雙相不銹鋼CMT-P 復(fù)合焊接微區(qū)組織特征

徐連勇，白玉潔，韓永典，荊洪陽(yáng)，張志強(qiáng)

(1.天津大學(xué),天津,300350；2.天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津,300350；3.中國(guó)民航大學(xué),天津,300300)

0 序言

雙相不銹鋼由鐵素體(δ)和奧氏體(γ)組成，其兩相比例接近1∶1.雙相不銹鋼在兼顧鐵素體不銹鋼與奧氏體不銹鋼優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，提高了耐點(diǎn)蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕等性能，使其在海洋工業(yè)、石油化工和造紙等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1].目前，利用傳統(tǒng)的熔化極惰性氣體保護(hù)焊(melt inert gas welding，MIG 焊)、熔化極惰性氣體保護(hù)焊(melt active gas welding，MAG 焊)和鎢極惰性氣體保護(hù)焊(tungsten inert gas welding，TIG 焊)等焊接方法獲得的雙相不銹鋼焊接接頭往往存在著晶粒粗化、兩相比例失衡、有害二次相析出等問題[2-3]，從而導(dǎo)致焊接接頭的力學(xué)性能和耐局部腐蝕性能下降.此外，采用單一焊接技術(shù)進(jìn)行雙相不銹鋼焊接存在難以同時(shí)兼顧焊接質(zhì)量、效率和成本的科學(xué)難題.

冷金屬過(guò)渡(cold metal transfer，CMT)是基于MIG/MAG 焊方法開發(fā)出的一種新型焊接技術(shù)，它可以利用控制系統(tǒng)使焊絲回抽實(shí)現(xiàn)短路過(guò)渡，具有低熱輸入、無(wú)飛濺和高焊接效率等優(yōu)點(diǎn).為提高CMT 的熱輸入調(diào)控范圍，奧地利福尼斯公司又開發(fā)了冷金屬過(guò)渡加脈沖(cold metal transfer plus pulse，CMT-P)的復(fù)合焊接工藝.CMT-P 可以通過(guò)調(diào)節(jié)一個(gè)焊接周期內(nèi)CMT 與脈沖個(gè)數(shù)的比值精確控制焊接熱輸入.陳慶宏等人[4]發(fā)現(xiàn)，與P92 鋼的TIG 焊打底+手工電弧焊填充焊接工藝相比，CMT-P 工藝具有焊接熱輸入更低、焊接效率更高、焊接接頭綜合性能更好等顯著優(yōu)點(diǎn).

CMT-P 復(fù)合焊接的研究和應(yīng)用主要集中于Al 合金及其與高熔點(diǎn)金屬的異種連接[5-7]，針對(duì)雙相不銹鋼的CMT-P 復(fù)合焊接接頭微觀組織和性能的研究鮮有報(bào)道.因此，文中以UNS S32750 超級(jí)雙相不銹鋼為研究對(duì)象，引用新型的CMT-P 焊接方法，利用無(wú)損檢測(cè)以及光學(xué)顯微鏡(optical microscopy，OM)、X 射線衍射儀(X-ray diffractomer，XRD)、掃描電 子顯微 鏡(scanning electron microscope，SEM)、能譜儀(energy dispersive，EDS)、透射電鏡(transmission electron microscope，TEM)等技術(shù)對(duì)焊接接頭的成形質(zhì)量和各微區(qū)顯微組織進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分析了鐵素體和奧氏體相轉(zhuǎn)變規(guī)律及二次相析出機(jī)制.旨在為雙相不銹鋼CMTP 焊接接頭組織控制、性能優(yōu)化等方面提供科學(xué)依據(jù)與理論支撐，對(duì)提升國(guó)內(nèi)深海油氣安全輸送能力具有重要的科學(xué)與工程應(yīng)用價(jià)值.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料選用UNS S32750 超級(jí)雙相不銹鋼熱軋鋼板，尺寸為150 mm × 80 mm × 8 mm.填充焊絲為ER2594，直徑為1.0 mm，化學(xué)成分如表1 所示.為了保證焊縫中析出足夠多的奧氏體，焊絲含有比母材更高的鎳含量(奧氏體穩(wěn)定化元素).

