崔衛(wèi)則 李 青 郭 帥 秦永強(qiáng) 郭 青 賈江鵬 曹一龍

雙相鋼埋弧焊接頭組織性能研究

崔衛(wèi)則 李 青 郭 帥 秦永強(qiáng) 郭 青 賈江鵬 曹一龍

（山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，長治 046012）

通過對雙相鋼SAF2507進(jìn)行埋弧焊試驗(yàn)，研究了不同焊接熱輸入對接頭的組織轉(zhuǎn)變、相比例、顯微硬度和沖擊性能的影響。結(jié)果表明：隨著焊接熱輸入的增加，熱影響區(qū)組織中鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變更加充分，奧氏體含量不斷增加且組織變得粗大，且隨著析出相的出現(xiàn)導(dǎo)致顯微硬度值增高及沖擊值下降。推薦在埋弧焊焊接雙相鋼時(shí)優(yōu)先采用焊接熱輸入為1.24kJ/mm的焊接工藝參數(shù)。

雙相鋼；埋弧焊；焊接熱輸入；熱影響區(qū)

1 引言

雙相鋼具有優(yōu)良的耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能，且是一種節(jié)鎳型不銹鋼，在航空航天、石油化工、海洋等行業(yè)有廣泛應(yīng)用前景[1]。在航空與航天工業(yè)中雙相鋼S32550（UR52N+）主要用于制造飛行加速器、宇宙飛艙、飛機(jī)的彈射器等。焊接是雙相鋼生產(chǎn)制造中的重要加工工藝，然而焊接SAF2507的關(guān)鍵技術(shù)問題是焊接熱影響區(qū)雙相比例失衡以及接頭的力學(xué)性能下降。近年，熊慶人等學(xué)者[2～4]對雙相鋼焊接工藝進(jìn)行了深入研究，探討了不同焊接方法對雙相鋼焊接熱影響區(qū)組織及耐腐蝕性能的影響。西安向陽航天材料股份有限公司張立君等[5]進(jìn)行了雙相鋼雙金屬復(fù)合管的焊接工藝研究。然而對雙相鋼埋弧焊接工藝及接頭組織性能研究較少。本文通過埋弧焊試驗(yàn)，研究不同焊接熱輸入對焊接熱影響區(qū)組織變化及性能影響。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 母材、焊材化學(xué)成分

焊材選用與母材金屬成分接近的E2594Ni基焊絲和HJ260焊劑，它們可以有效提高焊縫金屬中奧氏體化合金元素含量。母材、焊絲、焊劑的化學(xué)成分見表1。

表1 母材焊材的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2.2 焊接工藝參數(shù)制定

對接試板尺寸為135mm×500mm×10mm，鋼板供貨狀態(tài)為熱軋態(tài)。使用MZ-1000IV埋弧焊機(jī)進(jìn)行焊接，焊接參數(shù)見表2。注意控制層間溫度不要超過150℃。一般情況下，焊接雙相鋼的焊接熱輸入要求在0.2～1.5kJ/mm之間[6]，對于埋弧焊，為了避免因冷卻速度過快導(dǎo)致的奧氏體含量不足，它的焊接熱輸入應(yīng)盡量選取上限值。

焊接熱輸入計(jì)算公式為：

=××/

式中：是焊接熱輸入，kJ/mm；是電流，A；是電壓，V；是焊度，mm/s；是熱效率系數(shù)，埋弧焊熱效率系數(shù)為0.92。

表2 SAW焊接工藝參數(shù)

2.3 焊前準(zhǔn)備

焊絲與焊劑都會參與熔池的化學(xué)冶金反應(yīng)，這會直接導(dǎo)致焊接接頭成分、組織及性能的變化。因此，焊前必須對焊絲焊劑進(jìn)行清理并烘干，對坡口及母材表面（寬度20～30mm）進(jìn)行清理。參考埋弧焊焊縫坡口的基本形式和尺寸的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，選用Y型坡口，對接坡口角度為60°，如圖1所示。

圖1 埋弧焊Y型坡口

3 組織觀察及力學(xué)性能檢測

3.1 金相組織觀察

金相侵蝕實(shí)驗(yàn)按照ASTM A923-01《奧氏體-鐵素體雙相鋼軋材中有害金屬間相的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》執(zhí)行。腐蝕液為FeCl3溶液，具體配方是FeCl310g，鹽酸30ml，水120ml。試驗(yàn)溫度為室溫，侵蝕時(shí)輕度擦拭30s左右即可。金相觀察采用Axio Image立式金相顯微鏡。

