316L帶極埋弧堆焊殘余應(yīng)力和微觀組織的表征

趙 菲，張夢(mèng)強(qiáng)

(太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

石油化工容器、核電設(shè)備等厚壁壓力容器在高溫高壓下運(yùn)行，會(huì)受到介質(zhì)的腐蝕作用。

一般厚壁壓力容器的設(shè)計(jì)要求是從成本方面考慮，在容器內(nèi)壁焊接不銹鋼功能層，達(dá)到防腐蝕目的[1-3]。常見的不銹鋼功能層主要有308L、316L和347，其中在母材和耐蝕層之間堆焊309L主要是為了起過(guò)渡作用，有效阻止熔敷金屬裂紋向基體發(fā)展，還能夠防止功能層貧鉻現(xiàn)象的發(fā)生，使熔敷金屬的合金成分達(dá)到規(guī)定要求。最后堆焊的功能層308L、316L以及347達(dá)到耐腐蝕的目的[4-5]。相對(duì)于電弧焊和氣保焊而言，埋弧堆焊具有較高的熔敷率和較低的稀釋率，堆焊后的試件無(wú)需機(jī)械加工即可使用，不容易造成焊接缺陷和焊接接頭質(zhì)量問(wèn)題[6-7]。母材與不銹鋼焊帶通過(guò)熔化焊接進(jìn)行兩者的連接，由于焊接時(shí)具有較大的熱輸入，因此母材與熔敷金屬熔合線附近的區(qū)域是焊接性能較差的位置，大多數(shù)情況下焊接試件的損壞由焊接熔合區(qū)開始[8-10]。

關(guān)于異種鋼焊接界面熔合區(qū)的應(yīng)力狀況，大部分研究人員認(rèn)為焊縫與熔合區(qū)附近的金屬受拉應(yīng)力作用，熱影響區(qū)靠近焊縫的金屬主要受壓應(yīng)力作用，更遠(yuǎn)處的金屬又為拉應(yīng)力[11-12]。H.A.Schimmoeller等人[13]認(rèn)為，熱影響區(qū)受到拉應(yīng)力作用，熔合區(qū)附近不受應(yīng)力作用；焊接試件熱處理之后，各部位受應(yīng)力作用會(huì)發(fā)生變化，熔合線附近受拉應(yīng)力作用，熱影響區(qū)受壓應(yīng)力作用。楊慶祥[14]等人認(rèn)為，在熔敷金屬中心部位和熔合區(qū)附近熱影響區(qū)有兩個(gè)殘余應(yīng)力的峰值，并且隨著試樣尺寸的變大，殘余應(yīng)力的峰值也會(huì)變大。研究人員對(duì)堆焊得到的不銹鋼復(fù)合鋼材進(jìn)行殘余應(yīng)力分析，認(rèn)為堆焊過(guò)程中材料的差異性會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部存在復(fù)雜的殘余應(yīng)力分布情況[15-16]。

1 試驗(yàn)

1.1 堆焊試驗(yàn)

本試驗(yàn)材料選用太原鋼鐵集團(tuán)有限公司(太鋼)生產(chǎn)的不銹鋼焊帶材料，母材Q345R碳鋼尺寸為400 mm×200 mm×30 mm，其化學(xué)成分見表1；不銹鋼焊帶EQ309L尺寸為60 mm×0.5 mm，不銹鋼焊帶EQ316L尺寸為60 mm×0.5 mm，不銹鋼焊帶化學(xué)成分見表2.

