李亞杰 ,劉 濤 ,洪 磊 ,洪 亮 ,黃愛(ài)頤

(1.江蘇理工學(xué)院材料工程學(xué)院,常州 213001;2.江蘇貝特管件有限責(zé)任公司,泰州 225500;3.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院泰州分院,泰州 225599)

0 引言

SUS316L奧氏體不銹鋼具有良好的塑韌性,較高的抗拉強(qiáng)度以及良好的耐高溫酸性介質(zhì)腐蝕能力,廣泛應(yīng)用于化工制藥、航空航天、能源運(yùn)輸、火力發(fā)電等領(lǐng)域[1-2]。15CrMo珠光體低合金鋼具有良好的蠕變斷裂性能、抗高溫?cái)嗔研阅?、抗氧化性能和耐腐蝕性能,廣泛應(yīng)用于石油化工、火力發(fā)電等領(lǐng)域[3-4]。在制造機(jī)械設(shè)備時(shí),常需要對(duì)不同材料制成的部件進(jìn)行連接,例如鍋爐中15CrMo鋼集熱器與SUS316L鋼再熱器管的連接[5-6],因此異種材料焊接工藝的研究意義重大。15CrMo 低合金鋼和SUS316L奧氏體不銹鋼的異種鋼焊接接頭已在亞臨界火電機(jī)組中得到廣泛應(yīng)用。然而,SUS316L鋼和15CrMo鋼除了化學(xué)成分存在差異,物理性能如線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等也存在較大差異[7],這些差異不僅會(huì)導(dǎo)致二者焊接時(shí)在熔合線附近區(qū)域產(chǎn)生脆性金屬化合物,還會(huì)形成裂紋等焊接缺陷[8-9]。因此,有必要進(jìn)一步對(duì)SUS316L/15CrMo異種鋼焊接工藝參數(shù)和方法進(jìn)行研究。

焊絲顯著影響著焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、塑韌性以及焊接缺陷的產(chǎn)生,決定著整個(gè)焊接接頭的質(zhì)量[6]。選擇合適的焊絲,可以有效改善異種鋼焊接因材料差異而產(chǎn)生的問(wèn)題,從而提升接頭的力學(xué)性能。目前,SUS316L鋼和15CrMo鋼之間的焊接普遍使用的焊絲是不銹鋼焊絲[3]。不銹鋼焊絲的成分和性能接近于SUS316L鋼,但與低合金鋼之間存在較大差別,容易產(chǎn)生熱裂紋、氣孔等焊接缺陷[6]。因此,有學(xué)者開(kāi)始嘗試選用成分介于15CrMo鋼和奧氏體不銹鋼之間的鎳基合金焊絲對(duì)2種鋼進(jìn)行焊接。為了比較2種焊絲的適用性,作者選用ER309不銹鋼焊絲和ERNiCrMo-3鎳基合金焊絲,采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG),對(duì)SUS316L 鋼和15CrMo鋼進(jìn)行對(duì)接多道焊,對(duì)比了2種焊絲焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能,擬為SUS316L/15CrMo異種鋼焊接焊絲的選擇提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)用母材為15CrMo珠光體低合金鋼板和SUS316L 奧氏體不銹鋼板,尺寸均為150 mm×75 mm×10 mm,供貨狀態(tài)為熱軋態(tài);焊接材料分別為ERNiCrMo-3鎳基合金焊絲和ER309不銹鋼焊絲,直徑均為2.4 mm。母材和焊絲均由江蘇貝特管件有限責(zé)任公司提供,化學(xué)成分如表1所示。根據(jù)鉻、鎳當(dāng)量計(jì)算公式[10],得到15CrMo 鋼和SUS316L鋼的鉻鎳當(dāng)量比分別為0.94,1.68;按照30%稀釋率計(jì)算,采用ER309焊絲和ERNiCrMo-3焊絲形成的焊縫的鉻鎳當(dāng)量比分別為1.63,0.51。

為保證焊接質(zhì)量,焊前使用角磨機(jī)和丙酮去除鋼板表面的氧化膜與油漬。鋼板開(kāi)V 型坡口(帶鈍邊,尺寸為1.5 mm),坡口角度為75°,根部間隙為1.5 mm,使用Precision TIG型GTAW 焊機(jī)進(jìn)行三層單道對(duì)接焊,使用氧-乙炔火焰對(duì)鋼板進(jìn)行預(yù)熱和層間保溫,預(yù)熱和層間保溫溫度分別為200,250 ℃;焊接速度為80～90 mm·min-1,氬氣流量為15 L·min-1,焊接電流為145～155 A,焊接電壓為16.2 V,熱輸入為0.939～1.096 kJ·mm-1。

