張志強(qiáng)，徐譽(yù)桐，張?zhí)靹?，張宇航，?浩，楊 凡

(中國民航大學(xué)1.航空工程學(xué)院, 2.中歐航空工程師學(xué)院, 天津 300300；3.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 天津 300222)

0 引 言

鐵素體(δ)/奧氏體(γ)雙相不銹鋼結(jié)合了奧氏體不銹鋼良好的塑韌性和耐均勻腐蝕性能以及鐵素體不銹鋼的高強(qiáng)度和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能，且與奧氏體不銹鋼和鎳基合金相比節(jié)約了稀缺資源鎳，在海洋工程、石油化工等多個(gè)國家重點(diǎn)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。焊接是雙相不銹鋼應(yīng)用推廣中不可或缺的加工制造環(huán)節(jié)[4]。以前雙相不銹鋼通常采用低能量密度電弧熔焊的方法進(jìn)行焊接，如手工電弧焊(shielded metal arc welding，SMAW)、鎢極氬弧焊(gas tungsten arc welding，GTAW)、藥芯焊絲電弧焊(flux cored arc welding，F(xiàn)CAW)等。SMAW適用于全位置焊接，是雙相不銹鋼早期使用的焊接技術(shù)，缺點(diǎn)是焊條利用率低、焊工勞動(dòng)強(qiáng)度大。GTAW的主要優(yōu)點(diǎn)是焊接質(zhì)量高、接頭綜合力學(xué)性能優(yōu)異，缺點(diǎn)是單道熔覆量少、焊接效率低。MAKHDOOM等[5]研究表明，雙相不銹鋼SMAW焊縫的力學(xué)性能和耐腐蝕性能均低于GTAW焊縫。包曄峰等[6]研究表明，UNS S32205雙相不銹鋼GTAW焊縫的耐點(diǎn)蝕性能與母材相當(dāng)。與GTAW相比，F(xiàn)CAW可顯著提高雙相不銹鋼的焊接效率，但是焊縫中易引入夾雜，從而降低其韌性和耐點(diǎn)蝕性能[7-10]。

在采用低能量密度焊接方法焊接雙相不銹鋼厚板時(shí)，最突出的問題是焊前需開設(shè)坡口以及焊接過程中需要多個(gè)道次及焊條或焊絲填充才能完成連接。與SMAW和GTAW相比，雖然FCAW顯著提高了焊接效率，但其焊接效率仍然較低。低能量密度焊接接頭組織的主要缺陷是高溫?zé)嵊绊憛^(qū)中含有過量的鐵素體和大量的氮化物，這會(huì)顯著惡化其低溫韌性和耐局部腐蝕性能。此外，在雙相不銹鋼厚板多層多道焊接過程中，多次熱循環(huán)導(dǎo)致貧鉻和鉬元素的二次奧氏體(γ2)產(chǎn)生[11]。與一次奧氏體(γ1)和鐵素體相比，γ2具有較低的耐點(diǎn)蝕指數(shù)，因此γ2優(yōu)先發(fā)生選擇性腐蝕，這會(huì)削弱焊接接頭的耐局部腐蝕性能。激光焊(laser beam welding，LBW)、等離子弧焊(plasma arc welding，PAW)、電子束焊(electron beam welding，EBW)等高能量密度焊接技術(shù)非常適合厚板的一次焊接成形且不需要填充金屬，同時(shí)還具有焊接速度快、生產(chǎn)效率高、焊縫深寬比大、焊接變形小、殘余應(yīng)力低等優(yōu)點(diǎn)，近年來引起了各國研究學(xué)者和生產(chǎn)企業(yè)的高度關(guān)注[12-13]。RAMKUMAR等[14]、MOURAD等[15]研究發(fā)現(xiàn)，雙相不銹鋼LBW、EBW接頭具有比母材更高的強(qiáng)度。王子龍等[16]研究發(fā)現(xiàn)，相比GTAW，PAW可極大提高雙相不銹鋼的焊接效率。然而，與低能量密度電弧熔焊方法相比，LBW、PAW和EBW等高能量密度焊接技術(shù)的熱輸入低、焊后冷卻速率快，會(huì)導(dǎo)致焊縫中極易出現(xiàn)過量的鐵素體組織并析出有害的二次相，進(jìn)而惡化雙相不銹鋼的韌性和耐局部腐蝕性能。目前，雙相不銹鋼高能量密度焊接研究的熱點(diǎn)是通過優(yōu)化焊接工藝、改變焊接特性(如散焦和離焦焊)、添加富鎳或氮元素的焊材、應(yīng)用復(fù)合焊接等方法改善接頭組織，進(jìn)而提高其力學(xué)性能和耐局部腐蝕性能。為了給相關(guān)研究人員提供參考，作者綜述了雙相不銹鋼高能量密度焊接技術(shù)的研究進(jìn)展，重點(diǎn)論述了高能量密度焊接和焊后熱處理對(duì)焊接接頭組織和性能的影響，并提出了目前存在的問題與未來的研究方向。