表1 母材及焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of base metal and welding wire

采用CMT-P 焊接方法進(jìn)行雙相不銹鋼焊接.基于工程應(yīng)用實(shí)際需求，坡口設(shè)計(jì)為V 形，坡口角度為60°，鈍邊1 mm，間隙為1.5 mm.焊接方向?yàn)檐堉品较?，總?jì)焊接2 道，其中根焊1 道，填充1 道，無(wú)蓋面焊，且兩道焊接的工藝參數(shù)相同.經(jīng)正交試驗(yàn)優(yōu)化的工藝參數(shù)：送絲速度為8 m/min，焊接速度為5 mm/s，一個(gè)焊接周期內(nèi)CMT 個(gè)數(shù)與脈沖個(gè)數(shù)之比(CMT/P)為1/16.選用純Ar 作為保護(hù)氣體，氣體流量為15 L/min.

焊接接頭金相試樣的制備方法：采用砂紙逐道研磨、鏡面拋光和化學(xué)腐蝕，采用Beraha 腐蝕液(30 mL HCl+60 mL H2O+1 g K2S2O5)侵蝕5 s 左右.之后采用OM，SEM，EDS 對(duì)微觀組織和成分進(jìn)行分析.采用Image-pro 圖像處理軟件統(tǒng)計(jì)分析焊接接頭各微區(qū)的奧氏體含量.運(yùn)用XRD 進(jìn)行物相分析，并采用TEM 進(jìn)一步分析二次相晶體結(jié)構(gòu)、形貌和成分.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀和微觀組織表征

CMT-P 焊接超級(jí)雙相不銹鋼焊縫表面及接頭截面的宏觀形貌如圖1 所示.從圖1 可以看出，焊縫筆直且寬度分布均勻，無(wú)嚴(yán)重的氧化、飛濺及咬邊等現(xiàn)象.CMT 與脈沖協(xié)同熱力效應(yīng)帶來(lái)的微振動(dòng)作用加快了熔池的流動(dòng)，促使氣泡有效溢出且使組織更加均勻化.經(jīng)X 射線無(wú)損探傷檢測(cè)，焊縫內(nèi)部無(wú)氣孔、裂紋、未熔合等焊接缺陷.

圖1 焊縫接頭宏觀形貌Fig.1 Macro-morphology of welded joint.(a) weld surface;(b) weld joint section

焊接接頭不同區(qū)域的顯微組織如圖2 所示.焊縫(weld metal，WM)、熱影響區(qū)(heat affected zone，HAZ)和母材(base metal，BM)組織呈現(xiàn)顯著差異.由圖2a 可以看出，母材組織由黑色鐵素體與白色奧氏體組成，兩者沿軋制方向呈條帶狀分布.

由于經(jīng)歷了復(fù)雜的多層多道焊接熱循環(huán)過(guò)程，焊縫區(qū)組織更加復(fù)雜，如圖2b 所示.基于組織形態(tài)和析出機(jī)制，焊縫區(qū)中奧氏體主要包括晶粒邊界奧氏體、魏氏奧氏體和晶粒內(nèi)奧氏體.當(dāng)熔池從液相冷卻，經(jīng)過(guò)液相線時(shí)，通常只有鐵素體析出，當(dāng)溫度低于鐵素體固溶線時(shí)，奧氏體開始形成.鐵素體晶界處存在元素偏析和晶格畸變，導(dǎo)致晶界處的自由能較高，晶界鐵素體發(fā)生相變所需的驅(qū)動(dòng)力小，所以晶粒邊界奧氏體首先形成，且含量較高.隨著晶粒邊界奧氏體含量增加，鐵素體晶粒邊界可用的形核位置逐漸減少.因此，新的奧氏體晶核在鐵素體與晶粒邊界奧氏體間析出，并向晶粒內(nèi)部生長(zhǎng)，形成魏氏奧氏體.隨著溫度的繼續(xù)降低，奧氏體會(huì)在鐵素體內(nèi)部析出，形成晶粒內(nèi)奧氏體.晶粒內(nèi)奧氏體析出需要更大的晶格擴(kuò)散激活能，因此晶粒內(nèi)奧氏體長(zhǎng)大速度較慢，尺寸也相對(duì)更加細(xì)小.

