SAF2507与Q235钢异种金属焊接接头组织研究

王一鸣 ，王 新 ，刘 洁 ，范光伟 ，李 睿，崔卫则

（1.太原科技大学材料科学与工程学院，山西太原 030024；2.山西太钢不锈钢股份有限公司技术中心，山西太原 030003）

所谓双相不锈钢（Duplex Stainless Steel，DSS）具体指此类钢种的微观组织是由铁素体和奥氏体两相构成，同时每种单一相所占的体积分数约为整体的50%，其机械性能及力学性能兼具奥氏体和铁素体不锈钢的杰出特性。如奥氏体不锈钢所具备的优异塑、韧性与可焊性，铁素体不锈钢所具备的优异强硬度与抗氯离子应力腐蚀特性，所以，在石油开采及运输、化工制造、建筑工程、制药工程等行业中具备广阔的应用前景[1-2]。伴随双相不锈钢在工业生产使用范畴的日益扩展，陆续碰到和不同种类的金属材料尤其是与碳钢之间进行不同种类金属连接的施焊问题。不同种类的钢材进行焊接最大的难点在于不同种类的金属之间在物理和化学性能方面存在很大的差异。对不同种类的金属施焊过程中，在焊缝处常常不可避免的发生碳元素迁移、焊缝施焊时显微组织产生变化、因为两种金属热膨胀系数的不同导致热应力的产生、因为塑、韧性的不同以及应力上升导致出现裂纹等问题[3-5]。

针对碳钢与奥氏体不锈钢施焊时产生碳元素迁移进而导致焊缝接头的质量出现较大问题，世界各国都对其开展较多研究[3-7]。近些年，国内外针对双相不锈钢的探究分别使用埋弧焊与爆炸焊的焊接方法在碳钢表面进行双相不锈钢的堆焊，最终使得焊接构件的抗腐蚀性上升[8-9]。因为双相不锈钢与低合金钢在微观组织、力学和腐蚀特性等方面的差别，使其焊缝接头处可能产生化学成分梯度分布的改变，从而对焊接工艺参数的选择、焊缝接头力学特性及抗腐蚀特性产生巨大的影响。SAF2507在工程材料中没有广泛应用，因此将SAF2507双相不锈钢与Q235钢选取焊条电弧方法（SMAW）进行施焊，针对焊缝接头微观组织形态进行分析研究，以搞清焊缝接头组织成分及元素迁移的现象。

1 实验材料和方法

实验中采用太原钢铁集团公司生产的SAF2507双相不锈钢板和Q235钢板进行SMAW对接实验，二者均为厚度5 mm的钢板，钢板供货状态为热轧态，实验材料成分见表1.

实验所用设备采用上海沪工ZX7-400逆变式直流弧焊机，焊接方法为直流反接的单道焊。其中，焊条电弧焊（SMAW）采用直径为3.2mm的ER2510焊条，焊速 1.2cm·min-1～1.8cm·min-1，电流 90A～130A，电压 20 V，热输入 0.2 kJ·mm-1～1.5 kJ·mm-1.焊接坡口加工成Y型坡口，坡口角度60°，根部间隙为1mm，钝边为1 mm，如图1所示。

焊前焊条需经200℃～250℃烘焙1 h，工件要求全焊透。将焊好试板舍去20 mm后采用线切割机切成小块，对其进行金相组织观察。先使用3%～6%的硝酸酒精溶液对碳钢进行腐蚀，腐蚀时间30 s；再用5 g的高氯化铁、10 ml盐酸、10 ml水配置的腐蚀液腐蚀SAF2507，腐蚀时间15 min.使用超景深金相显微镜与扫描电子显微镜（SEM）对焊缝接头的组织形态进行观察，利用EDS能谱扫描仪对接头熔合区及碳钢热影响区处进行化学成分的分析。

表1 母材和焊条的化学成分（质量分数，%）

2 结果与分析

2.1 显微组织

双相不锈钢与碳钢不同种类金属焊接的接头区域是由不锈钢及碳钢母材、母材热影响区、接头熔合区、焊缝等部分构成。图2a）、2b）分别为双相不锈钢SAF2507和Q235钢母材的显微组织，双相不锈钢SAF2507中奥氏体和铁素体的体积分数占整个微观组织的50%左右，钢材经过热轧制使得晶粒出现拉长现象。图2a）看到白色组织为奥氏体相，黑色组织为铁素体相，图2b）显示碳钢焊前组织为铁素体相。

图3为使用ER2510焊条得到焊缝的显微组织。图3a）可以看到在Q235钢一侧的熔合区发现明显的黑色和白色带状组织且熔合区附近晶粒为等轴晶。图3b）为焊缝的微观组织，可以看到晶粒呈等轴晶且组织为黑色的铁素体和白色的奥氏体，这是由于ER2510焊条的组织决定的，ER2510焊条与SAF2507母材组织相同均为铁素体+奥氏体相。图3c）可以看到SAF2507熔合区奥氏体组织晶粒长大且奥氏体和铁素体呈不均匀分布。