表1 Q345R鋼板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 焊接材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

選用帶極埋弧堆焊，過(guò)渡層選用EQ309L焊帶，過(guò)渡層堆焊厚度為3 mm；面層選用EQ316L焊帶，堆焊厚度為6 mm.本試驗(yàn)采用帶極埋弧堆焊焊接工藝參數(shù)如表3所示。堆焊后試樣如圖1所示。

表3 焊接工藝參數(shù)

圖1 堆焊試樣及殘余應(yīng)力選點(diǎn)圖

1.2 依據(jù)NB/T 47018標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)研究

1.2.1 熔敷金屬鐵素體含量(FN值)

少量的鐵素體可以改善熔敷金屬的強(qiáng)度以及提高耐腐蝕性，還具有晶粒細(xì)化的作用。當(dāng)鐵素體含量達(dá)到一定臨界點(diǎn)時(shí)，反而會(huì)降低焊接試件的韌性，甚至?xí)?dǎo)致焊接試件發(fā)生脆性斷裂。由表4可知，堆焊層熔敷金屬鐵素體含量滿足要求。

表4 熔敷金屬FN值

1.2.2 晶間腐蝕試驗(yàn)

首先按照標(biāo)準(zhǔn)制備試樣尺寸為80 mm×10 mm×4 mm的試樣兩塊，在硫酸-硫酸銅溶液微沸狀態(tài)進(jìn)行浸泡，隨后進(jìn)行三點(diǎn)面彎試驗(yàn)，彎曲直徑10 mm，最大彎曲力7.4 kN，最后觀察試樣表面有無(wú)晶間腐蝕裂紋，彎曲后的表面如圖2所示，沒(méi)有出現(xiàn)宏觀裂紋。

圖2 晶間腐蝕試驗(yàn)圖

1.2.3 熔敷金屬化學(xué)成分分析

本試驗(yàn)使用光譜儀測(cè)定堆焊后的熔敷金屬化學(xué)成分，取樣位置在堆焊耐蝕層表面以下(1.5～2.5)mm處，結(jié)果如表5所示。

表5 熔敷金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

如表5所示，可以看出熔敷金屬各主要屬元素，其中含有較多Cr元素，能提高不銹鋼的耐蝕性，Ni元素可以提高熔敷金屬的韌性，且C元素含量不高，不易與Cr形成化合物在晶間形成貧鉻區(qū)，進(jìn)而降低不銹鋼的耐蝕性。

1.3 殘余應(yīng)力測(cè)定

本試驗(yàn)選擇加拿大Proto公司的IXRD殘余應(yīng)力儀，其滿足歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN15305-2008以及美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E915-10.本試驗(yàn)殘余應(yīng)力測(cè)定選點(diǎn)如圖1所示，在試樣上進(jìn)行的X射線衍射特性見表6.

表6 X射線衍射特性

2 結(jié)果與討論

2.1 殘余應(yīng)力分析

圖3為3組殘余應(yīng)力多次測(cè)定取平均值同一水平位置處的平均殘余應(yīng)力誤差曲線。如圖3所示，殘余應(yīng)力多次測(cè)定實(shí)驗(yàn)誤差為(5～30)MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圖5中316L層、309L層以及Q345R層殘余應(yīng)力的測(cè)定值(160～280)MPa，則表明殘余應(yīng)力測(cè)定試驗(yàn)具有較高的準(zhǔn)確性。如圖4所示，為選取3組不同位置進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)定的殘余應(yīng)力曲線，其中，橫坐標(biāo)為測(cè)試點(diǎn)距離功能層熔敷金屬上表面的垂直距離，縱坐標(biāo)為每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的殘余應(yīng)力測(cè)定值，“-”值表示測(cè)定的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。從功能層熔敷金屬上表面到316L與309L界面延伸至309L層附近殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力并且逐漸增大，從316L與309L界面附近到309L與Q345R界面附近的熱影響區(qū)殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力并且逐漸減小，從309L與Q345R界面附近的熱影響區(qū)到Q345R(距離上表面12 mm處)殘余應(yīng)力還是壓應(yīng)力并且逐漸增大，功能層熔敷金屬殘余應(yīng)力最大值為240 MPa，出現(xiàn)在316L與309L界面附近，功能層熔敷金屬殘余應(yīng)力最小值為160 MPa，出現(xiàn)在316L層上表面附近。

