奧氏體不銹鋼中微量元素致焊接缺陷實例分析

張心保， 王志斌， 紀(jì)平， 趙振鐸， 范光偉

(1. 太原鋼鐵(集團)有限公司，先進(jìn)不銹鋼材料國家重點實驗室，太原 030003；2. 山西太鋼不銹鋼股份有限公司，太原 030003)

0 前言

鉻鎳奧氏體不銹鋼是現(xiàn)有5大類不銹鋼中綜合性能最好、牌號最多、品種及規(guī)格最全、適用范圍最廣、發(fā)展最快、產(chǎn)量最大的一類不銹鋼。在世界范圍內(nèi)，鉻鎳奧氏體不銹鋼的產(chǎn)量一般占不銹鋼總產(chǎn)量的50%～60%以上，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域及日常生活用品中[1-5]。一般認(rèn)為，奧氏體類不銹鋼焊接工藝成熟，焊接性優(yōu)良，可適用于幾乎所有的焊接方法，在正確選擇焊接方法和工藝的前提下，焊接接頭產(chǎn)生缺陷的可能性很小。但是奧氏體不銹鋼具有導(dǎo)熱性差、熱脹系數(shù)大、熔池粘度系數(shù)大等特點，在生產(chǎn)實踐中，由微量元素導(dǎo)致的焊接缺陷時有發(fā)生，這些缺陷具有體積小、數(shù)量多、無規(guī)律分布、肉眼難以發(fā)現(xiàn)等特點，且難以通過工藝因素來消除。以下就結(jié)合在生產(chǎn)實踐中出現(xiàn)的幾例由微量元素導(dǎo)致的焊接熱裂紋、焊縫凹坑及表面夾渣、焊縫成形不良等缺陷進(jìn)行分別介紹及失效分析，并總結(jié)了產(chǎn)生原因并提出避免措施，對于鋼鐵制造企業(yè)及不銹鋼材料加工企業(yè)都具有一定的參考意義。

1 304LN不銹鋼焊接接頭近縫區(qū)熱裂紋

厚度5 mm的304LN不銹鋼在用于制造LNG罐時，采用的焊接工藝為等離子焊打底+熱絲TIG蓋面，具體的焊接工藝參數(shù)見表1，焊材選用E308L奧氏體焊絲。獲得的焊縫外觀如圖1所示，罐體由數(shù)條直焊縫及環(huán)焊縫組成。焊后進(jìn)行數(shù)碼X射線探傷(RT)及表面滲透著色探傷(PT)無損檢測中發(fā)現(xiàn)大量的細(xì)小裂紋，這些裂紋的特點是起源于接頭的近縫區(qū)表面并向外側(cè)及厚度方向內(nèi)部沿晶界擴展，與焊縫垂直，呈現(xiàn)典型的沿晶開裂特征，如圖2及圖3所示，有的裂縫深度可達(dá)到2～3 mm，這些裂紋導(dǎo)致構(gòu)件無法滿足使用要求，作為壓力容器也不允許大量進(jìn)行焊接缺陷部位的修復(fù)影響安全性能，因此為不合格品。

表1 焊接工藝參數(shù)

圖1 PAW打底+TIG蓋面接頭截面

在圖3所示的裂紋處進(jìn)行EDS微區(qū)成分分析，可以看出成分組成除了常規(guī)的Fe，Mn，Ni，Si等外，含有較多的Cu元素，而Cu元素并不是作為不銹鋼中的微量元素添加進(jìn)去的。另外，結(jié)果表明，銅元素是在局部區(qū)域富集，含量僅次于Mn和Fe元素，這種形態(tài)對不銹鋼的焊接性能會產(chǎn)生不利的影響。

圖3 裂紋微觀形貌及裂紋處EDS分析

為了進(jìn)一步研究銅元素在不銹鋼母材表面的分布情況，在離熱影響區(qū)較遠(yuǎn)處母材選區(qū)進(jìn)行背散射圖觀察，圖4a是呈現(xiàn)異常形貌的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)由2種顏色不同的區(qū)域組成，即比例較小的淺色區(qū)和比例較大的深色區(qū)。圖4b中所選區(qū)域的EDS結(jié)果表明，該淺色區(qū)域的主要元素是Cu。很明顯，表面的銅并不是來自不銹鋼材料本身，而是來自外部的銅污染。經(jīng)過對該不銹鋼材料的加工過程的跟蹤，發(fā)現(xiàn)該表面的銅元素是在材料的加工過程受到了其它銅工件的刮擦碰撞所致。銅是一種熔點較低的金屬，只有1 083 ℃，并且強度及硬度均遠(yuǎn)低于不銹鋼，因此，當(dāng)2種金屬發(fā)生摩擦或碰撞時，銅極易粘附在不銹鋼的表面造成銅污染。