1 高能量密度焊接技術(shù)

1.1 焊接方法

雙相不銹鋼高能量密度焊接采用激光束(功率密度 1051012W·cm-2[17])、等離子弧(102104W·cm-2[18])、電子束(106108W·cm-2[19-20])等高能弧或束流對(duì)雙相不銹鋼待連接部位進(jìn)行高能熱輻射和轟擊，使極小的區(qū)域發(fā)生瞬時(shí)熔化、再凝固、固態(tài)相變等一系列過程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)永久連接的方法。高能量密度焊接技術(shù)在提高焊接效率、改善接頭成形質(zhì)量和性能等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，拓展了先進(jìn)材料的連接方式。

1917年愛因斯坦提出受激輻射概念，1960年美國梅曼發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器；此后，紅寶石激光器成功應(yīng)用于眼科臨床、厚膜組件生產(chǎn)等方面；1961年，長春光學(xué)精密機(jī)械研究所成功研制出我國第一臺(tái)紅寶石激光器[21-24]。1980年，英國學(xué)者STEEN[25]研究發(fā)現(xiàn)，電弧對(duì)激光束能量有增強(qiáng)作用，因而提出了激光與電弧復(fù)合焊的概念。TUSEK等[26]研究發(fā)現(xiàn)，激光與電弧復(fù)合焊縫質(zhì)量優(yōu)于普通激光焊縫。20世紀(jì)90年代，WALDUCK等[27]首次提出了激光-等離子弧復(fù)合焊接技術(shù)，并進(jìn)行了相關(guān)的探索性工藝試驗(yàn)研究。2002年，德國Meyer造船廠建成第一條激光-電弧復(fù)合焊接生產(chǎn)線[28]，主要用于船梯與加強(qiáng)筋的焊接。2004年，德國某造船廠采用了Nd…YAG激光-熔化極氣體保護(hù)復(fù)合焊系統(tǒng)[29]，加工得到12 m長龍門架焊縫。鄒江林等[30]研究發(fā)現(xiàn)，在光纖激光-鎢極氬弧復(fù)合焊接時(shí)，復(fù)合焊等離子體面積大于電弧焊，且焊接過程更加穩(wěn)定。多名學(xué)者已成功實(shí)現(xiàn)雙相不銹鋼薄板和厚板的焊接。SARAVANAN等[31]實(shí)現(xiàn)了1.5 mm厚UNS S32750超級(jí)雙相不銹鋼板的脈沖激光焊接。SIVAKUMAR等[32]采用Nd…YAG激光焊接方法完成了2.5 mm厚LDX 2101雙相不銹鋼板的焊接。MUTHUPANDI等[33]成功進(jìn)行了3 mm厚UNS S31803雙相不銹鋼的激光焊接。MOURAD等[15]和BOLUT等[34]運(yùn)用光纖激光焊接技術(shù)分別實(shí)現(xiàn)了6.4 mm和6 mm厚UNS S32205雙相不銹鋼的連接。此外，激光雙光束焊[35]、激光-攪拌摩擦復(fù)合焊[36]、激光-電/磁復(fù)合焊[37]等復(fù)合焊接技術(shù)也逐漸引起廣大研究學(xué)者和企業(yè)的高度關(guān)注。近年來，隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，焊接過程數(shù)值仿真計(jì)算應(yīng)運(yùn)而生。賴睿等[38]利用Simufact Welding復(fù)合熱源模擬了6 mm厚UNS S32205雙相不銹鋼激光焊接過程，總結(jié)了激光離焦量對(duì)焊接溫度場(chǎng)分布規(guī)律的影響，并發(fā)現(xiàn)離焦量對(duì)焊縫成形質(zhì)量和合金元素分布具有顯著影響。FREWIN等[39]研究發(fā)現(xiàn)，脈沖激光能量分布對(duì)焊接接頭形貌具有重要影響。萬海波等[40]通過“一體兩面”的復(fù)合焊接熱源模擬激光全熔透焊的熱輸入特征，得到呈“酒杯狀”和“沙漏狀”的焊縫。