圖3 平均殘余應(yīng)力誤差值

圖4 試樣殘余應(yīng)力曲線

2.2 微觀組織分析

如圖5所示，為不銹鋼309L和Q345R碳鋼界面的EBSD組織圖：圖5(a)為IPF圖，圖中左側(cè)是基體Q345R碳鋼，右側(cè)是不銹鋼309L層，從圖中可以看出309L層晶粒粗大，呈柱狀晶形貌；圖5(b)為其相圖，由圖可知Q345R為鐵素體體心立方結(jié)構(gòu)(bcc)，309L為奧氏體面心立方結(jié)構(gòu)(fcc)；圖5(c)為其晶粒形態(tài)圖，其中黑色晶粒為再結(jié)晶，白色晶粒為亞晶，灰色晶粒為變形晶，由圖5(c)可知，Q345R主要由細(xì)小再結(jié)晶晶粒組成，309L堆焊層組織主要為粗大亞晶，而他們之間的過(guò)渡區(qū)主由彌散的變形晶構(gòu)成。在埋弧堆焊過(guò)程中，剛開始進(jìn)行埋弧堆焊時(shí)，在碳鋼Q345R和不銹鋼309L界面附近會(huì)出現(xiàn)晶粒細(xì)化主要是因?yàn)樗苄宰冃危浑S著埋弧堆焊層次增多時(shí)，碳鋼和不銹鋼界面出現(xiàn)晶粒細(xì)化主要是因?yàn)樗苄宰冃魏蛣?dòng)態(tài)再結(jié)晶的相互作用。隨著堆焊層次的增加，因?yàn)閼?yīng)變具有不可逆性，則應(yīng)變會(huì)累積，最終導(dǎo)致大晶粒破碎充分。

圖5 309L和Q345R界面EBSD組織圖

圖6顯示了Q345R碳鋼在不同距離309L和Q345R界面的IPF圖和取向圖，其中圖6(a)為距離界面2 mm處Q345R碳鋼的IPF圖；圖6(b)為距離界面15 mm處Q345R碳鋼的IPF圖；圖6(c)為距離界面5 mm處Q345R碳鋼的IPF圖?？梢钥闯鯭345R的平均晶粒尺寸在界面附近(圖6(c)所示，約為(30～40)μm)大于Q345R基體核心(圖6(a)、(b)所示，約為(10～30)μm)，即在埋弧堆焊過(guò)程中，距離熔合線較近時(shí)，熱影響區(qū)的熱輸入較高，晶粒的直徑越大長(zhǎng)大越明顯。主要是因?yàn)樵赒345R碳鋼上堆焊不銹鋼焊帶309L的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生顯著的溫度梯度，進(jìn)一步會(huì)引起較大的殘余應(yīng)力，最終會(huì)加速熱影響區(qū)附近Q345R碳鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程，隨著距離熔合線較遠(yuǎn)時(shí)，成核形成的新晶粒不能足夠長(zhǎng)大，并保持在環(huán)境溫度下，較小的晶粒結(jié)構(gòu)就形成了。因此，距離熔合線較近的部位Q345R的平均晶粒尺寸大于遠(yuǎn)離融合線部位Q345R的平均晶粒尺寸。

