熱輸入對(duì)SAF2507焊接熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變的影響★

王 新，白永杰，劉 潔，李 巖，楊 森，呂孝根

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

試（實(shí)）驗(yàn)研究

熱輸入對(duì)SAF2507焊接熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變的影響★

王 新，白永杰，劉 潔，李 巖，楊 森，呂孝根

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

采用GLEEBLE3800型試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行焊接熱模擬實(shí)驗(yàn)，研究了焊接熱輸入對(duì)SAF2507超級(jí)雙相不銹鋼熱影響區(qū)（HAZ）組織演變的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨著焊接熱輸入的增加，焊接HAZ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變得粗大。熱模擬實(shí)驗(yàn)可以為制定和調(diào)整焊接工藝提供理論參考依據(jù)，推薦在實(shí)際焊接生產(chǎn)中采用熱輸入為1～1.5 kJ/mm的焊接工藝。

SAF2507 熱模擬 HAZ σ相 熱輸入

SAF2507超級(jí)雙相不銹鋼是雙相不銹鋼中耐點(diǎn)蝕當(dāng)量（Pitting Resistance Equivalent Numbers，PREN）指數(shù)大于40的一類鋼種，與一般雙相不銹鋼相比，其碳含量更低、合金元素含量更高，從而具備更加優(yōu)良的機(jī)械性能和耐氯化物腐蝕性［1-2］。因此，在海洋油氣田開采、船舶制造業(yè)、海水淡化和海底管道鋪設(shè)等高強(qiáng)度和高耐蝕性需求的領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用［3-5］。然而，在焊接過(guò)程中，焊接工藝參數(shù)對(duì)α相與γ相的組織形貌、兩相比例及金屬間相的產(chǎn)生有很大影響，進(jìn)而會(huì)影響材料的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。從國(guó)內(nèi)外的研究來(lái)看，焊接熱影響區(qū)通常是焊接接頭中最薄弱的區(qū)域，常規(guī)的焊接試驗(yàn)方法難以對(duì)該狹小區(qū)域的組織和性能進(jìn)行準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，而焊接熱模擬實(shí)驗(yàn)卻為研究該區(qū)域的組織性能提供了良好的技術(shù)手段。近年來(lái)，許多研究人員采用熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)SAF2205和2304雙相不銹鋼進(jìn)行了焊接熱模擬研究，深入研究了焊接熱模擬工藝對(duì)SAF2205和2304雙相不銹鋼焊接熱影響區(qū)組織變化和耐腐蝕性的影響［6-11］。然而，目前關(guān)于SAF2507超級(jí)雙相不銹鋼該方面的研究還較少［12-13］，因此，通過(guò)焊接熱模擬實(shí)驗(yàn)，探討焊接熱輸入對(duì)SAF2507超級(jí)雙相不銹鋼模擬焊接熱影響區(qū)顯微組織演變的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

母材為太鋼生產(chǎn)的固溶態(tài)超級(jí)雙相不銹鋼SAF2507，其主要成分如表1所示。焊接熱模擬實(shí)驗(yàn)依據(jù)Rykalin-2D曲線，采用GLEEBLE3800型實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)保持初始溫度、加熱速度及峰值溫度Tmax不變，采用單一變量法研究焊接熱輸入對(duì)HAZ組織轉(zhuǎn)變的影響，熱模擬試件尺寸選取10mm×10mm×55 mm，實(shí)驗(yàn)后采用線切割機(jī)切取HAZ試樣，尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，腐蝕液采用5 g FeCl3+50 mL HCl+100 mLH2O，用KEYENCE VHX-2000超景深光學(xué)顯微鏡觀察試樣的微觀組織，相比例的測(cè)定按照《ASTME562用系統(tǒng)人工點(diǎn)計(jì)數(shù)法測(cè)定體積分?jǐn)?shù)的試驗(yàn)方法》測(cè)得［14］。

表1 SAF2507的化學(xué)成分 %

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

下頁(yè)圖1為SAF2507超級(jí)雙相不銹鋼母材的金相組織照片，可以看出，母材由鐵素體和奧氏體兩相組成，條帶狀的白色奧氏體被灰色的鐵素體基體組織包圍著，鐵素體相和奧氏體相體積分?jǐn)?shù)大體相當(dāng)。