1909年，德國學(xué)者SCHONNER首次發(fā)明了等離子弧系統(tǒng)[41]。美國學(xué)者GAGE在1953年最先將等離子弧應(yīng)用于焊接技術(shù)，并于1957年獲得專利授權(quán)[18]。20世紀(jì)60年代初期，美國Thermal Dynamic公司首先采用直流反極性等離子弧進(jìn)行焊接試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)金屬焊接質(zhì)量得到顯著改善且生產(chǎn)效率明顯提升。20世紀(jì)70年代，波音公司在西雅基公司制造的變極性方波電源基礎(chǔ)上發(fā)明了變極性等離子弧焊工藝方法[17,42]?，F(xiàn)今，等離子弧焊已經(jīng)逐漸應(yīng)用于包括雙相不銹鋼在內(nèi)的多種金屬材料的焊接研究和實(shí)際生產(chǎn)。李國偉等[43]采用變極性等離子弧焊技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了10 mm厚7075高強(qiáng)鋁合金焊接。王國強(qiáng)[44]采取等離子弧焊接技術(shù)完成了10 mm厚304奧氏體不銹鋼焊接。ZHANG等[45]提出柔性變極性等離子弧焊方法并成功實(shí)現(xiàn)了8 mm厚鋁合金板的連接。PRAMOD等[46]和UREA等[47]采用等離子弧分別完成了1.6 mm和3 mm厚UNS S32205雙相不銹鋼鋼板的焊接。TAN等[48]完成了4 mm厚UNS S32304雙相不銹鋼的等離子弧焊接。TABAN等[49]采用等離子弧焊分別實(shí)現(xiàn)了6.5 mm厚UNS S31803和S32750雙相不銹鋼的連接。

1948年，前西德物理學(xué)家STEIGERWALD首次提出電子束高能焊接的概念[50]。1954年，法國STOHR博士運(yùn)用電子束流實(shí)現(xiàn)了核反應(yīng)堆燃料包殼的連接，此舉標(biāo)志著電子束焊接金屬的成功應(yīng)用。1957年，在法國巴黎舉辦的國際原子能燃料元件技術(shù)大會(huì)上，電子束焊作為全新的焊接方法被正式公布和大力推廣。20世紀(jì)60年代后，各國學(xué)者和研究團(tuán)隊(duì)不斷開發(fā)出新的電子束熱源和新工藝，電子束焊接技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛，同時(shí)我國也開始進(jìn)行電子束焊接的相關(guān)研究。1986年，航天科技集團(tuán)成功研制出直線型局部真空電子束焊機(jī)[51]。隨著電子束焊接技術(shù)的發(fā)展，電子束釬焊、活性劑電子束焊、電子束-等離子弧復(fù)合焊、電子束填絲焊、局部真空電子束焊、電子束掃描焊等焊接方法逐漸引起研究人員及相關(guān)企業(yè)的高度關(guān)注。李少青等[52]對(duì)不銹鋼管進(jìn)行電子束釬焊，獲得了均勻圓滑的釬縫。研究[53-54]發(fā)現(xiàn)，活性劑種類會(huì)對(duì)不銹鋼板電子束焊縫成形產(chǎn)生影響，其添加會(huì)增加聚焦電流和束流對(duì)焊縫熔深的影響。鎖紅波等[55]對(duì)1Cr18Ni9Ti不銹鋼板和Q235鋼進(jìn)行電子束填絲焊接，獲得了內(nèi)部無明顯缺陷的焊縫。作者及所在團(tuán)隊(duì)[56-57]采用法國TECHMETA Medard48型真空電子束焊機(jī)成功制備了成形質(zhì)量良好的14 mm厚UNS S31803雙相不銹鋼焊接接頭。

經(jīng)過一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，高能量密度焊接技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，均可完成雙相不銹鋼的連接。但是，快的加熱和冷卻速率無法保證焊后接頭及整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與性能，為滿足接頭服役所需的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，仍需要對(duì)焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1.2 焊接工藝及其參數(shù)

通過調(diào)控工藝參數(shù)提高熱輸入可改變高能量密度焊接熱影響區(qū)和焊縫的峰值溫度以及焊后冷卻速率，進(jìn)而改善其組織和性能。熱輸入主要與焊接功率、焊接速度以及焊接熱效率等參數(shù)相關(guān)。與SMAW、GTAW、FCAW等低能量密度焊接相比，高能量密度焊接最顯著的工藝特點(diǎn)是極低的熱輸入和較高的焊接效率。作者及所在團(tuán)隊(duì)[56-57]比較了采用GTAW、FCAW和EBW 3種焊接技術(shù)完成的14 mm厚雙相不銹鋼焊接所需的熱輸入和焊接效率，發(fā)現(xiàn)EBW總熱輸入比多層多道GTAW和FCAW低一個(gè)數(shù)量級(jí)，焊接效率比GTAW和FCAW高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。通常，熱輸入越低，焊后冷卻速率越快，形成的奧氏體含量越少。研究[57-61]表明，激光和電子束焊接獲得的雙相不銹鋼焊縫中奧氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于30%。但據(jù)NACE MR0175/ISO 15156標(biāo)準(zhǔn)，在石油和天然氣行業(yè)中雙相不銹鋼熔焊接頭的奧氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)該維持在30%70%。NORSOK M-601標(biāo)準(zhǔn)推薦雙相不銹鋼管道焊接接頭的奧氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)低于30%。