3.2 相比例測試及顯微硬度試驗(yàn)

相比例測試按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T6401—1986執(zhí)行，通過圖像分析軟件Image-ProPlus6.0測量相比例。測量時(shí)，在每一區(qū)域選取10個不同視場進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，通過誤差計(jì)算，最終確定該組織所占相比例。使用顯微硬度計(jì)按照標(biāo)準(zhǔn)GB/2654—2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》對接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)進(jìn)行顯微硬度測試。每個區(qū)域取多點(diǎn)測試并取其平均值確定其顯微硬度值。

3.3 夏比沖擊試驗(yàn)

使用沖擊試驗(yàn)機(jī)按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T229—2007 《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)采用6mm×10mm×55mm標(biāo)準(zhǔn)V型缺口夏比沖擊試樣，在室溫進(jìn)行試驗(yàn)。試樣形狀及尺寸見圖2。

圖2 夏比（V 型缺口）沖擊試驗(yàn)試樣尺寸

4 結(jié)果及分析

4.1 金相組織及相比例分析

圖3是不同焊接熱輸入下接頭組織，由鐵素體（α）和奧氏體（γ）組成，其中黑色組織為鐵素體，白色條塊狀組織為奧氏體。焊接焊接熱輸入為1.03kJ/mm時(shí)（圖3a），組織形貌與母材的組織相似，但兩相相比例不同于母材，其奧氏體含量略低。這是由于焊接過程熱輸入相對較小，加熱階段高溫停留時(shí)間較短，基體雙相組織中奧氏體只有較少一部分轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體；當(dāng)冷卻時(shí)，鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變也不充分，至室溫時(shí)組織形貌與母材相似。焊接焊接熱輸入為1.24kJ/mm時(shí)（圖3b），由于焊接熱輸入較大，冷卻時(shí)間增加，該組織形貌發(fā)生了些許變化，奧氏體組織由基體時(shí)長條狀轉(zhuǎn)變成粗大的條塊狀，樹枝狀奧氏體組織從粗大鐵素體組織晶界和晶內(nèi)逐漸析出，同時(shí)奧氏體含量增多，奧氏體相比例為50.26%。焊接焊接熱輸入為1.47kJ/mm時(shí)（圖3c），奧氏體形貌呈現(xiàn)為連續(xù)條塊狀，兩相邊界更加明顯，奧氏體相比例增多為58.18%。

以上結(jié)果表明，接頭組織經(jīng)過不同的焊接熱輸入焊接后，組織形貌分布與母材逐漸有了很大區(qū)別。特別是經(jīng)高溫加熱后，奧氏體組織隨著冷卻時(shí)間的延長，由原來的長條狀變成粗大條塊狀，從鐵素體晶界和晶內(nèi)會析出更多的奧氏體。由表3相比例分析可知，熱影響區(qū)組織內(nèi)鐵素體的含量隨著焊接熱輸入的增加不斷減少，相應(yīng)的奧氏體含量增多。這主要是由于冷卻時(shí)間延長促使鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，并提高了奧氏體含量。綜上所述，隨著焊接熱輸入增加及冷卻時(shí)間延長，會促使焊接熱影響區(qū)組織中鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變，奧氏體含量增加的同時(shí)組織變得粗大；相比較三種焊接熱輸入，當(dāng)焊接熱輸入為1.24kJ/mm時(shí)，組織相對較為細(xì)小，雙相比例合適，且析出相很少。

圖3 不同焊接熱輸入下HAZ組織

表3 不同焊接熱輸入相比例 %

4.2 顯微硬度分析

圖4 不同焊接熱輸入的橫向顯微硬度值

焊接接頭不同區(qū)域組織顯微硬度值與其組織微觀結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。通過對接頭組織進(jìn)行顯微硬度測試，制定了不同焊接熱輸入下同一位置橫向顯微硬度曲線圖，如圖4所示。分析可知，隨著焊接熱輸入增加，熱影響區(qū)組織的顯微硬度值增高。這主要是因?yàn)殡S著焊接熱輸入的增加，高溫停留時(shí)間延長，鐵素體相向奧氏體相轉(zhuǎn)變加快，這促進(jìn)了析出相（尤其是σ相）的析出，σ相是一種硬度高的金屬間相，其平均顯微硬度可達(dá)900HV，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鐵素體組織和奧氏體組織的平均顯微硬度值。