圖4 遠(yuǎn)離熱影響區(qū)處母材背散射圖及SEM形貌

焊接過程中，靠近焊縫的高溫?zé)嵊绊憛^(qū)溫度可達(dá)1 200 ℃以上，在此溫度下，粘附在不銹鋼表面的銅迅速熔化，液態(tài)銅很容易沿著奧氏體晶粒的晶界發(fā)生完全潤濕作用，即滲透到奧氏體晶粒的晶界處，在焊后冷卻過程，在拉應(yīng)力的作用下，由于液態(tài)銅來不及凝固，即使在奧氏體晶界處凝固的銅薄膜強度也較低，被銅潤濕的晶界處就會發(fā)生沿晶開裂，如圖3a所示。理論研究表明，潤濕現(xiàn)象的發(fā)生與固液相之間的界面能和晶粒之間的晶界能密切相關(guān)。當(dāng)2倍的固-液相界面能2σSL小于奧氏體晶粒之間的晶界能σGB時，奧氏體晶粒就會被銅液完全潤濕。一般來說，溫度越高，這種完全潤濕現(xiàn)象就越容易發(fā)生[6-7]。焊接熱影響區(qū)高溫區(qū)的溫度在1 200 ℃以上，在此溫度下，潤濕現(xiàn)象在短暫焊接熱循環(huán)過程中即可完成，在潤濕作用和由受到拘束而產(chǎn)生的拉應(yīng)力的作用下，晶界被液態(tài)銅完全滲透的HAZ的奧氏體發(fā)生了沿晶開裂并擴展。該焊接缺陷是屬于由于銅污染而導(dǎo)致的焊接熱裂紋現(xiàn)象，找到產(chǎn)生裂紋的原因后，對不銹鋼焊接坡口處10 cm范圍內(nèi)進(jìn)行了表面打磨處理后再進(jìn)行焊接，消除產(chǎn)生焊接熱裂紋的條件，再次進(jìn)行焊接后獲得了完好的焊接接頭。

2 316L不銹鋼焊縫表面凹坑及夾渣

無填充焊材的母材自熔化TIG焊接工藝是直縫焊管制造中常采用的方法，一般用于UO成形的連續(xù)焊管生產(chǎn)線中焊接壁厚小于3 mm的薄壁小直徑焊管。在生產(chǎn)制造規(guī)格為φ50 mm×1.2 mm的316L不銹鋼直縫焊管時，采用的焊接工藝參數(shù)為焊接電流170～180 A，焊接速度1.8 m/min，保護(hù)氬氣流量12 L/min。焊接完成后焊管內(nèi)部用芯棒擠壓平背部焊縫余高，而外焊縫則用百葉輪打磨平余高。打磨后在焊縫表面發(fā)現(xiàn)一定數(shù)量分布無規(guī)律的凹坑缺陷，如圖5所示，這些凹坑破壞了焊縫的連續(xù)性，影響焊縫的強度，被認(rèn)定是廢品。另外，此類缺陷在304不銹鋼中也會產(chǎn)生，形態(tài)和產(chǎn)生原因都基本相同[8]。

圖5 316L不銹鋼自熔化TIG焊焊縫表面凹坑缺陷

進(jìn)一步的觀察表明，這些凹坑缺陷都位于焊縫的靠近熔合線位置附近，有的凹坑內(nèi)部還能用肉眼看到殘留的渣。 掃描電鏡觀察進(jìn)一步證實了這一點如圖6所示，殘留渣的EDS分析結(jié)果表明，這些渣的主要成分是Al，Ca，Si，Mg和O等元素，即Ca和Mg的硅鋁酸鹽顆粒。