通過調(diào)控工藝參數(shù)提高熱輸入可促使焊縫中形成更多的奧氏體。研究[58,61-62]發(fā)現(xiàn)，LBW熱輸入越高，焊后冷卻速率越慢，焊縫中奧氏體含量越高。作者及所在團(tuán)隊(duì)[57]前期也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)論，隨著LBW熱輸入的提高，雙相不銹鋼晶界奧氏體和晶粒內(nèi)奧氏體含量均增加。通過改變焊接模式、降低焊接速度、縮短噴嘴與工件距離、增加焊接功率、延緩冷卻速率等工藝措施均可增加熱輸入，延長高溫停留時(shí)間，降低焊后冷卻速率，促使更多的鐵素體通過固態(tài)相變轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，進(jìn)而增加接頭中奧氏體含量[63]。RAMKUMAR等[14]指出通過改變焊接速度、加速電壓等方法調(diào)控EBW熱輸入，能夠?qū)NS S32750雙相不銹鋼的焊縫熔深、顯微組織等產(chǎn)生顯著影響。MOURAD等[15]通過優(yōu)化焊接速度、功率、離焦量、保護(hù)氣流量等LBW工藝參數(shù)獲得了奧氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為39%的焊縫。PEKKARINEN等[64]研究表明，傳熱模式LBW較匙孔模式LBW更易于通過改變焊接速度、焦點(diǎn)位置調(diào)控?zé)彷斎牒屠鋮s速率，獲得具有平衡鐵素體/奧氏體兩相組織的雙相不銹鋼焊接接頭。BOLUT等[34]指出，隨著激光焊接速度從1.5 m·min-1降低到1 m·min-1，雙相不銹鋼焊縫中奧氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加5%。王維東等[65]研究了PAW后冷卻方式對(duì)雙相不銹鋼接頭奧氏體含量的影響，發(fā)現(xiàn)焊后空冷比水冷形成的奧氏體含量高。

SARAVANAN等[66]通過減小焊接速度、提高激光功率的方式增加UNS S32750雙相不銹鋼傳熱模式LBW的熱輸入，發(fā)現(xiàn)焊縫熔深、頂部熔寬均隨熱輸入的增加而增大。UREA等[47]通過調(diào)控焊接速度、噴嘴與工件距離、焊接電流和焊接電壓等工藝參數(shù)，研究了熱輸入對(duì)3 mm厚2205型雙相不銹鋼P(yáng)AW接頭焊縫熔寬和熔深的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)PAW焊縫熔寬和熔深隨熱輸入的增加呈不同速率增長。吳向陽等[67]通過構(gòu)建激光-熔化極惰性氣體保護(hù)復(fù)合焊接的流體模型，模擬了激光與電弧復(fù)合焊接熔池傳熱和流動(dòng)規(guī)律，指出激光與電弧前后位置會(huì)影響熔池傳熱和流動(dòng)的規(guī)律。杜偉哲等[68]研究發(fā)現(xiàn)，無氣體保護(hù)下雙相不銹鋼焊縫表面寬度的均勻程度受功率影響。LI等[69]研究發(fā)現(xiàn)，高電流、低功率使脈沖激光-熔化極電弧復(fù)合焊接過程更加穩(wěn)定，同時(shí)電弧電流反相調(diào)制獲得的焊縫熔深更大、孔隙率更低并且焊接過程更穩(wěn)定。LEI等[70]指出在激光-冷金屬過渡復(fù)合焊接過程中，高能激光加速了焊絲的熔化，提高了焊接效率。

研究[57，71]發(fā)現(xiàn)，在UNS S32205雙相不銹鋼的EBW過程中，由于焊后冷卻速率極快且奧氏體穩(wěn)定化元素氮嚴(yán)重?zé)龘p，致使接頭組織中的鐵素體過量。ZHANG等[57]研究發(fā)現(xiàn)，在保證焊透且避免熔池坍陷的前提下，電子束熱輸入的可調(diào)窗口非常有限，通過優(yōu)化工藝參數(shù)來提高EBW熱輸入對(duì)于改善其焊縫組織的效果不明顯。因此，眾多學(xué)者引入了新型電子束焊接技術(shù)以改善焊縫質(zhì)量。KRASNORUTSKYI等[72]采用多道EBW方法增加總熱輸入，降低焊后冷卻速率，促使焊縫中獲得的奧氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%。BRTA等[73]通過電子束旋轉(zhuǎn)和往復(fù)掃描的非聚焦方式增加焊接熱輸入，結(jié)果表明電子束旋轉(zhuǎn)模式下所得焊接接頭中奧氏體含量更高。

