2205雙相不銹鋼焊接力學(xué)性能和腐蝕性能研究*

駱科彤，寧 斌，崔雪鴻

(廣西民族大學(xué)，廣西 南寧 530006)

0 引言

近年來(lái)隨著中國(guó)不銹鋼產(chǎn)能的提升，目前已超過(guò)日本成為全球最大的不銹鋼生產(chǎn)國(guó).焊縫組織腐蝕報(bào)廢上的鋼鐵數(shù)量同我國(guó)每年的海寶鋼的年產(chǎn)量相接近，與此同時(shí)在鐵礦石我國(guó)資源相對(duì)貧乏，能源方面冶煉鋼鐵消耗巨大，這就導(dǎo)致了鐵礦資源與能源的雙重浪費(fèi)，我國(guó)的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)安全受到直接威脅.[1]在焊接方面，焊接方式的選擇與填充合金元素的不同，對(duì)焊接接頭的相比例的控制以為得到優(yōu)良的耐蝕性兼顧一定的力學(xué)性能方面依然存在問(wèn)題.因此，研究雙相不銹鋼焊縫提高其耐腐蝕性能與力學(xué)性能，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)和科學(xué)研究都有顯著意義，具有重大的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益.[2]

在工程中限制雙相不銹鋼應(yīng)用的主要因素是在焊接問(wèn)題上，工程中然而無(wú)法避免焊接技術(shù)的應(yīng)用.焊接技術(shù)主要難點(diǎn)是在焊接接頭焊接后能否獲得與母材相近的兩相比例的組織結(jié)構(gòu)，這是保證焊接接頭擁有與母材相近似的力學(xué)性能與耐腐蝕性能等的關(guān)鍵所在.[3]本實(shí)驗(yàn)從上述問(wèn)題出發(fā)，主要目的在于雙相不銹鋼焊接后性能研究，在焊接方法選擇和對(duì)焊接接頭焊縫區(qū)與熱影響區(qū)雙相組織比例的調(diào)控，保證焊接后接頭有優(yōu)良的力學(xué)性能和耐腐蝕性能.對(duì)接頭組織和性能的影響因素包括焊接方式的選擇、填充合金材料成分、焊接熱輸入的大小、焊接接頭組織的相比例、焊接接頭內(nèi)部晶體組織結(jié)構(gòu)等等.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 焊接

鎢極氬弧焊(GTAW)與手工電弧焊(SMAW)對(duì)鋼板進(jìn)行焊接時(shí)采用對(duì)接形式，進(jìn)行正反雙面焊接.鎢極氬弧焊電流范圍為90-120 A、電壓11～25 V、焊速50～80 mm/min.手工電弧焊弧焊電流范圍為110～140 A、電壓25～30 V、焊速90～130 mm/min.焊接單板的尺寸是80 mm×40 mm×4 mm，用砂紙把焊接區(qū)域的氧化物打磨掉并酸洗，防止焊接時(shí)雜質(zhì)融進(jìn)去，造成缺陷.為了保證焊透，預(yù)留1 mm左右的間隙.焊后對(duì)接頭外形、表面質(zhì)量進(jìn)行觀察.焊縫形狀均勻致密，沒(méi)有裂紋、氣孔夾渣、弧坑等缺陷.焊后試樣焊縫余高凹凸不平，影響測(cè)試性能，應(yīng)用打磨機(jī)磨平使其光滑與母材水平.而后加工切出各類型試樣，以備相關(guān)檢測(cè)使用.[4]

1.2 金相觀察

使用金相切割機(jī)切取取樣，以焊縫區(qū)為中心左右兩邊預(yù)留6 mm長(zhǎng)度余量，使用鑲嵌機(jī)進(jìn)行鑲嵌，鑲嵌后使用砂紙打磨，水流沖洗金相試樣和砂紙的雜質(zhì)以為避免粘在金相面上，造成劃痕進(jìn)而影響觀察.磨好金相拋光時(shí)加入拋光水，避免摩擦過(guò)度導(dǎo)致毀壞金相.磨好的鑲嵌式樣使用王水溶液腐蝕，因其防腐蝕能力很強(qiáng)，采用浸泡式腐蝕金相試樣待腐蝕結(jié)束后清水沖洗，再用無(wú)水乙醇擦拭吹風(fēng)機(jī)吹干后拿到金相顯微鏡下觀察并收集數(shù)據(jù).