圖2 焊接接頭不同區(qū)域微觀組織Fig.2 Microstructures in different zone of welding joint.(a) base metal;(b) weld metal;(c) mixed zone

圖2c 為母材、熱影響區(qū)及焊縫的混合區(qū)微觀組織形貌.從圖2c 可以看出，熱影響區(qū)寬度約為2.5 mm，奧氏體以不規(guī)則的形態(tài)存在，且含量相對(duì)較少.這是由于焊接過(guò)程中熱影響區(qū)的峰值溫度高于完全鐵素體化溫度，導(dǎo)致奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體.由于焊后冷卻速度較快，奧氏體析出較少，且來(lái)不及長(zhǎng)大，因而晶粒邊界奧氏體厚度較薄且不連續(xù).之后快速冷卻至晶粒內(nèi)奧氏體的形成范圍，其較大的過(guò)冷驅(qū)動(dòng)力促使晶粒內(nèi)奧氏體形成.

2.2 兩相組織比例分析

合理的鐵素體與奧氏體兩相比例是保證雙相不銹鋼優(yōu)良性能、延長(zhǎng)其使用壽命的關(guān)鍵，在石油和天然氣行業(yè)中，通常規(guī)定雙相不銹鋼的鐵素體或奧氏體含量應(yīng)維持在30%～ 70%之間[8].

表2 為焊接接頭不同區(qū)域奧氏體含量.從表2可以看出，母材的奧氏體含量為43.2%，滿足雙相不銹鋼的兩相比例要求.由于焊絲中的奧氏體形成元素含量較高，且脈沖對(duì)熔池的沖擊振動(dòng)和擾動(dòng)作用促進(jìn)了合金元素充分?jǐn)U散，致使奧氏體充分析出，故焊縫的平均奧氏體含量高于母材.另外發(fā)現(xiàn)焊縫填充(第二道)的奧氏體含量顯著高于焊根，主要原因在于：①焊縫填充時(shí)存在前一道次的預(yù)熱與保溫作用，因此焊縫填充焊道次在奧氏體析出溫度區(qū)間停留時(shí)間延長(zhǎng)，形成的奧氏體更多；② N 是奧氏體穩(wěn)定化元素，可以通過(guò)提高鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度，促進(jìn)雙相鋼內(nèi)奧氏體的形成.由于打底焊在高溫下經(jīng)歷時(shí)間較長(zhǎng)，根部的N 元素蒸發(fā)燒損更嚴(yán)重，形成的奧氏體偏少；③由于V 形坡口焊接接頭根部的母材熔合量較大，因而與填充焊道相比，焊根的奧氏體形成元素Ni 的稀釋率更高，Ni 原子含量的減少抑制了焊根中奧氏體的形成.此外，熱影響區(qū)中奧氏體含量約為32.3%，雖遠(yuǎn)低于母材及焊縫，但高于30%，滿足雙相鋼兩相比例的標(biāo)準(zhǔn)要求.利用CMT-P 工藝焊接雙相不銹鋼，在保證良好焊縫成形質(zhì)量的同時(shí)，成功將兩相比例控制在了合理范圍之內(nèi)，滿足了焊接的初步要求.

