若存在N元素遷移的熱力學(xué)條件，焊縫中N含量的變化會(huì)加劇。

圖1 熔池尺寸示意圖

表3 熔池尺寸

對(duì)于S32750的自熔焊接，因?yàn)闆](méi)有焊材的填充，焊縫金屬中各合金元素會(huì)被燒損而略低于母材，氣體元素N會(huì)發(fā)生逸出，N的逸出會(huì)使焊縫金屬中奧氏體相減少，并降低力學(xué)性能和耐蝕性能。杜東方[9]對(duì)6 mm厚度的SAF2507進(jìn)行TIG焊接，焊絲為直徑φ2.4 mm的ER2594，分別采用了N2含量從0%～5%的富Ar保護(hù)氣體，指出隨著保護(hù)氣體中N2含量的增加，焊縫組織中奧氏體相增多，硬度下降，耐點(diǎn)蝕性能增強(qiáng)，但當(dāng)N2含量達(dá)到5%時(shí)，產(chǎn)生焊接飛濺和氣孔，影響焊縫沖擊韌性，當(dāng)N2含量為2%～3%時(shí)，焊接接頭組織、力學(xué)和點(diǎn)蝕性能最優(yōu)。文中試驗(yàn)中的保護(hù)氣體采用Ar+2.5% N2，表4為上述5組焊接熱輸入下焊縫金屬中的N含量，結(jié)果顯示5組焊接熱輸入下焊縫金屬中的N含量均與母材相當(dāng)，可見(jiàn)此焊接條件下，熔池與保護(hù)氣體中的N元素處于平衡狀態(tài)。

表4 不同熱輸入下焊縫金屬的N含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.2 熱輸入對(duì)焊縫和HAZ顯微組織的影響

圖2分別為熱輸入為80～112 J/mm的焊接接頭宏觀金相照片，可見(jiàn)熱輸入為80 J/mm時(shí)，晶?；緸榈容S晶，隨著熱輸入的增加，晶粒有變長(zhǎng)的趨勢(shì)，在熱輸入達(dá)到112 J/mm時(shí)，組織發(fā)生突變，可看到明顯粗大的柱狀晶。

圖3為不同熱輸入條件下焊縫金屬的顯微組織。對(duì)比5組熱輸入下的焊縫金相可見(jiàn)，晶?；w均為鐵素體，奧氏體在晶界和晶內(nèi)析出，表現(xiàn)為晶界處塊狀?yuàn)W氏體、晶內(nèi)的塊狀?yuàn)W氏體、由晶界向晶內(nèi)長(zhǎng)出的魏氏奧氏體。隨著焊接熱輸入的增加，晶界處和晶粒內(nèi)部的奧氏體均變粗變大。這是因?yàn)楹附訜彷斎朐酱?，焊縫的冷卻時(shí)間越慢，奧氏體有更多的時(shí)間從晶界和晶粒內(nèi)部形成。同時(shí)，隨著晶粒的長(zhǎng)大，晶界所占體積比例降低，導(dǎo)致有更多的奧氏體在晶粒內(nèi)部析出，也會(huì)有更多的魏氏奧氏體由晶界向晶粒內(nèi)部生長(zhǎng)。李國(guó)平等人[10]研究了雙相不銹鋼TIG焊接接頭焊縫中魏氏奧氏體的分解行為，認(rèn)為魏氏奧氏體的形成與貝氏體的形成相似，都是一種切變+擴(kuò)散的形成機(jī)制[11]，形成后在高溫下穩(wěn)定性較差，隨著熱輸入的增大，魏氏組織在高溫下停留的時(shí)間延長(zhǎng)，魏氏組織中某些區(qū)域再次轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，宏觀表現(xiàn)為魏氏奧氏體變成一段段的塊狀?yuàn)W氏體。文獻(xiàn)[10]通過(guò)TEM觀察到從鐵素體生長(zhǎng)出的窄條狀插入并分割魏氏奧氏體的圖像，并通過(guò)EBSD觀察到一段段塊狀?yuàn)W氏體具有相同的取向，證明其源自同一個(gè)魏氏奧氏體。

圖2 不同熱輸入下焊接接頭宏觀金相照片

圖3 不同熱輸入下焊縫金屬的顯微組織

圖4為不同熱輸入下焊接熱影響區(qū)(HAZ)的顯微組織。從圖中可見(jiàn)，HAZ可分為高溫HAZ和低溫HAZ。高溫HAZ在圖中白色虛線右側(cè)，在焊接過(guò)程中峰值溫度達(dá)到完全鐵素體化溫度，奧氏體全部溶解，鐵素體晶粒發(fā)生顯著長(zhǎng)大。在隨后的冷卻過(guò)程中，奧氏體從鐵素體晶界上開(kāi)始析出，直至覆蓋鐵素體晶界全部，將鐵素體包圍并向鐵素體晶粒內(nèi)部生長(zhǎng)。此區(qū)域奧氏體通常以晶界奧氏體和魏氏奧氏體的形態(tài)析出，晶粒較為粗大，與焊縫晶粒相比，沒(méi)有明顯的方向性。低溫HAZ在圖中白色虛線左側(cè)，在焊接過(guò)程中峰值溫度較低，未達(dá)到完全鐵素體化溫度，奧氏體沒(méi)有完全溶解到鐵素體中，只有奧氏體和鐵素體的互相吞并長(zhǎng)大，仍保留了軋制的帶狀組織痕跡。