1.3 X射線衍射

使用電火花切割機(jī)取樣，以焊縫區(qū)為中心左右兩邊預(yù)留3 mm長(zhǎng)度余量，然后依次按照砂紙型號(hào)打磨表面光滑，并開著小水流沖洗試樣和砂紙，避免顆粒粘在表面上，造成劃痕.磨好并進(jìn)行拋光不時(shí)加入配好的拋光水，避免摩擦過(guò)度，同時(shí)上下面保持相互平形.然后放入X衍射儀中，掃描速度1/8(°)·min-1，掃描角度20°～90°，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后收集整理數(shù)據(jù).

1.4 力學(xué)性能

布氏硬度試驗(yàn)加載載荷選取為9807 N，壓頭直徑10 mm，加載載荷作用時(shí)間30秒.顯微硬度試驗(yàn)中加工好的式樣，使用數(shù)顯顯微硬度儀，對(duì)其熱影響區(qū)和焊縫區(qū)硬度進(jìn)行測(cè)試，加載載荷選取為0.9807 N，加載載荷作用時(shí)間為10秒.使用沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗沖擊性能試驗(yàn)，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T229-2007設(shè)計(jì)式樣.使電火花線切割機(jī)在焊后板材上切取拉伸試樣，試樣尺寸根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T228-2002設(shè)計(jì).[5-6]

1.5 腐蝕性能

使用電化學(xué)工作站進(jìn)行以甘汞電極為參比電極、Pt電極為對(duì)比電極、焊縫金屬為工作電極的三電極系統(tǒng)電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)，焊接接頭以焊縫區(qū)為中心切取60 mm×4 mm×4 mm式樣，用石蠟封住一半的熱影響區(qū)，另一半熱影響區(qū)與整個(gè)焊縫區(qū)作為工作電極.模擬海水濃度配比質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%NaCl溶液進(jìn)行檢測(cè)，電化學(xué)工作站掃描速度為10 m V/s，靈敏度為100 u A/V.[7-9]

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同區(qū)域的微觀組織分析

圖1是焊條電弧焊焊接接頭的焊縫顯微組織，圖1(a)、(b)、(c)焊條依次為E309-16、E309Mo-16、E2209-16.圖2是鎢極氬弧焊焊接接頭的焊縫顯微組織，圖 2(a)、(b)、(c)焊 料 依 次 為 ER309、ER309Mo、ER2209.圖中兩種焊接方法的接頭焊縫區(qū)顯微組織其中都包括主要4種奧氏體相，層片狀的邊界奧氏體(GBA)、沿晶界析出網(wǎng)狀的晶內(nèi)奧氏體(IGA)，呈羽毛狀的魏氏體狀?yuàn)W氏體(WA)與二次奧氏體(γ2).焊接接頭焊縫區(qū)冷卻過(guò)程中，邊界奧氏體在鐵素體邊界形核生長(zhǎng)，應(yīng)為此處自由能高，接著從WA邊界奧氏體生長(zhǎng)形核，并且沿某方向向α相內(nèi)部生長(zhǎng)，并且由于焊接的填充金屬Ni含量較高，致使在相內(nèi)生成晶內(nèi)奧氏體.奧氏體的形成主要受Ni元素的影響，鐵素體的形成主要受Cr元素的影響，Cr元素與Ni元素含量的多少直接影響焊縫組織中兩相比例的多少.在焊縫區(qū)組織中存在很多二次奧氏體，這主要是雙面焊再次加熱導(dǎo)致的.在氬弧焊焊接接頭中奧氏體含量高于手弧焊中含量，并且氬弧焊中奧氏體晶粒較手弧焊晶粒細(xì)，主要原因在于手弧焊熱輸入能量高，焊接接頭冷卻時(shí)間較長(zhǎng)，促使更多奧氏體相組織生長(zhǎng)粗大，氬弧焊中保護(hù)氣促進(jìn)奧氏體的生成，并保證晶粒不會(huì)粗大.綜上所述氬弧焊焊接接頭整體組織形態(tài)較手工電弧焊組織形態(tài)較好.