表2 接頭不同區(qū)域的奧氏體含量(%)Table 2 Austenite content in different areas of joint

2.3 XRD 物相分析

由于UNS S32750 超級(jí)雙相不銹鋼化學(xué)成分中高鉻、高鉬、高氮的成分設(shè)計(jì)，使其在焊接過(guò)程中比其它雙相不銹鋼更易析出σ 相、γ2及Cr2N 等有害相，這些有害相的析出會(huì)嚴(yán)重降低焊接接頭的耐腐蝕性能和沖擊韌性[9].

圖3 為焊接接頭各微區(qū)的XRD 結(jié)果.從圖3可以看出，雙相不銹鋼接頭各微區(qū)的物相主要由取向不同的鐵素體和奧氏體組成，沒有發(fā)現(xiàn)第二相的析出，主要?dú)w因于Cr2N 等二次相尺寸較小，含量較少，超出了XRD 的檢測(cè)極限.通常情況下，母材中的鐵素體和奧氏體主要沿晶面(110)和(111)分布，但熱軋后產(chǎn)生部分沿其它密排面分布的晶粒.對(duì)比各區(qū)域衍射峰發(fā)現(xiàn)，焊縫和熱影響區(qū)中晶面指數(shù)為(110)和(111)的晶粒少于母材，其它晶面指數(shù)的晶粒差異不顯著.表明焊接過(guò)程主要影響晶面指數(shù)為(110)和(111)的晶粒.另外，熱影響區(qū)中出現(xiàn)了其它微區(qū)中均沒有的晶面指數(shù)為(200)的鐵素體晶粒，這可能是由于再加熱過(guò)程中熱影響區(qū)中的奧氏體轉(zhuǎn)化為(200)晶面的鐵素體以及之前存在非(200)晶面鐵素體發(fā)生再結(jié)晶所導(dǎo)致.

圖3 焊接接頭的XRD 圖譜Fig.3 XRD pattern of welding joint

2.4 二次相表征

圖4 為焊接接頭各微區(qū)的SEM 形貌.從圖4可以看出，焊縫填充金屬主要由不規(guī)則形貌的一次奧氏體和鐵素體組成，而焊根及熱影響區(qū)中析出了二次奧氏體(γ2).主要?dú)w因于焊縫填充金屬(第二道)未經(jīng)歷后續(xù)焊道的再加熱作用，而焊根和熱影響區(qū)受到了前一焊道或相鄰焊道再加熱作用.因此，多層多道焊接過(guò)程中，再加熱是γ2析出的必要條件.根據(jù)析出位置與形貌的不同，γ2分為晶粒內(nèi)γ2和晶粒間γ2兩種，晶粒內(nèi)γ2在鐵素體晶粒內(nèi)形核長(zhǎng)大，與一次奧氏體相比，其尺寸更小且形狀不規(guī)則.晶粒間γ2分布于鐵素體與一次奧氏體邊界，腐蝕后其形貌呈臺(tái)階狀，如圖4b 所示.

圖4 焊接接頭各區(qū)域析出相表征Fig.4 Characterization of precipitated phases in different zones of welding joint.(a) weld filler metal;(b) weld root;(c) HAZ

對(duì)晶粒間γ2進(jìn)行透射電鏡表征，如圖5 所示.TEM 分析表明，晶粒間γ2與一次奧氏體的相界線曲度較小、近似為直線，而與鐵素體(δ)的相界線為曲線，這表明晶粒間γ2主要向δ 基體方向生長(zhǎng).選區(qū)電子衍射分析表明，γ2的晶體結(jié)構(gòu)與一次奧氏體(γ)相同，均為面心立方(FCC).