在高能量密度焊接過程中，焊縫熔池和高溫?zé)嵊绊憛^(qū)中氮元素的燒損是不可避免的，會(huì)導(dǎo)致過量的鐵素體形成并惡化接頭耐點(diǎn)蝕性能，增加氫脆敏感性，降低力學(xué)性能特別是低溫沖擊韌性。WESTIN等[74-76]多次報(bào)道了雙相不銹鋼焊縫熔池中氮元素的燒損會(huì)致使過量的鐵素體形成和富鉻氮化物析出，最終降低接頭耐點(diǎn)蝕性能。通常，可通過2種途徑補(bǔ)償焊接過程中氮元素的損失：一是在母材熔煉和焊絲制造過程中添加足量的氮元素[77-78]；二是在保護(hù)氣體中添加適量的N2，高溫下的N2會(huì)解離成氮原子，然后固溶到焊縫和高溫?zé)嵊绊憛^(qū)內(nèi)[60,75,79-81]。KESKITALO等[82]研究發(fā)現(xiàn)，在雙相不銹鋼LBW過程中，使用N2作為保護(hù)氣體可顯著促進(jìn)接頭中奧氏體的形成。LAI等[83]也發(fā)現(xiàn)N2作為保護(hù)氣體可明顯補(bǔ)償LBW焊接過程中氮元素的燒損，促使焊縫中更多的奧氏體形成且對(duì)熔深沒有明顯影響。BOLUT等[34]研究發(fā)現(xiàn)，在N2保護(hù)下雙相不銹鋼LBW焊縫中奧氏體含量高于同工藝參數(shù)下Ar保護(hù)下的焊縫。研究[84]發(fā)現(xiàn)，保護(hù)氣類型會(huì)對(duì)PAW焊縫形貌產(chǎn)生影響，當(dāng)以純Ar作為保護(hù)氣體時(shí)，焊縫上寬下窄，而在Ar保護(hù)氣體中添加體積分?jǐn)?shù)0.5% O2后，焊縫形貌變?yōu)樯险聦挕BW需維持真空環(huán)境，無法通過采用添加N2保護(hù)氣體的方法提高奧氏體含量，因此有學(xué)者提出可通過預(yù)置鎳箔/粉的方式增加焊縫中奧氏體穩(wěn)定化元素鎳的含量，進(jìn)而促使焊縫中形成更多的奧氏體。MUTHUPANDI等[33,85]通過預(yù)置富鎳焊絲的方式顯著增加了雙相不銹鋼EBW焊縫的奧氏體含量。 研究[86]發(fā)現(xiàn)，鎳的添加能促使UNS S32750雙相不銹鋼脈沖LBW焊縫中獲得近相等含量的鐵素體和奧氏體。綜上可知，無論是保護(hù)氣體中添加N2還是富鎳焊絲的使用，均可促進(jìn)高能量密度焊接接頭中奧氏體相的形成。

2 高能量密度焊接頭的組織與性能

2.1 焊接態(tài)的組織和性能

為了保證雙相不銹鋼焊接接頭具備優(yōu)異的力學(xué)性能和耐局部腐蝕性能，要求其焊接接頭具有平衡的鐵素體和奧氏體兩相比例、兩相近似相等的耐腐蝕性能、無二次相析出等特征。TABAN等[49]研究表明，UNS S31803和UNS S32750雙相不銹鋼LBW焊縫的硬度均勻且顯著高于母材。MIRAKHORLI等[87]將脈沖Nd…YAG激光焊后的SAF 2205雙相不銹鋼接頭焊縫截面分為脈沖激光束連續(xù)作用區(qū)域和單道脈沖激光束作用區(qū)域，熔池中心處的顯微硬度最高。SIVAKUMAR等[32]指出Nd…YAG激光焊接冷卻速率快，雙相不銹鋼焊接接頭晶粒得到細(xì)化，接頭的抗拉強(qiáng)度和顯微硬度得到提高。SARAVANAN等[66]對(duì)UNS S32750超級(jí)雙相不銹鋼進(jìn)行LBW數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)接頭的顯微硬度和抗拉強(qiáng)度高于母材，拉伸斷口為韌性斷口，同時(shí)當(dāng)熱輸入過高時(shí)會(huì)引起合金元素蒸發(fā)而使接頭中形成大量孔隙，降低接頭的抗拉強(qiáng)度。郭建超等[88]基于數(shù)值模擬技術(shù)研究了雙相不銹鋼LBW接頭拉伸縮頸前非均勻變形的演變過程，發(fā)現(xiàn)接頭各微區(qū)損傷過程與塑性變形有關(guān)。王治宇等[89]指出，激光-熔化極氣體保護(hù)復(fù)合焊使UNS S32205雙相不銹鋼獲得了鐵素體/奧氏體兩相比例均衡的焊接接頭，且其顯微硬度、抗拉強(qiáng)度均高于母材，耐點(diǎn)蝕性能與母材相當(dāng)。MOURAD等[15]通過提高熱輸入獲得了奧氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為39%的雙相不銹鋼LBW焊縫，并且焊縫的耐腐蝕性能優(yōu)于GTAW焊縫。QI等[90]對(duì)比研究SAF 2507超級(jí)雙相不銹鋼LBW和激光-熔化極氣體保護(hù)復(fù)合焊接接頭的組織特征和性能，發(fā)現(xiàn)LBW焊縫中奧氏體主要分布于晶界處，只有少量奧氏體在鐵素體內(nèi)部析出，復(fù)合焊縫中的奧氏體含量明顯高于LBW焊縫，同時(shí)LBW接頭熱影響區(qū)中析出了大量的Cr2N，致使LBW接頭的耐點(diǎn)蝕性能降低。焊接接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性能與鐵素體/奧氏體兩相比例緊密相關(guān)，在LBW過程中雙相不銹鋼焊縫中不可避免地形成過量的鐵素體和析出大量的Cr2N等二次相，從而提高接頭的硬度和強(qiáng)度，但是LBW過程中氮元素的燒毀和Cr2N析出又會(huì)降低接頭的耐腐蝕性能。