圖1 焊條電弧焊焊縫金相照片：(a)E309-16,(b)E309Mo-16,(c)E2209-16Fig.1 Metallograph of SMAW welding joints：(a)E309-16,(b)E309Mo-16,(c)E2209-16

圖2 鎢極氬弧焊焊縫金相照片：(a)ER309,(b)ER309 Mo,(c)ER2209Fig.2 Metallograph of GTAW welding joints：(a)E309,(b)E309Mo,(c)E2209

圖3 是焊條電弧焊焊接接頭的熱影響區(qū)顯微組織，圖3(a)、(b)、(c)焊接接頭的焊條依次為E309-16、E309Mo-16、E2209-16.圖4是鎢極氬弧焊焊接接頭的熱影響區(qū)顯微組織，圖4(a)、(b)、(c)焊料依次為ER309、ER309Mo、ER2209.圖中兩種焊接方法的接頭熱影響區(qū)顯微組織中成粒裝有序排列條狀的為奧氏體相γ，之外的白色區(qū)域?yàn)殍F素體α.從圖中可以看出鐵素體被奧氏體所緊密圍繞，無(wú)其他析出物，微觀組織和母材相近.鎢極氬弧焊焊接熱影響區(qū)奧氏體相含量略高于焊條電弧焊，這是由于鎢極氬弧焊焊接相對(duì)焊條電弧焊焊熱輸入溫度低，因?yàn)楹附訒r(shí)當(dāng)熱輸入溫度大于或等于鐵素體相固溶溫度時(shí)，致使組織中鐵素體成分含量較高；當(dāng)熱輸入溫度小于鐵素體固溶溫度時(shí)奧氏體成分含量升高，也就是熱輸入溫度大于鐵素體α固溶溫度線時(shí)，組織全部轉(zhuǎn)化為鐵素體，當(dāng)焊接接頭溫度快速冷卻，組織中的鐵素體來(lái)不及轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致鐵素體含量升高，同時(shí)當(dāng)熱輸入溫度低于鐵素體固溶溫度線時(shí)，奧氏體無(wú)法轉(zhuǎn)變，奧氏體含量升高.所以鎢極氬弧焊焊接熱影響區(qū)奧氏體相含量略高于焊條電弧焊.

圖3 焊條電弧焊焊接熱影響區(qū)金相照片：(a)E309-16,(b)E309Mo-16,(c)E2209-16Fig.3 Metallograph of SMAW welding heat affected zone：(a)E309-16,(b)E309Mo-16,(c)E2209-16

圖4 鎢極氬弧焊焊接熱影響區(qū)金相照片：(a)ER309,(b)ER309Mo,(c)ER2209Fig.4 Metallograph of GTAW welding heat affected zone：(a)E309,(b)E309Mo,(c)E2209

2.2 X射線衍射試驗(yàn)分析

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于在焊接過(guò)程中熱輸入控制不當(dāng)，可能導(dǎo)致在焊縫區(qū)中析出碳化物、氮化物、磷化物等金屬間化合物.例如Cr N在鐵素體晶界和內(nèi)部生成隨著二次奧氏體生成，同時(shí)也促進(jìn)奧氏體的生成.金屬間化合物對(duì)焊接接頭有很大影響，所以應(yīng)對(duì)焊接接頭進(jìn)行X射線衍射實(shí)驗(yàn)對(duì)相結(jié)構(gòu)的組成進(jìn)行分析.

各圖中各衍射峰值和分布略有不同，各圖主要含有α和γ兩種相且結(jié)晶度好，符合雙相組織結(jié)構(gòu)，并且無(wú)有害相析出，從焊接接頭相成分來(lái)看，相組成符合要求可以獲得良好的性能.添加不同合金元素在焊縫中，凝固組織形態(tài)得到改變，焊縫的強(qiáng)度和任性從而得到提高.使焊縫金屬充分脫氧是Mn和S元素，提高抗拉強(qiáng)度的方面上.Ti和N與氧的親和力大，Ti以氧化物的形式彌散焊縫分布在其中，焊縫金屬晶粒被細(xì)化，奧氏體相向鐵素體相轉(zhuǎn)變伴隨冷卻過(guò)程中發(fā)生，Ti以氧化物形式分布晶粒邊界，奧氏體晶粒長(zhǎng)大因而被阻礙，所以發(fā)生細(xì)化晶粒.有利于形成細(xì)晶鐵素體是Mo元素的加入同時(shí)增加韌性，其中Mo Ni使焊縫細(xì)晶鐵素體組織更加均一化，任性顯著提高.Cr元素在奧氏體中含量較多，奧氏體的Ni元素含量高于在鐵素體中含量，鐵素體中Mo元素含量低于在奧氏體相中含量.