圖6 Q345R在不同距離309L和Q345R界面的IPF圖和方向圖

圖7為不銹鋼309L層EBSD表征圖，由圖7可以看出309L層晶粒尺寸較大并且是柱狀晶。不銹鋼基體Q345R為體心立方結(jié)構(gòu)而309L為面心立方結(jié)構(gòu)，熔合線附近的309L晶粒結(jié)構(gòu)取決于新晶胞的形核，遠(yuǎn)離熔合線的區(qū)域，晶粒結(jié)構(gòu)主要由擇優(yōu)生長(zhǎng)決定。在熔敷金屬凝固過(guò)程中，由于溫度梯度和散熱快慢的影響，晶粒傾向于沿著垂直于熔合線的方向生長(zhǎng)。但是，在每個(gè)晶粒里的柱狀晶或者晶胞都傾向于沿著最容易生長(zhǎng)的方向生長(zhǎng)，對(duì)于面心立方結(jié)構(gòu)的材料，<100>是容易生長(zhǎng)的方向。因此，在凝固過(guò)程中，那些生長(zhǎng)方向與熔池邊界大致垂直的晶粒將更容易長(zhǎng)大，并將排擠那些取向不利的晶粒，這種競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)機(jī)制決定了熔敷金屬的晶粒結(jié)構(gòu)。

圖7 309L層EBSD表征圖

2.3 殘余應(yīng)力與微觀組織關(guān)系

由圖4、圖5(a)、圖6可知，在碳鋼Q345R和不銹鋼309L界面附近會(huì)出現(xiàn)晶粒細(xì)化，導(dǎo)致界面附近殘余應(yīng)力較小。隨著堆焊層次的增加，從309L和316L界面到Q345R和不銹鋼309L界面由于應(yīng)變具有不可逆性，逐漸累積，最終導(dǎo)致大晶粒破碎充分，隨著晶粒細(xì)化殘余應(yīng)力也會(huì)變小；在Q345R層熱影響區(qū)附近動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程，導(dǎo)致該部位殘余應(yīng)力較小，隨著距離熔合線較遠(yuǎn)時(shí)，成核形成的新晶粒不能足夠長(zhǎng)大，并保持在環(huán)境溫度下，較小的晶粒結(jié)構(gòu)形成，因此，距離熔合線較近的部位Q345R的殘余應(yīng)力小于遠(yuǎn)離融合線部位的殘余應(yīng)力。

3 結(jié)論

(1)依據(jù)NB/T 47018標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，太鋼生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)不銹鋼焊帶堆焊后熔敷金屬鐵素體含量、化學(xué)成分、晶間腐蝕都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，與焊劑匹配使用后焊接性能與進(jìn)口焊帶相當(dāng)。

(2)經(jīng)過(guò)熱處理后堆焊試件，界面附近受殘余應(yīng)力是壓應(yīng)力，功能層熔敷金屬殘余應(yīng)力最大值為240 MPa，出現(xiàn)在316L與309L界面附近，功能層熔敷金屬殘余應(yīng)力最小值為160 MPa，出現(xiàn)在316L層上表面附近；沿厚度方向，從熔敷金屬表面至母材殘余應(yīng)力先逐步增加后逐步減小最后再逐步增加。

(3)在309L與Q345R的熔合線附近出現(xiàn)晶粒細(xì)化的現(xiàn)象，主要是由于顯著的溫度梯度和較大的應(yīng)力。在熱影響區(qū)，距離熔合線越近，熱輸入越大，晶粒直徑也越大；在熔敷金屬冷卻凝固過(guò)程中，晶粒傾向于沿著垂直于熔合線的方向生長(zhǎng)。

(4)在碳鋼Q345R和不銹鋼309L界面附近會(huì)出現(xiàn)晶粒細(xì)化，導(dǎo)致界面附近殘余應(yīng)力較小。從309L和316L界面到Q345R和不銹鋼309L界面由于應(yīng)變具有不可逆性，逐漸累積，導(dǎo)致大晶粒破碎充分，隨著晶粒破碎殘余應(yīng)力也會(huì)變小；在Q345R層熱影響區(qū)附近動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程，導(dǎo)致該部位殘余應(yīng)力較小，隨著距離熔合線較遠(yuǎn)時(shí)，成核形成的新晶粒不能足夠長(zhǎng)大，并保持在環(huán)境溫度下，較小的晶粒結(jié)構(gòu)就形成了，因此，距離熔合線較近的部位Q345R的殘余應(yīng)力小于遠(yuǎn)離融合線部位的殘余應(yīng)力。