氮、鎳具有與γ-Fe相同的面心立方(FCC)結(jié)構(gòu)，作為奧氏體穩(wěn)定化元素添加到雙相不銹鋼中能促進(jìn)更多的奧氏體形成并改善雙相不銹鋼的低溫韌性和耐腐蝕性能[91]。研究[33,85]發(fā)現(xiàn)，在LBW過程中使用富鎳焊材可使焊縫中形成更多的奧氏體，奧氏體含量和形態(tài)、殘余應(yīng)力對(duì)接頭低溫(-40 ℃)韌性具有顯著影響，但對(duì)室溫韌性無明顯影響。MIRAKHORLI等[87]研究發(fā)現(xiàn)，鎳箔的添加促使雙相不銹鋼LBW焊縫中形成更多的奧氏體，焊縫中仿晶型、針狀以及魏氏奧氏體含量明顯增多，同時(shí)焊縫的塑韌性明顯提高。研究[84]表明，N2作為保護(hù)氣體可以補(bǔ)充LBW熔池中氮的燒損，促使焊縫頂部和底部的奧氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到40%，同時(shí)顯著改善了接頭的耐腐蝕性能。

等離子弧能量密度略低于激光和電子束流，因此PAW熱輸入較高，焊后冷卻速率較慢，形成的奧氏體含量較高。與低能量密度焊接技術(shù)相比，PAW可抑制部分有害相的析出，改善接頭耐腐蝕性能。TABAN等[49]研究表明，與UNS S31803和UNS S32750雙相不銹鋼P(yáng)AW接頭相比，LBW接頭更易于獲得兩相平衡的鐵素體/奧氏體組織。PRAMOD等[46]研究發(fā)現(xiàn)，SAF 2205雙相不銹鋼P(yáng)AW焊縫中奧氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%，與母材相比顯微硬度提高但可加工性能降低。UREA等[47]研究發(fā)現(xiàn)，傳熱模式下UNS S32205雙相不銹鋼P(yáng)AW接頭中鐵素體含量低于匙孔模式，且匙孔模式下的魏氏奧氏體和柱狀鐵素體晶粒生長被抑制，且當(dāng)熱輸入高于3 100 J·cm-1時(shí)，焊縫中有金屬間化合物σ相的析出。王子龍等[16]對(duì)比研究了UNS S32205雙相不銹鋼P(yáng)AW和GTAW接頭的組織和耐點(diǎn)蝕性能，結(jié)果表明PAW接頭的晶粒更細(xì)小且組織中無γ2相析出，耐點(diǎn)蝕性能更好。