表5為不同熱輸入下焊縫的鐵素體含量，可見(jiàn)所有結(jié)果均在45%～55%之間，且隨著熱輸入的增加，鐵素體含量平均值由54.5%單調(diào)下降至45.6%。因?yàn)楦鹘M焊縫的N含量相同，即無(wú)需考慮化學(xué)成分對(duì)焊縫組織的影響，只需考慮焊接熱循環(huán)對(duì)組織的影響。隨著熱輸入的增加，高溫時(shí)間增加，焊縫處于奧氏體析出的時(shí)間隨之延長(zhǎng)，使奧氏體析出更為充分，導(dǎo)致最終焊縫組織中鐵素體含量降低。

圖4 不同熱輸入下HAZ的顯微組織

表5 焊縫區(qū)域鐵素體含量

2.3 熱輸入對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響

在TIG焊接試驗(yàn)中，由于未添加焊絲，因此焊接接頭的力學(xué)性能只會(huì)盡可能與母材相當(dāng)。圖5為不同熱輸入下焊接接頭的拉伸性能結(jié)果，其中只有當(dāng)熱輸入為80 J/mm時(shí)，焊接接頭斷在了母材位置(圖5中黑色數(shù)據(jù)點(diǎn)，仍有一個(gè)試樣斷于焊縫)。其它熱輸入下的焊接接頭拉伸試樣均斷于焊縫，但其抗拉強(qiáng)度處于母材抗拉強(qiáng)度的波動(dòng)范圍內(nèi)，可認(rèn)為焊接接頭的抗拉強(qiáng)度與母材相當(dāng)。圖6為焊接接頭斷裂在焊縫的典型斷口，可見(jiàn)斷口為韌窩狀，說(shuō)明焊縫韌性良好。

圖5 不同熱輸入下焊接接頭的拉伸性能

圖6 拉伸斷口

圖7為不同熱輸入下焊接接頭的硬度分布，可見(jiàn)不同熱輸入下焊縫區(qū)域的硬度均高于母材，即焊縫各微區(qū)域的形變硬化指數(shù)均高于母材，這與焊縫金屬因快速冷卻而導(dǎo)致的位錯(cuò)密度較大有關(guān)。

圖7 不同熱輸入下焊接接頭的硬度分布

自熔焊接接頭拉伸試驗(yàn)斷于焊縫，一方面是由于焊縫的抗拉強(qiáng)度只能與母材“等強(qiáng)”，無(wú)法做到高匹配；另一方面，焊縫的下塌現(xiàn)象也會(huì)嚴(yán)重影響其抗拉強(qiáng)度的表現(xiàn)。在低熱輸入條件下，熔池寬度較小，由于焊縫凝固過(guò)程中的收縮，使焊縫不僅不會(huì)下塌，還有一些余高，如圖2a所示。但是，隨著熱輸入的增加，熔池寬度越來(lái)越大，致使焊縫凝固過(guò)程中的收縮作用不足以支撐熔池，焊縫的下部發(fā)生下塌，略低于母材，上部因?yàn)闆](méi)有焊材的填充，亦低于母材，導(dǎo)致焊縫中某一受力截面積會(huì)小于母材。在拉伸試驗(yàn)中，試樣各處的受力值是相同的，但由于焊縫區(qū)域某一受力截面小于母材，導(dǎo)致其受到的拉伸應(yīng)力高于母材，發(fā)生應(yīng)力集中，使其斷裂于焊縫。所以，對(duì)于S32750這一高強(qiáng)度超級(jí)雙相不銹鋼的自熔焊接，保證其焊縫余高是非常重要的。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)在焊接保護(hù)氣體Ar中添加2.5%的N2，維持了熔池與保護(hù)氣體中N元素的平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了焊縫金屬中的N含量與母材相同。

(2)在各個(gè)熱輸入條件下，焊縫金屬中的奧氏體均由晶界奧氏體和晶內(nèi)奧氏體組成。隨著焊接熱輸入的增加，晶界處和晶粒內(nèi)部的奧氏體均變粗變大。同時(shí)，隨著晶粒的長(zhǎng)大，晶界所占體積比例降低，導(dǎo)致有更多的奧氏體在晶粒內(nèi)部析出，也會(huì)有更多的魏氏奧氏體由晶界向晶粒內(nèi)部生長(zhǎng)。

(3)不同熱輸入下焊縫區(qū)域的硬度均高于母材，拉伸性能與母材相當(dāng)。對(duì)于S32750超級(jí)雙相不銹鋼的自熔焊接，保證焊縫余高是非常重要的。