1.2 試驗(yàn)方法

采用D8 Advance型X射線衍射儀(XRD)對(duì)焊縫進(jìn)行物相分析,掃描范圍為20°～100°,掃描速率為4(°)·min-1。在焊接接頭上取樣,經(jīng)打磨、拋光,分別使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的FeCl3溶液、王水、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液對(duì)焊縫、熱影響區(qū)、SUS316L鋼母材和15CrMo鋼母材腐蝕后,采用Olympus ModelBX51型光學(xué)顯微鏡(OM)和Sigma500型掃描電鏡(SEM)觀察顯微組織,采用X-MaxN80型能譜儀(EDS)進(jìn)行微區(qū)成分分析。利用HVS-100B型數(shù)顯轉(zhuǎn)塔式顯微硬度計(jì)測(cè)試硬度,相鄰點(diǎn)之間的距離為0.5 mm,加載力為4.9 N,保載時(shí)間為13 s。采用電火花線切割機(jī)以焊縫為中心切取如圖1所示的拉伸試樣,標(biāo)距為15 mm,采用WDW3200型萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)在室溫環(huán)境下進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸速度為2 mm·min-1,采用Sigma500型掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌。

圖1 拉伸試樣的形狀和尺寸Fig.1 Shape and size of tensile sample

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可見(jiàn):在采用ERNiCrMo-3焊絲制備的焊接接頭中,15CrMo鋼側(cè)可以分為焊縫區(qū)、熔合區(qū)、粗晶熱影響區(qū)、細(xì)晶熱影響區(qū)、臨界熱影響區(qū)和母材區(qū)6個(gè)區(qū)域。15CrMo鋼母材的顯微組織為黑色珠光體與白色鐵素體;與焊縫距離較近的粗晶熱影響區(qū)由于受焊接高溫影響較大,形成了脆硬的馬氏體和貝氏體組織,組織明顯粗化;距離焊縫較遠(yuǎn)的細(xì)晶熱影響區(qū)在較低的焊接循環(huán)熱影響下發(fā)生回火分解,形成細(xì)小的鐵素體和粒狀貝氏體組織;與母材相鄰的臨界熱影響區(qū)受焊接循環(huán)熱影響較小,只發(fā)生部分相變重結(jié)晶,形成鐵素體和回火索氏體組織,晶粒尺寸與母材相比未發(fā)生明顯變化。在采用ER309焊絲制備的焊接接頭中,在15CrMo鋼側(cè)熱影響區(qū)觀察到了類似的顯微組織和晶粒尺寸。

圖2 采用ERNiCrMo-3焊絲焊接接頭15CrMo鋼側(cè)不同區(qū)域的OM 形貌Fig.2 OM morphology of different areas on 15CrMo steel side of welded joint with ERNiCrMo-3 welding wire：（a）low magnification morphology；（b）base mateal；（c）coarse-grained heat affected zone；（d）fine-grained heat affected zone and（e）critical heat affected zone

由圖3可見(jiàn):在采用ERNiCrMo-3焊絲制備的焊接接頭中,SUS316L鋼側(cè)可分為焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)3個(gè)區(qū)域。SUS316L鋼母材為典型的多邊形奧氏體晶粒和退火孿晶組織。熱影響區(qū)的顯微組織由長(zhǎng)條狀δ鐵素體和多邊形奧氏體晶粒組成,其寬度在100～200 μm,比15CrMo鋼側(cè)熱影響區(qū)(約1 000 μm)窄,主要原因是SUS316L鋼的熱導(dǎo)率較低;條狀δ鐵素體主要存在于靠近熔合區(qū)的熱影響區(qū)中,其鉻、鎳元素的含量較高。當(dāng)熔池邊界鉻和鎳的當(dāng)量比較高時(shí),在熔池邊界處往往會(huì)形成δ鐵素體;δ鐵素體的生成可以抑制熱影響區(qū)的液化開(kāi)裂[10]。在采用ER309焊絲制備的焊接接頭中,于316L鋼側(cè)熱影響區(qū)觀察到了相似的顯微組織。