圖6 焊縫表面凹坑SEM像及殘留渣EDS結(jié)果

分析認(rèn)為，這些顆粒狀的渣是在焊接過程中高溫的熔池內(nèi)形成的，具有熔點高、密度較熔池中的液態(tài)金屬小的特點。因此，在液態(tài)熔池的浮力作用下向上逸出，而逸出速率取決于熔池密度、粘度系數(shù)和渣與熔池的界面張力等多種因素。與鐵素體不銹鋼相比，奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱性差、熔池粘度系數(shù)大、渣與熔池之間的界面張力也大，渣顆粒向上運動受到的阻力較大，逸出速度慢。因此，焊縫凝固后，有部分夾渣來不及完全逸出熔池表面，一部分露出焊縫表面而其余則留在焊縫中，由于熔合線附近是最先凝固位置，熔池存在時間短。因此，這些夾渣一般在熔合線附近被發(fā)現(xiàn)。在隨后的在線打磨過程中，這些夾渣顆粒脫離焊縫表面，同時在焊縫表面留下凹坑缺陷。究其原因，由于焊接工藝是無填充焊絲的母材自熔化TIG，這些在焊接過程形成的渣顆粒只可能是來源于母材內(nèi)部。對母材進(jìn)行電鏡觀察，可以發(fā)現(xiàn)分布無規(guī)律的夾雜物(圖7中圓形顆粒)，EDS分析表明7這些夾雜物的成分除了Fe，Cr，Ni等元素外，其余元素與表面渣顆粒中的基本一致。因此可以推斷焊縫中出現(xiàn)的夾渣顆粒來源于母材中的夾雜物在高溫熔池中的冶金反應(yīng)生成物。

圖7 母材中的夾雜物顆粒及EDS結(jié)果

為了進(jìn)一步證實這些微量元素在母材中的存在，采用化學(xué)分析法對母材進(jìn)行了這些元素的精確的化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2，與其他無此缺陷的材料成分相比，可見這一批316不銹鋼母材中的微量元素明顯高于一般水平。因此，當(dāng)母材中的Al，Ca，O，Mg等微量元素含量高于一般水平時，盡管合乎標(biāo)準(zhǔn)，但該不銹鋼不適用于母材自熔化焊接工藝。如果無法更換材料，在以上分析結(jié)果基礎(chǔ)上，可以考慮采用以下措施來在一定程度上防止或減少缺陷產(chǎn)生，但是最根本的防止措施還是對母材成分的嚴(yán)格控制：①適當(dāng)?shù)念A(yù)留I形坡口間隙，間隙寬度0.2～0.4 mm，在保證焊透的前提下適當(dāng)減小焊接電流和焊接速度，增加熔池停留時間，增加夾渣向外上浮時間；②采用混合保護(hù)氣體，如氦氣+氬氣混合氣體等，以提高電弧挺度和穿透力，增加熔池流動性；③在焊接兩側(cè)坡口處涂覆活性焊劑， 可減小焊接電流，改善焊縫成形，且在焊接過程中活性元素可以減小熔池和渣顆粒之間的界面張力，提高夾渣逸出速率。

表2 實測微量元素對比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

3 304L不銹鋼薄板焊縫成形不良

一般來說，如無特殊說明，304L不銹鋼中的S，P，O等元素被視為有害元素而嚴(yán)格控制，其含量越低，表明該不銹鋼雜質(zhì)元素控制嚴(yán)格，是“純凈”的優(yōu)質(zhì)不銹鋼。然而在特定情況下，不銹鋼在進(jìn)行無填充材料的母材自熔化焊接加工時，這些活性元素對焊縫成形具有顯著的影響作用，在某些情況下，可能會增加后續(xù)加工的時間和人力成本。下面結(jié)合在生產(chǎn)實踐中的具體實例來闡述。

國內(nèi)某保溫杯制造公司分別采用來自兩家不同鋼鐵公司生產(chǎn)的304不銹鋼，規(guī)格為0.8 mm，在同一直縫焊管生產(chǎn)線上采用母材自熔化TIG焊接方法生產(chǎn)保溫杯的不銹鋼內(nèi)膽。焊接工藝參數(shù)為焊接電流 150～160 A，焊接速度 800 mm/mim，保護(hù)氣體流量12 L/min。該內(nèi)膽由于后續(xù)工藝中需要進(jìn)行螺紋的加工，因此要求焊縫與母材具有較高的平直度，即焊縫的正面及背面無余高。焊接完成后發(fā)現(xiàn)，在相同的焊接設(shè)備、工藝參數(shù)及操作工條件下，A公司的304L不銹鋼板獲得的焊縫可滿足要求，而B公司的304L不銹鋼焊縫雖然也無明顯缺陷，但其焊縫背部余高較大，盡管可繼續(xù)使用，但為后續(xù)加工增加了難度。圖8a中所示為A公司316L不銹鋼獲得的焊接接頭截面形狀，焊縫厚度與母材厚度基本一致；圖8b中所示為B公司的316L不銹鋼獲得的焊接接頭截面形狀，可以看出，焊縫兩側(cè)都高于母材表面，且背部余高較大，焊縫的整體厚度大于母材。B不銹鋼的焊接接頭如果用于普通的焊管生產(chǎn)，則完全可認(rèn)為是合格的焊縫。但是在某些應(yīng)用條件下，由于涉及到美觀及后續(xù)加工的因素，希望獲得壁厚均勻的焊管。在這種情況下，A公司的產(chǎn)品具有明顯的優(yōu)勢，而B公司不銹鋼獲得的焊接接頭則認(rèn)為焊縫成形不良，通過打磨去除余高會增加用戶的使用成本。最終結(jié)果導(dǎo)致用戶棄用B公司不銹鋼材料，盡管該不銹鋼具有優(yōu)良的化學(xué)成分和性能。