2.3 硬度實(shí)驗(yàn)分析

圖5是焊縫和熱影響區(qū)的布氏硬度，圖6是焊縫和熱影響區(qū)的顯微硬度.從圖5和6中不同區(qū)域的布氏硬度和顯微硬度可知，在布氏硬度上焊條電弧焊與鎢極氬弧焊在焊接區(qū)和熱影響區(qū)硬度相當(dāng)，在顯微硬度上焊條電弧焊整體好于鎢極氬弧焊.金屬布氏強(qiáng)度越高硬度越大，其中奧氏體相強(qiáng)度低于鐵素體相，所以在顯微硬度方面，接頭鐵素體含量越高顯微硬度越大，反之奧氏體含量越大顯微硬度越小，在焊接過(guò)程中焊接接頭熱影響區(qū)部分冷卻速度快，奧氏體相析出過(guò)程不充分，導(dǎo)致鐵素體含量升高.填充合金元素含量方面，母材的合金元素成分含量相對(duì)填充金屬含量較小，填充金屬Ni、Mo、Cr元素原子與晶格Fe原子產(chǎn)生置換，使晶格排列錯(cuò)亂位移移動(dòng)困難，因此焊接接頭硬度較高.鎢極氬弧焊焊接時(shí)保護(hù)氣體的加入，使焊接接頭中奧氏體相含量增加，顯微硬度相對(duì)手弧焊低，鎢極氬弧焊焊接中，不同焊料的焊接接頭奧氏體硬度的升高實(shí)在焊接過(guò)程中熱循環(huán)作用下，奧氏體相中發(fā)生N的擴(kuò)散固溶作用導(dǎo)致.在焊條電弧焊中在接頭奧氏體相中氮化物、碳化物發(fā)生析出，提高了鐵素體相的硬度.

圖5 焊縫和熱影響區(qū)的布氏硬度Fig.5 Brinell hardness of welded joints and heat affected zone

圖6 焊縫和熱影響區(qū)的顯微硬度Fig.6 Microhardness of welded joints and heat affected zone

2.4 沖擊性能分析

從表1中可知沖擊韌性最好的是鎢極氬弧焊ER309焊接接頭.奧氏體相成分的含量決定了焊接接頭的沖擊韌性，因?yàn)閵W氏體能在沖擊過(guò)程中已產(chǎn)生裂紋的鐵素體相繼續(xù)擴(kuò)展起抑制作用，奧氏體中碳氮等等的間隙元素含量較高，同周圍包裹著的鐵素體相比，在焊后冷卻過(guò)程中不容易析出氮化物與碳化物，因而能抑制晶界脆化發(fā)生，并且在焊接時(shí)能組織鐵素體晶粒變粗.細(xì)小的晶粒組織擁有更好韌性與沖擊性能.鎢極氬弧焊顯微組織中觀察到奧氏體相密集分布在鐵素體相晶界周圍，且組織晶粒細(xì)小，因此擁有良好的沖擊性能.焊條電弧焊熱輸入大冷卻速度慢，焊縫處奧氏體組織粗大，晶界面積相對(duì)較小，不能很好地抵擋微裂紋擴(kuò)展.由ER309焊接接頭的金相圖中看出奧氏體相布滿鐵素相晶界，結(jié)構(gòu)緊密且無(wú)有害相析出，接頭延伸率因此上升所以沖擊性能最好.