圖3 采用ERNiCrMo-3焊絲焊接接頭SUS316L鋼側(cè)的形貌和EDS分析結(jié)果Fig.3 Morphology（a-b）and EDS analysis result（b）on SUS316L steel side of welded joint with ERNiCrMo-3 welding wire：（a）OM morphology and（b）SEM morphology

由圖4可知:無(wú)論使用ER309焊絲還是ERNiCrMo-3焊絲,在15CrMo鋼側(cè)焊接邊界區(qū)域內(nèi)的鐵、鉻、鎳、鉬元素含量均發(fā)生了變化;采用ER309焊絲焊接后,在15CrMo鋼側(cè)焊縫的碳含量較熱影響區(qū)有所增加,而熱影響區(qū)中的碳含量較離焊縫側(cè)較遠(yuǎn)的母材有所減少,說(shuō)明的碳元素向焊縫中發(fā)生了遷移;而在采用ERNiCrMo-3 焊絲焊接的接頭中,15CrMo鋼側(cè)焊縫區(qū)的碳含量未發(fā)生明顯變化,說(shuō)明碳元素未發(fā)生遷移。由此可知,采用鉻和鎳含量較高的ERNiCrMo-3 焊絲對(duì)SUS316L 鋼和15CrMo鋼進(jìn)行焊接可以有效抑制15CrMo鋼中碳元素向熔池中的遷移。

圖4 采用ER309和ERNiCrMo-3焊絲焊接接頭15CrMo鋼側(cè)的EDS線掃描結(jié)果Fig.4 EDS linear scanning results on 15CrMo steel side of joint welded with ER309（a，c）and ERNiCrMo-3（b，d）welding wires：（a-b）linear scanning results of different elements and（c-d）linear scanning results of carbon element

由圖5可以看出:采用ERNiCrMo-3焊絲焊接接頭的焊縫組織為胞狀?yuàn)W氏體組織,采用ER309焊絲焊接接頭的焊縫組織為骨架狀鐵素體和奧氏體組織。由前文可知,采用ERNiCrMo-3和ER309焊絲焊接接頭的鉻鎳當(dāng)量比分別為0.51,1.63,根據(jù)舍弗勒相圖[11],焊縫的凝固模式為奧氏體(A)模式和鐵素體-奧氏體(FA)模式,因此分別形成了完全奧氏體組織和鐵素體+奧氏體組織。在FA凝固模式下,鐵素體作為初始析出相凝固,呈骨架狀,而奧氏體隨后通過(guò)包晶-共晶反應(yīng)生成。放大后可以看出,采用ERNiCrMo-3焊絲焊接的接頭焊縫中,奧氏體包含枝晶間和枝晶干2種結(jié)構(gòu),奧氏體基體上還出現(xiàn)了富含鈮、鉬等元素的條狀白色析出相。結(jié)合圖6分析可知,富含鈮、鉬等元素的析出相為L(zhǎng)aves相[12]。

圖5 采用ERNiCrMo-3和ER309焊絲焊接接頭焊縫的顯微組織以及析出相的形貌和EDS譜Fig.5 Microstructures（a-c）and morphology（d）and EDS pattern（e）of precipitated phase in weld seam of joints welded with ERNiCrMo-3（a，c-e）and ER309（b）welding wires

圖6 采用ERNiCrMo-3和ER309焊絲焊接接頭焊縫的XRD譜Fig.6 XRD patterns of weld seam of joints welded with ERNiCrMo-3 and ER309 welding wires

2.2 拉伸性能

由圖7可以看出,采用ERNICrMo-3焊絲焊接的接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別為514.5 MPa和22.3%,高于采用ER309 焊絲的焊接接頭(478.1 MPa和20.2%),分別提高約7%和10%。

由圖8 可見(jiàn):2 種焊絲焊接接頭拉伸時(shí)均在15CrMo鋼側(cè)熱影響區(qū)發(fā)生斷裂,拉伸斷口均出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象,這表明接頭在拉伸斷裂過(guò)程中出現(xiàn)了較大的塑性變形,發(fā)生了韌性斷裂;2種焊絲焊接接頭微觀斷口均觀察到了韌窩,說(shuō)明接頭的斷裂機(jī)制為微孔聚集型韌性斷裂;采用ERNiCrMo-3焊絲時(shí)拉伸斷口上的韌窩數(shù)量較多,深度較深且分布更均勻,而采用ER309焊絲時(shí)韌窩數(shù)量較少,深度較淺,分布較不均勻,并且斷口上還出現(xiàn)了數(shù)量較多的解理臺(tái)階。由此可見(jiàn),采用ERNiCrMo-3焊絲制備的焊接接頭可以獲得更大的抗拉強(qiáng)度與塑性變形能力。