图1 SAF2507和Q235钢焊接模型

图2 施焊前双相不锈钢SAF2507和Q235钢的微观组织

图3 SAF2507和Q235钢焊缝的显微组织

2.2 凝固过渡层

SAF2507双相不锈钢与Q235钢进行SMAW焊时，由于二者材料的导热性能有所差异，焊枪枪头偏向SAF2507双相不锈钢一侧故焊接接头与母材附近熔合区处变成液态的金属温度略有差异，导致接头熔合区中液态金属的流动性能下降，机械搅拌作用也因此降低，致使焊缝金属的成分与Q235钢的成分出现明显差别，是以出现熔合区处已熔融的母材金属与填充金属没有办法完全融合的现象，致使接近焊缝边缘的熔合区上产生一块狭小的不完全融合区域，经常称其为凝固过渡层。学者[10-12]研究发现此过渡层是由接头熔合线和命名为“第二类边界线”（type IIboundary）构成的，如图 5a）所示。图5b）为使用EDS对第二类边界区域进行能谱扫描分析，发现在此区域存在较高的Fe、Cr元素和较低的Ni、Mo、Mn等元素。由于ER2510焊条与SAF2507双相不锈钢母材化学成分相似且其含Ni量还略高于双相不锈钢母材本身，焊条和Q235钢母材存在较大的合金元素梯度使得合金元素发生扩散。又由于增碳层阻止了合金元素向Q235钢深入扩散，故而 Fe、Cr、Ni、Mo、Mn等合金元素发生聚集，形成金属间化合物，最终在焊缝金属中的双相组织间形成明显的第二类边界。

图4 第二类边界线显微组织

2.3 碳迁移过渡层

SAF2507双相不锈钢母材和ER2510焊条的碳元素浓度较小，将其和碳元素浓度相对较大的Q235钢施以焊接时，Q235钢中的碳元素在母材熔合区处出现迁移现象且发生聚集，致使碳元素浓度较大的Q235钢熔合区处形成脱碳层区域及黑色带状的增碳层区域如图5a）所示。图5b）是对增碳层进行EDS能谱点扫描分析Cr元素的含量，可以看到在增碳层中存在较高的Fe元素峰值和较低的Cr元素峰值，文献[13]研究发现增碳层是类马氏体混合区域，不仅含有碳化物，还有板条状马氏体、孪晶状马氏体等脆性组织，这也与EDS能谱分析相一致。由于熔合区界面发生碳元素迁移产生的结果诱使焊缝接头的蠕变特性下降，抗热疲劳特性降低，脱碳层区域容易出现裂纹进而导致脆性断裂。再因为碳迁移是产生于母材熔合区的界面附近，焊缝接头中就会呈现较为明显的硬度梯度，脱碳层区域Cr元素浓度的匮乏，致使焊缝接头抗腐蚀特性降低。

依据文献[14]的记载，从本质上来说碳迁移的产生是因为Cr元素与碳元素之间有较强的结合力，二者极易结合形成稳定的碳化物致使碳元素的活跃度下降，是以碳元素出现上坡扩散。在碳元素的发生扩散的同时，填充金属中的Cr元素渗透进熔合区与C元素结合，在熔合区附近的组织中沉淀出铬的碳化物并持续生长。在碳元素发生扩散的初始阶段，焊缝中的Cr元素的浓度相对较大，是以碳元素扩散速率较快。伴随填充金属的持续熔化，Cr元素同碳元素不停的结合，生成结构比较稳定的含Cr碳化物，当Cr元素的损耗达到一定比例后，焊缝中的Cr元素浓度降低，碳元素的扩散速率也因此逐步下降。焊缝中的Cr元素同碳元素完全结合生成稳定的合金碳化物组织后，碳迁移现象终止熔合区及焊缝的微观组织置于比较稳定的形态，即形成上述增脱碳层，EDS能谱分析结果与文献一致。

电流分别为 90 A，100 A，115 A，130 A条件下对试板进行金相组织观察得到增脱碳层宽度逐渐增大，与文献所述的研究一致，焊接电流越大，熔池温度越高，液体的流动性增强，搅拌作用增加，增脱碳层的宽度相对是一个增大的过程。通过实验验证，碳元素在增脱碳层区域中的扩散和焊接电流息息相关，电流越大熔合区温度越高，扩散速率越大，增脱碳层也就越明显。

为了降低母材熔合区附近的碳迁移，施焊过程中对于填充金属的选用就成为主要的参考标准。文献[15-17]通过比对不同焊接材料进行异种金属的焊接发现合金元素Ni对降低焊接接头中的碳迁移起有利作用，这是因为Ni元素对碳有较大的溶解度，又由于Ni元素能够增加微观组织发生石墨化，使得含Cr碳化物的稳定性有所下降，减弱了强碳化物形成元素像Cr元素同碳元素的结合能力，是以本实验选取的是ER2510焊条，其Ni的含量高于母材中Ni的含量，熔池金属组织也与母材组织相近，而且避免了焊后热处理达到减少碳元素迁移的目的，大大延长焊接接头的的使用寿命。

图5 碳迁移过渡层显微组织

3 结论

1）通过EDS能谱扫描对第二类边界化学成分分析得知，第二类边界中含有大量的Fe、Cr和少量的Ni、Mo、Mn等合金元素，没有发现碳元素的存在，说明第二类边界是由 Fe、Cr、Ni、Mo、Mn等合金元素构成的金属间化合物。

2）通过EDS能谱扫描对增、脱碳层化学成分分析得知，在增、脱碳层中发现少量的Cr元素，有些区域还会有微量的Ni元素，增碳层的组织中存在碳化物脆性相。

3）随着焊接电流在有效范围内的增大，增、脱碳层的宽度增大，焊缝的耐腐蚀性下降。

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