2.5 拉伸性能分析

從表1中可知，鎢極氬弧焊焊接三種接頭整體都大于焊條電弧焊三種焊接接頭的最大抗拉強(qiáng)度且高于母材，焊條電弧焊三種接頭抗拉強(qiáng)度都弱于母材.鎢極氬弧焊ER309焊接接頭拉伸性能最好.氬弧焊焊接式樣在拉伸力作用下的形變過(guò)程可看出彈性變形階段、屈服階段、均勻塑性變相階段、頸縮與斷裂階段，焊縫金屬元素Ni、Mo、Cr元素較高在高溫下重熔，置換出基體鐵原子，打亂晶格排列，發(fā)生置換與間隙固溶強(qiáng)化，在受到拉應(yīng)力作用時(shí)晶粒發(fā)生釘扎阻礙位錯(cuò)，從而使焊接接頭強(qiáng)度較高.手工電弧焊無(wú)屈服階段，而且在產(chǎn)生少量塑性變形后突然斷裂.手弧焊焊接過(guò)程中熱輸入大，溫度高，致使焊縫區(qū)晶粒生長(zhǎng)粗大，使焊接接頭抗拉強(qiáng)度降低.

2.6 耐腐蝕性能分析

在電化學(xué)腐蝕中自腐蝕電流的大小反應(yīng)腐蝕速率的快慢，當(dāng)焊接接頭電化學(xué)腐蝕速率小它的自腐蝕電流也相對(duì)小，反應(yīng)發(fā)生時(shí)的電子移動(dòng)速度慢，也就是阻力越大.自腐蝕電位反映著電化學(xué)腐蝕發(fā)生的趨勢(shì)情況，自腐蝕點(diǎn)位負(fù)值越小兩級(jí)間的電位差值大，說(shuō)明腐蝕越容易發(fā)生.從表1中可知鎢極氬弧焊的焊接接頭耐腐蝕性比焊條電弧焊較好但都好于母材，鎢極氬弧焊ER2209的焊接接頭耐腐蝕性最好.從元素含量角度來(lái)看，提高焊接接頭耐腐蝕性主要取決于Ni、Mo、Cr的元素含量，降低接頭耐蝕性的元素為Mn、C、N元素含量的升高.Cr的增加使金屬容易鈍化，并且伴隨著鎳含量的升高，金屬鈍化現(xiàn)象更加穩(wěn)定，這是因?yàn)榻饘僭氐碾娀瘜W(xué)性質(zhì)，Ni與Cr、Fe相比金屬活潑型差，腐蝕發(fā)生時(shí)能起到抑制陽(yáng)極溶解的作用.其次是，手弧焊熱輸入較大，其焊接接頭耐腐蝕性較鎢極氬弧焊低，主要原因在于鐵素體相含量上升且在焊縫區(qū)中合金元素化學(xué)成分不均勻產(chǎn)生電勢(shì)差造成的.鎢極氬弧焊焊接接頭組織晶粒越細(xì)小奧氏體與鐵素體排布越均勻，在接頭表面的鈍化膜越致密合金元素分布均勻，氯離子不容易穿過(guò)鈍化膜孔隙所以耐腐蝕性能強(qiáng).

表1 不同焊縫的力學(xué)性能和腐蝕性能Tab.1 Mechanical properties and corrosion properties of different welded joints

3 結(jié)論

對(duì)于焊條電弧焊與鎢極氬弧焊，焊接接頭的焊縫兩相組織比例對(duì)接頭的耐蝕性、力學(xué)性能都有重要影響.當(dāng)鐵素體含量很低時(shí)，接頭強(qiáng)度與抗應(yīng)力腐蝕開裂能力下降，含量過(guò)高時(shí)又使沖擊韌性、耐腐蝕能力下降.鎢極氬弧焊焊后焊接式樣余高較小，手弧焊余高較高，焊后板材無(wú)顯著變形，成型性能好，且其中奧氏體含量明顯升高，晶粒變細(xì)，在氬氣保護(hù)下焊縫形狀與熔深較好，焊縫進(jìn)而獲得良好的性能，沖擊韌性相對(duì)較高因?yàn)槿鄯蠼饘僦需F素體含量接近母材含量且晶粒較致密，焊接接頭硬度相近于母材硬度.焊條電弧焊其熔敷金屬的鐵素體含量較多，硬度高，但熱影響區(qū)鐵素體含量增加與其中氮元素的析出，導(dǎo)致焊接接頭接頭沖擊韌性性能差，抗拉輕度降低.所以鎢極氬弧焊可獲得更好的焊接接頭.ER309焊接接頭的綜合力學(xué)性能最佳，適合在對(duì)強(qiáng)度要求較高的環(huán)境下.ER2209的焊接接頭耐腐蝕性最好，適合在要求較高耐腐蝕強(qiáng)度的工程環(huán)境.