圖5 晶粒間γ2 透射電鏡表征Fig.5 Intergranular γ2 characterization by TEM

除了γ2，在焊根及熱影響區(qū)中還發(fā)現(xiàn)了一些分布在晶粒邊界及晶粒內(nèi)的細(xì)小棍狀析出相，且熱影響區(qū)內(nèi)含量明顯多于焊根，如圖6 所示.TEM 分析表明析出相呈短棍狀，長(zhǎng)度約為100～ 250 nm，寬度為40～ 50 nm，如圖6a～ 圖6b 所示.對(duì)這些析出物進(jìn)行EDS 分析，發(fā)現(xiàn)短棍狀析出物富Cr(49.00%)，F(xiàn)e(34.29%)，N(7.29%)，Mo(6.59%)和Ni(2.05%)，如圖7 所示.需要特別說(shuō)明的是，由于析出物尺寸較小，能譜測(cè)試結(jié)果中可能會(huì)包含母材的成分，導(dǎo)致EDS 分析結(jié)果不一定精確.對(duì)析出物的電子衍射花樣進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果中存在兩套電子衍射花樣，經(jīng)計(jì)算，較亮的衍射花樣為體心立方(BCC)結(jié)構(gòu)的δ 基體，而較暗的為六方(hexagonal)結(jié)構(gòu)的析出相，如圖6c 所示.進(jìn)一步選取圖8 中的兩個(gè)短棍狀析出物進(jìn)行Cr 元素的線掃描分析，結(jié)果表明析出物的Cr 含量遠(yuǎn)高于δ 基體，因此推定該析出物為富Cr 的化合物，如圖7b 所示.結(jié)合雙相鋼的平衡相圖、化學(xué)成分及晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可以確定該析出相為Cr2N.另外，還發(fā)現(xiàn)Cr2N 的析出消耗δ 中的Cr 原子，致使其周圍形成的貧Cr 區(qū)，尺寸約為150 nm.貧Cr 區(qū)的存在會(huì)導(dǎo)致雙相不銹鋼表面鈍化膜的厚度不均，易導(dǎo)致焊接接頭的局部耐腐蝕性能惡化.

圖6 Cr2N 透射電鏡表征Fig.6 Cr2N characterization by TEM.(a) intragranular Cr2N;(b) grain boundary Cr2N;(c) selected area electron diffraction pattern of Cr2N

圖7 Cr2N EDS 表征Fig.7 Cr2N characterization by EDS.(a) chemical composition of Cr2N;(b) Cr element distribution around Cr2N

圖8 EDS 測(cè)試路徑Fig.8 EDS test path

盡管N 元素是奧氏體的形成元素，但發(fā)現(xiàn)Cr2N 主要分布于δ 晶粒內(nèi)和晶粒邊界.這是由于N 原子在奧氏體中固溶度高且擴(kuò)散速度低，因此難以產(chǎn)生過(guò)飽和的游離N 原子，無(wú)法為Cr2N 析出創(chuàng)造成分條件[10].N 原子在δ 中固溶度遠(yuǎn)小于奧氏體且擴(kuò)散速度快，極易過(guò)飽和而存在大量的游離態(tài)N 原子，與Cr 原子結(jié)合形成Cr2N.

3 結(jié)論

(1)引入新型CMT-P 復(fù)合焊接技術(shù)，成功制備了成形質(zhì)量?jī)?yōu)異的UNS S32750 超級(jí)雙相不銹鋼焊接接頭.

(2)與母材和焊縫相比，熱影響區(qū)內(nèi)奧氏體含量最低(32.3%)，但焊接接頭各微區(qū)的奧氏體含量均滿足不低于30%的標(biāo)準(zhǔn)要求.

(3)焊根和熱影響區(qū)中均析出了晶粒內(nèi)γ2和晶粒邊界γ2，而焊縫填充區(qū)沒有γ2析出.因此，多層多道焊接過(guò)程中，再加熱是γ2析出的必要條件.

(4)焊根和熱影響區(qū)均析出了短棍狀Cr2N，且主要分布在δ 晶粒內(nèi)和晶粒邊界，Cr2N 析出致使相鄰δ 形成了明顯的貧Cr 區(qū).