與激光和等離子弧相比，電子束流的能量密度更高，具有極低的熱輸入和更快的冷卻速率，焊接效率更高，但會(huì)導(dǎo)致焊縫中形成細(xì)小的奧氏體、過量的鐵素體和有害的二次相，從而降低接頭的低溫韌性和耐局部腐蝕性能。研究[33,85]發(fā)現(xiàn)，EBW過程中的冷卻速率高于LBW，焊縫中晶界奧氏體更細(xì)小并且無魏氏奧氏體析出。研究[59,92-93]發(fā)現(xiàn)，UNS S32205雙相不銹鋼EBW焊縫中奧氏體尺寸受熱輸入影響，但未發(fā)現(xiàn)奧氏體尺寸對(duì)接頭硬度有顯著影響。優(yōu)化熱輸入能夠減小雙相不銹鋼EBW焊縫中鐵素體織構(gòu)強(qiáng)度，但無法將其徹底消除[57]。KU等[94]研究發(fā)現(xiàn)，SAF 2205雙相不銹鋼EBW接頭中晶界處富集奧氏體穩(wěn)定化元素，奧氏體多在此處析出，通過降低焊接速度或者選擇更高奧氏體穩(wěn)定化元素(如氮)含量的雙相不銹鋼進(jìn)行焊接可促使接頭中更多的奧氏體形成。作者及所在團(tuán)隊(duì)[57]通過斷口形貌觀察發(fā)現(xiàn)，雙相不銹鋼EBW焊縫的沖擊韌性低于母材，主要?dú)w因于母材中奧氏體含量高且奧氏體可延緩解理臺(tái)階的擴(kuò)展。SCHMIGALLA等[72]采用多道次的非聚焦電子束預(yù)熱技術(shù)研究了預(yù)熱溫度對(duì)17 mm厚UNS S32205雙相不銹鋼板EBW焊縫中奧氏體含量的影響規(guī)律，結(jié)果表明當(dāng)預(yù)熱溫度由200 ℃升高到400 ℃時(shí)，奧氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)由21%增加到27%，同時(shí)由于預(yù)熱時(shí)間短，氮元素?cái)U(kuò)散不充分，導(dǎo)致焊縫中奧氏體形成不足以及大量Cr2N相的析出。作者及所在團(tuán)隊(duì)[57]借助透射電鏡發(fā)現(xiàn)，雙相不銹鋼EBW焊縫中析出大量蠕蟲狀和短棍狀Cr2N二次相，這些二次相主要分布于鐵素體內(nèi)和鐵素體晶界處，Cr2N相的析出會(huì)明顯促進(jìn)點(diǎn)蝕的發(fā)生，因此EBW過程嚴(yán)重惡化了接頭的耐點(diǎn)蝕性能。雖然通過使用高鎳的焊材可使雙相不銹鋼EBW焊縫的鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低至61%[33]，但這會(huì)顯著地增加成本。近幾年發(fā)展的多束流EBW技術(shù)在不使用填充金屬的前提下可使EBW焊縫中鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至70%[86]，但焊接工藝復(fù)雜且不穩(wěn)定。

2.2 焊后熱處理態(tài)的組織與性能

在高能量密度焊接過程中，焊接熱輸入低、焊后冷卻速率快使雙相不銹鋼焊縫中鐵素體和奧氏體兩相比例失衡、鐵素體織構(gòu)明顯、大量Cr2N相的析出以及枝晶偏析顯著，嚴(yán)重惡化了焊接接頭的低溫韌性和耐點(diǎn)蝕性能。優(yōu)化熱輸入只能有限地增加高能量密度焊接接頭焊縫中的奧氏體含量、減小枝晶偏析和鐵素體織構(gòu)的程度，但無法抑制Cr2N析出以及細(xì)化鐵素體晶粒尺寸[95-96]。目前，主要通過選擇合適的固溶溫度進(jìn)行焊后熱處理來消除有害組織進(jìn)而改善焊接接頭的性能[97]。KHAFAGY等[98]研究發(fā)現(xiàn)，850 ℃等溫焊后熱處理后SAF 2205雙相不銹鋼母材和EBW接頭熔合區(qū)中析出σ和γ2相，且析出量隨熱處理保溫時(shí)間的延長而增大。ZHANG等[99]研究表明，UNS S32750雙相不銹鋼EBW焊接接頭經(jīng)1 050 ℃和1 080 ℃固溶處理后均獲得近似相等含量的鐵素體和奧氏體。SARAVANAN等[31]研究發(fā)現(xiàn)，脈沖LBW使UNS S32750雙相不銹鋼焊縫中形成了過量的鐵素體(質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于75%)，經(jīng)過1 050 ℃×2 h的焊后熱處理，焊縫中奧氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到近50%，從而提高了接頭的耐腐蝕性能。YOUNG等[61]研究發(fā)現(xiàn)，LBW使2205型雙相不銹鋼接頭中形成過量鐵素體，但是當(dāng)焊后1 050 ℃固溶處理保溫時(shí)間從15 min增至60 min，接頭熔合區(qū)的奧氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)從47%增大至55%，同時(shí)沖擊韌性也顯著提高。ZHANG等[92-93]研究發(fā)現(xiàn)，1 050,1 080,1 110 ℃保溫15 min的焊后熱處理完全消除了14 mm厚雙相不銹鋼板EBW焊縫和熱影響區(qū)中形成的Cr2N和γ2相，明顯改善了接頭的耐點(diǎn)蝕性能。TAN等[48]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過1 0201 120 ℃保溫4 min焊后固溶處理后，UNS S32304雙相不銹鋼P(yáng)AW接頭中析出的Cr2N相溶解，且最佳固溶溫度為1 080 ℃。YANG等[58]研究表明，UNS S31803雙相不銹鋼LBW接頭中有大量Cr2N相在鐵素體處析出，嚴(yán)重惡化了接頭的耐點(diǎn)蝕性能，但經(jīng)1 080 ℃×3 min固溶處理后，接頭獲得了與母材近似相近的耐點(diǎn)蝕性能。ZHANG等[92]研究發(fā)現(xiàn)，焊后熱處理不會(huì)顯著影響雙相不銹鋼EBW焊縫中鐵素體晶粒的取向分布，但會(huì)影響奧氏體的形貌。在固溶溫度一定的條件下，通常隨著保溫時(shí)間的延長，雙相不銹鋼高能量密度焊接頭中奧氏體的含量增多，從而改善了接頭的韌性和耐腐蝕性能。