4.3 室溫韌性沖擊性能檢測

圖5是焊接接頭母材（BM）、焊縫（WM）、熱影響區(qū)（HAZ）和熔合線（FL）在室溫時(shí)（20℃）的沖擊值。由圖5可知，在相同焊接熱輸入時(shí)（即同一試件），熔合線處平均沖擊值最低，熱影響區(qū)和焊縫區(qū)居中，母材處最高；隨著焊接熱輸入的增加，熱影響區(qū)處平均沖擊值下降。這主要是因?yàn)?，隨著焊接過程熱輸入增加，高溫加熱區(qū)域停留時(shí)間長，熱影響區(qū)的粗晶區(qū)范圍加大，同時(shí)鐵素體組織變得粗大，并且伴有析出相的產(chǎn)生，尤其是σ相，它會顯著地降低接頭的塑韌性。

圖5 不同焊接熱輸入焊接接頭室溫下（20℃）沖擊韌性

5 結(jié)束語

a. 隨著焊接熱輸入增加，接頭組織中奧氏體由原來的長條狀變成粗大條塊狀，且鐵素體含量在不斷減少，奧氏體相和析出相（尤其是σ相）含量不斷增多；

b. 隨著焊接熱輸入增加，析出相（尤其是σ相）的析出導(dǎo)致熱影響區(qū)組織的顯微硬度值增高；

c. 隨著焊接熱輸入的增加，析出相（尤其是σ相）的析出，導(dǎo)致熱影響區(qū)處平均沖擊值下降；

d. 推薦在埋弧焊焊接雙相鋼時(shí)優(yōu)先采用焊接熱輸入為1.24kJ/mm的焊接工藝參數(shù)。

1 高娃，羅建明，楊建君，等. 雙相不銹鋼研究進(jìn)展及應(yīng)用[J]. 兵器材料科學(xué)與工程，2005，28(3)：61～64

2 熊慶人，霍春勇，李為衛(wèi)，等. 2205雙相鋼焊接熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變行為[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2007，28(11)：53～57

3 Sathirachinda N, Pettersson R, Pan J. Depletion effects at phase boundaries in 2205 duplex stainless steel characterized with SKPFM and TEM/EDS[J]. Corros. Sci. 2009, 51: 1850～1860

4 Yang Yinhui, Yan Biao, Li Jie, et al. The effect of large heat input on the microstructure and corrosion behavior of simulated heat affected zone in 2205 duplex stainless steel[J]. Corros. Sci. 2011, 53: 3756～3763

5 張立君，張燕飛，郭崇曉，等. 2205雙相不銹鋼雙金屬復(fù)合管焊接工藝研究[J]. 焊管，2009，32(4)：30～34

6 [美]利波爾德，[美]科特基. 不銹鋼焊接冶金及焊接性[M]. 陳劍虹譯. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008

Study on Properties of Duplex Stainless Steel Welding Joint Based on Submerged Arc Welding Steel

Cui Weize Li Qing Guo Shuai Qin Yongqiang Guo Qing Jia Jiangpeng Cao Yilong

(Shanxi Aerospace Qinghua Equipment Co., Ltd., Changzhi 046012)

Various welding heat inputs influence the properties of the stainless welding joint, including microstructure transition, phase proportion, microhardness and impact performance (toughness). The study on properties of duplex stainless steel SAF 2507 welding joint based on submerged arc welding were researched in this paper. The results indicated that with the increasing of welding heat input, the ferrite of HAZ transformed to austenite more sufficiently. The austenite increased and became more coarser, and the microhardness value increased while the impact toughness decreased with the appearance of precipitated phase. The welding heat input of 1.24kJ/mm is preferred to the duplex stainless steel submerged arc welding.

duplex stainless steel；SAW；welding heat input；HAZ

崔衛(wèi)則（1988），工程師，材料加工專業(yè)；研究方向：不銹鋼焊接。

2020-03-06