圖8 不同焊絲焊接接頭拉伸試樣的宏觀斷裂形貌和拉伸斷口微觀形貌Fig.8 Macroscopic fracture morphology of tensile specimens（a）and micromorphology of tensile fracture（b-c）of joints welded with different welding wires：（b）ERNiCrMo-3 welding wire and（c）ER309 welding wire

在焊接過(guò)程中,受焊接熱循環(huán)的影響,15CrMo鋼側(cè)的粗晶熱影響區(qū)被加熱到奧氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度Ac3以上,組織完全奧氏體化并且晶粒尺寸增大,在冷卻過(guò)程中,形成粗大的貝氏體和馬氏體組織。粗大且脆硬的馬氏體和貝氏體的形成導(dǎo)致15CrMo鋼側(cè)熱影響區(qū)的脆性增加,韌性減弱,因此拉伸時(shí)在此處發(fā)生斷裂。試驗(yàn)用15CrMo鋼母材的碳含量高于ER309和ERNiCrMo-3焊絲,在焊接過(guò)程中母材中的碳會(huì)向焊縫發(fā)生遷移,從而削弱了接頭的力學(xué)性能[11,13-15]。但是,ERNiCrMo-3焊絲含有較高含量的鉻和鎳元素,可以抑制碳遷移[16],因此采用ERNiCrMo-3焊絲制備的焊接接頭比采用ER309焊絲的接頭具有更高的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率。

2.3 顯微硬度

由圖9可知:2種焊絲焊接接頭的硬度均在15CrMo鋼側(cè)熱影響區(qū)急劇增加,整體硬度變化趨勢(shì)相似,只是采用ERNiCrMo-3焊絲時(shí)的焊縫硬度略高于采用ER309焊絲時(shí)的焊縫硬度。15CrMo鋼和SUS316L鋼的硬度均約為180 HV。15CrMo鋼側(cè)臨界熱影響區(qū)由于發(fā)生部分相變重結(jié)晶,形成鐵素體和回火索氏體混合組織,其硬度升至約210 HV;細(xì)晶熱影響區(qū)則由于發(fā)生完全相變重結(jié)晶,形成貝氏體和細(xì)小鐵素體晶粒,硬度升至約262 HV;粗晶熱影響區(qū)受焊接熱循環(huán)影響最大,形成了脆硬的貝氏體和馬氏體組織,其硬度最高,約為293 HV。相較于ER309焊絲,采用ERNiCrMo-3焊絲形成的焊縫中的奧氏體晶粒上析出了富含鈮和鉬元素的Laves相,因此焊縫平均硬度提高了約30 HV[17-18]。

圖9 不同焊絲焊接接頭截面顯微硬度分布Fig.9 Microhardness distribution on section of joints welded with different welding wires

3 結(jié)論

(1) 分別采用ERNiCrMo-3和ER309焊絲對(duì)15CrMo鋼和SUS316L鋼進(jìn)行異種鋼焊接,焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)的組織和晶粒尺寸未見(jiàn)明顯差異;相較于ER309 焊絲,采用具有更高鉻、鎳含量的ERNiCrMo-3焊絲能夠有效抑制15CrMo鋼中的碳向焊縫中遷移。

(2) 采用ER309焊絲焊接時(shí),其焊縫凝固模式為鐵素體-奧氏體模式,因此焊縫組織為鐵素體和奧氏體;采用ERNiCrMo-3焊絲焊接時(shí),其焊縫凝固模式為奧氏體模式,焊縫組織為奧氏體。

(3) 采用ERNiCrMo-3焊絲可以獲得具有更高抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率的焊接接頭,該接頭拉伸斷口上的韌窩更多,深度更深且分布均勻;采用ERNiCrMo-3焊絲時(shí),因焊縫中的奧氏體上析出了Laves相,其硬度比采用ER309焊絲時(shí)高約30 HV。