由于傳統(tǒng)的焊后熱處理耗能費(fèi)時(shí)，因此激光、電子束、感應(yīng)加熱等先進(jìn)熱處理技術(shù)逐漸應(yīng)用于焊后熱處理上。BRTA等[73]采用六道12 mm·s-1、100 mA非聚焦電子束對(duì)SAF 2205雙相不銹鋼EBW焊縫進(jìn)行熱處理后，焊縫局部區(qū)域鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)由熱處理前的83%變?yōu)?3%，并且晶粒更加細(xì)小。CHAN等[100]先對(duì)UNS S32950雙相不銹鋼焊縫進(jìn)行800 ℃等溫?zé)崽幚韥砟M敏化過程，然后再進(jìn)行激光表面處理，獲得了平衡的鐵素體/奧氏體兩相比例并完全消除了M23C6、σ、γ2等二次相，進(jìn)而改善了焊縫的耐腐蝕性能。LIU等[101]對(duì)SAF 2205雙相不銹鋼LBW接頭進(jìn)行連續(xù)激光熱處理，發(fā)現(xiàn)有大量γ2相析出，且其析出機(jī)制由位錯(cuò)機(jī)制和擴(kuò)散機(jī)制共同作用。雖然電子束和激光束已應(yīng)用于焊接接頭的焊后熱處理方面，但有關(guān)雙相不銹鋼高能量密度焊接頭的研究較少，尚未闡明熱處理工藝參數(shù)與組織特征、力學(xué)性能和耐腐蝕性能的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性。

3 結(jié)束語

在單一高能量密度焊接技術(shù)中，主要通過改變焊接速度、功率、電壓、電流等工藝參數(shù)來調(diào)控?zé)彷斎脒M(jìn)而改變接頭的組織與優(yōu)化接頭性能。但是，在保證焊透且避免熔池坍陷的前提下，高能量密度焊接工藝參數(shù)的可調(diào)窗口有限，通過此方法改善雙相不銹鋼焊接接頭沖擊韌性和耐腐蝕性能的效果不明顯。通過高能量密度與低能量密度復(fù)合的焊接技術(shù)有望得到鐵素體和奧氏體相均衡、無二次相析出且性能顯著提升的焊接接頭，但復(fù)合焊接工序較復(fù)雜且繁瑣，目前急需開發(fā)便攜、高效的復(fù)合焊接設(shè)備。高能量密度焊接的焊后冷卻速率快、合金元素?zé)龘p嚴(yán)重，導(dǎo)致焊縫中極易形成過量的鐵素體和析出有害的氮化物，進(jìn)而惡化接頭的低溫韌性和耐局部腐蝕性能。研究高能量密度焊接溫度梯度模型、顯微組織生長規(guī)律、焊接工藝參數(shù)-熔滴過渡行為-顯微組織-性能的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性具有重要的意義。傳統(tǒng)熱處理費(fèi)時(shí)、耗能、效率低、成本高，且在某些復(fù)雜工況下難以實(shí)施。隨著高能量密度束流技術(shù)的發(fā)展，激光束、電子束、等離子弧等可用于焊后熱處理。此外，借助電場(chǎng)、磁場(chǎng)、超聲波等輔助技術(shù)，也能在焊接過程中以及焊后改善接頭組織、抑制有害相析出。因此，開發(fā)新型、高效、方便的熱處理技術(shù)有望提高焊后熱處理的效率，為改善高能量密度焊接頭組織和性能助力。雙相不銹鋼高能量密度焊接方法與焊接工藝對(duì)焊縫質(zhì)量具有顯著影響。隨著人工智能的發(fā)展，焊接工藝數(shù)據(jù)收集、共享將不斷推進(jìn)技術(shù)的革新。因此，優(yōu)化雙相不銹鋼高能量密度焊接工藝參數(shù)、完善焊接接頭質(zhì)量及性能評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而構(gòu)建焊接數(shù)據(jù)庫，將會(huì)為相關(guān)工程技術(shù)人員提供極大便利。