圖8 兩種316L不銹鋼焊接接頭截面形狀對比

常規(guī)的化學(xué)元素檢測表明，兩種304L不銹鋼中的C，Si，Mn，Cr，Ni等元素的含量并無顯著差別，都符合標(biāo)準(zhǔn)中對成分的要求范圍。進(jìn)一步的分析認(rèn)為，這種成形上的差異是由不銹鋼中的微量元素的差別導(dǎo)致的，與活性元素及界面張力、潤濕性等具有密切的關(guān)系。因此，采用化學(xué)分析法測定了2種不銹鋼中的S 和P元素含量(由于板厚過小無法測量O元素含量)，對比結(jié)果示見表3，A和B不銹鋼的 P含量相近，但A公司不銹鋼中S元素含量是B公司不銹鋼中的5倍，S是一種作用較強的表面活性元素，另外一種作用較弱的活性元素Si含量分別為0.42和0.39，分析認(rèn)為是這一類微量活性元素的差異導(dǎo)致了焊縫成形的差異。

表3 實測微量元素對比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

焊接過程中熔池和母材之間的固-液相之間的界面行為可以用以下幾個概念來表達(dá)，即潤濕性、界面張力和接觸角(潤濕角)。這些概念實際上基本一致，與表面活性元素密切相關(guān)，鋼鐵材料中的表面活性元素基本上都是元素周期表中第VIA族中的非金屬元素，這些元素在熔池中的含量增加，表面張力會迅速降低，而其它非表面活性元素對熔池的表面張力影響非常小[9]。表3中活性元素實測結(jié)果表明，B不銹鋼盡管為優(yōu)質(zhì)的純凈度高的不銹鋼，但是在焊接加工時，熔池中的活性元素含量少，表面張力大，因此液相對固相(母材未熔化部分)的潤濕性差，接觸角θ大，即熔池中的液相不易鋪展至兩側(cè)的固相表面，由于兩相接觸角大，熔池兩側(cè)皆凸出母材表面，在重力作用下，熔池背部凸出更多，這種形態(tài)一直保持至焊縫凝固。盡管此案例不是嚴(yán)格意義上的焊接缺陷，但是也應(yīng)該引起研究及技術(shù)人員的足夠重視。

4 結(jié)束語

300系鉻鎳奧氏體不銹鋼是不銹鋼系列中焊接性最優(yōu)良的不銹鋼，但是由于奧氏體組織自身的特點，母材中的微量元素含量對焊接過程中的界面行為具有顯著的影響，主要導(dǎo)致的焊接缺陷為焊接熱裂紋、焊縫凹坑、夾渣和焊縫成形不良等。這些因素如果在不銹鋼成分設(shè)計和工藝控制過程中得到足夠重視，就可以在后續(xù)的焊接加工中避免焊接缺陷的產(chǎn)生，從本質(zhì)上提高材料的焊接性，而此類冶金缺陷通過焊接設(shè)備及工藝調(diào)整無法消除或只能在有限程度得以緩解。由于焊接冶金過程具有加熱冷卻速度快，極值溫度高和可控性差等特點，這些會導(dǎo)致焊接缺陷產(chǎn)生的因素在進(jìn)行焊接加工之前必須采取有效措施消除。尤其是采用母材自熔化焊接進(jìn)行焊接加工的材料，對不銹鋼材料中的微量元素應(yīng)提出更精細(xì)的要求。綜上所述，鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)對材料的焊接性特點應(yīng)具有深刻的認(rèn)識，進(jìn)一步細(xì)分市場及產(chǎn)品，針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計生產(chǎn)不同微量元素含量的不銹鋼產(chǎn)品，實現(xiàn)效益的最大化。