下頁(yè)圖2為8種不同熱輸入下SAF2507的熱模擬組織形貌。由圖2可以看出，不同參數(shù)下的金相組織形態(tài)及兩相比例差異較大，當(dāng)熱輸入較小時(shí)（如圖2-1、2-2、2-3），焊后冷卻速度過(guò)快，組織在高溫停留時(shí)間短，高溫鐵素體來(lái)不及向奧氏體轉(zhuǎn)變就會(huì)保留至室溫，從而能夠保持著母材條帶狀的形貌；當(dāng)熱輸入較大時(shí)（如圖2-4），高溫停留時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)，促進(jìn)了高溫鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，鐵素體晶粒邊界開始析出二次奧氏體（γ2）和魏氏體狀?yuàn)W氏體（WA），并向鐵素體內(nèi)部生長(zhǎng)；當(dāng)熱輸入繼續(xù)增大時(shí)（如圖2-5—2-8），合金元素?fù)碛谐浞值臅r(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散，二次奧氏體（γ2）和魏氏體狀?yuàn)W氏體（WA）的數(shù)量逐漸增多，尺寸也進(jìn)一步增大，最終相互交集在一起形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［15］。由此可見，熱輸入對(duì)HAZ的組織形貌有著極其重要的影響。

圖1 SAF2507母材的光學(xué)顯微組織

圖2 模擬熱影響區(qū)在不同熱輸入下的顯微組織

圖3為SAF2507超級(jí)雙相不銹鋼熱影響區(qū)奧氏體含量隨熱輸入變化的示意圖。由圖3可知，隨著熱輸入的不斷增加，奧氏體含量也相應(yīng)增加。當(dāng)熱輸入為0.5 kJ/mm時(shí)，高溫停留時(shí)間較短，一定程度上限制了高溫鐵素體向奧氏體的大量轉(zhuǎn)變，奧氏體含量（體積分?jǐn)?shù)）約為47.4%；當(dāng)熱輸入增加至1.0 kJ/mm時(shí)，高溫停留時(shí)間延長(zhǎng)，奧氏體含量（體積分?jǐn)?shù)）增大至49.8%；當(dāng)熱輸入增大至1.5 kJ/mm時(shí)，奧氏體含量（體積分?jǐn)?shù)）增大至50.7%；繼續(xù)增大熱輸入至2.0 kJ/mm時(shí)，奧氏體含量（體積分?jǐn)?shù)）增大至52.3%。由此可見，隨著熱輸入的不斷增大，間隙元素?fù)碛性絹?lái)越多的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散，促進(jìn)了奧氏體的進(jìn)一步形核與長(zhǎng)大，使奧氏體含量增多，晶粒逐漸變得粗大，當(dāng)熱輸入增加至4.0 kJ/mm時(shí)，奧氏體含量（體積分?jǐn)?shù)）增大至57.8%，晶粒尺寸也進(jìn)一步變大。

圖3 超級(jí)雙相不銹鋼SAF2507在不同熱輸入下的奧氏體含量變化

綜上所述，當(dāng)焊接熱輸入為1.0～1.5 kJ/mm時(shí)，熱影響區(qū)中的兩相體積比例最接近于1∶1，而雙相不銹鋼的性能主要是靠合適的雙相比例和合金元素分配來(lái)保證的，所以合理地選擇焊接熱輸入對(duì)SAF2507超級(jí)雙相不銹鋼焊接尤其重要。因此，為了保證焊接接頭優(yōu)良的組織和力學(xué)性能，建議將實(shí)際焊接中的熱輸入取為1.0～1.5 kJ/mm。

3 結(jié)論

1）熱輸入的提高促進(jìn)了高溫鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，二次奧氏體和魏氏體狀?yuàn)W氏體從鐵素體晶內(nèi)和晶界處析出長(zhǎng)大，使得奧氏體體積分?jǐn)?shù)從熱輸入為0.5 kJ/mm時(shí)的47.4%增加到4.0 kJ/mm時(shí)的57.8%.

2）為了保證焊接接頭優(yōu)良的組織和力學(xué)性能，建議將實(shí)際焊接中的熱輸入取為1.0～1.5 kJ/mm。

［1］ RAMKUMAR K D，MISHRA D，VIGNESH MK，et al.Metallurgical and mechanical characterization of electron beam welded super-duplexstainless steel UNS 32750［J］.Journal of Manufacturing Processes，2014，16（4）：527-534.

［2］ RAMKUMAR K D，MISHRA D，RAJ B G，et al.Effect of optimal weld parameters in the microstructure and mechanical properties of autogeneous gas tungsten arc weldments of super-duplex stainless steel UNSS32750［J］.Materials&Design，2015，66：356-365.

［3］ RAMIREZ A J，BRANDI S D，Lippold J C.Secondary austenite and chromium nitride precipitation in simulated heat affected zones of duplex stainless steels［J］.Science&Technology of Welding& Joining，2004，9（4）：301-313.

［4］ TAVARES S S M，PARDALJ M，Lima LD，et al.Characterization of microstructure，chemical composition，corrosion resistance and toughness of a multipass weld joint of superduplex stainless steel UNS S32750 ［J］.Materials Characterization，2007，58（7）：610-616.

［5］ MOON I J，JANG B S，KOH J H.Heat treatment effect on pitting corrosion of super duplex stainless steel UNS S32750 GTA Welds［J］.Advanced Materials Research，2013，746：467-472.

［6］ YANG Y，YAN B，LI J，et al.The effect of large heat input on the microstructure and corrosion behaviour of simulated heat affected zone in 2205 duplex stainless steel［J］.Corrosion Science，2011，53（11）：3 756-3 763.

［7］ LIOU H Y，HSIEH R I，Tsai W T.Microstructure and pitting corrosion in simulated heat-affected zones ofduplexstainless steels［J］. Materials Chemistryand Physics，2002，74（1）：33-42.

［8］ LIOU H Y，HSIEH R I，TSAI W T.Microstructure and stress corrosion cracking in simulated heat-affected zones of duplex stainless steels［J］.Corrosion Science，2002，44（12）：2 841-2 856.

［9］ HSIEH R I，LIOU H Y，PAN Y T.Effects of cooling time and alloying elements on the microstructure of the gleeble-simulated heat-affected zone of 22%Cr duplexstainless steels［J］.Journal of Materials Engineeringand Performance，2001，10（5）：526-536.

［10］ CHEN L，TAN H，WANG Z，et al.Influence of cooling rate on microstructure evolution and pitting corrosion resistance in the simulated heat-affected zone of 2304 duplex stainless steels［J］. Corrosion Science，2012，58：168-174.

［11］ TAN H，WANG Z，JIANG Y，et al.Influence of welding thermal cycles on microstructure and pitting corrosion resistance of 2304 duplex stainless steels ［J］.Corrosion Science，2012，55：368-377.

［12］ VILLALOBOS D，MALDONADO C，ALBITER A，et al.Effect of thermal cycles on the HAZ of a stainless steel multipass weld of superduplexSAF 2507［J］.Soldagem&Inspecao，2010，15（3）：170-176.

［13］ TAOR L，LIUJ，F(xiàn)ANGW，et al.The studyon weldingHAZmicrostructure of SAF 2507 duplex stainless steel by simulation tests［J］.Materials Science Forum，2015，804：277-280.

［14］ Standard Test Method for DeterminingVolume Fraction bySystematic Manual Point Count［S］：ASTME562-08，2008.

［15］ ALVAREZ T R，PAVARINO MR C，SOUZA G C，et al.Influence of interpass temperature on the properties of duplex stainless steel duringweldingbysubmerged arc weldingprocess［J］.Soldag Insp，2014，19（2）：114-124.

（編輯：胡玉香）

The Impact of Heat Input on Structural Transformation of SAF2507 Welding Heat Affected Zone

Wang Xin，Bai Yongjie，Liu Jie，Li Yan，Yang Sen，Lv Xiaogen
（Materials Science and Engineering College of Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan Shanxi 030024）

The welding thermal simulation experiment is conducted by GLEEBLE3800 testing machine.The law of evolution of the impact of the welding heat input on SAF2507 super duplex stainless steel heat affected zone（HAZ）structural transformation are studied.The results show that with the increase of welding heat input welding HAZ organization ferrite transforms to austenite more fully，and austenite content increases and becomes rough.Thermal simulation experiment can provide theoretical reference basis for formulating and adjusting the welding process.Thermal 1～1.5 kJ/mm input in welding process is recommended in the actual welding production.

SAF2507，thermal simulation，HAZ，σ phase，heat input

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2015.06.07

TG142.1

A

1672-1152（2015）06-0018-03

2015-10-08

太原科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（20145006）

王新（1988—），男，碩士研究生在讀，研究方向：先進(jìn)不銹鋼焊接工藝。