06Cr20Ni11钢埋弧焊焊缝的显微组织和性能

2020-03-04越1李亚军2容1龚利华1王正云

机械工程材料 2020年2期

杨越1，李亚军2，郭容1，龚利华1，王正云

(1.宜宾职业技术学院现代制造工程系，宜宾 644003； 2.中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司，成都 610100； 3.西华大学材料科学与工程学院，成都 610039)

0 引言

奥氏体不锈钢是目前应用最广泛的不锈钢之一。焊接是设备安装制造的一道关键工序，奥氏体不锈钢结构件通常也需要经过焊接成型，但其线膨胀系数大、热导率小，在传统焊接过程中的高温停留时间长，接头易产生焊接变形、裂纹等缺陷[1]。目前，国内外学者对不锈钢焊接工艺和接头性能进行了大量研究。刘海祥等[2]研究发现，钨极氩弧焊得到的304不锈钢焊接接头的晶粒比手工电弧焊的细小，抗拉强度和硬度更高；张绍棋等[3]研究发现，随着埋弧焊剂中MnO含量的增加，18-8不锈钢焊接接头组织中的铁素体含量先增加后减少；杨瑞成等[4]研究发现，热轧410S不锈钢板采用钨极氩弧焊焊接后，其热影响区、母材和焊缝的晶间腐蚀倾向依次减小；VINOTH等[5]研究发现，在SUS 304HCu不锈钢中添加质量分数3%的铜元素后，虽然其焊接接头力学性能有所降低，但高温蠕变性能提高，晶间腐蚀倾向减小。

埋弧焊是电弧在焊剂覆盖下，在焊丝与母材间燃烧的一种熔焊方法，与手工电弧焊、钨极氩弧焊、搅拌摩擦焊等焊接方法相比，其操作环境好，焊缝成形美观、质量好，生产效率高，投入成本低。06Cr20Ni11钢是一种强度高、塑性好、耐腐蚀和耐氧化性能优良的奥氏体不锈钢，广泛应用于石油管道、化工容器、仪表仪器、航空、船舶、汽车和核电等领域[6-10]。然而，目前关于06Cr20Ni11不锈钢埋弧焊接接头组织和性能的研究报道较少。因此，作者对06Cr20Ni11钢进行了埋弧焊试验，研究了其焊接接头焊缝的组织、力学性能和耐晶间腐蚀性能，以期为奥氏体不锈钢的现场焊接提供一定的理论指导。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验母材为山西太钢不锈钢股份有限公司提供的厚度为20 mm的热轧态06Cr20Ni11钢板，其化学成分和力学性能分别如表1和表2所示。焊材为哈尔滨威尔焊接有限责任公司提供的SJ601A焊剂和HS308L不锈钢焊丝(直径3.2 mm)。将母材加工成尺寸为400 mm×150 mm×20 mm的待焊试样，开坡口，坡口形式为V型(带垫板)，坡口角度为20°，接头形式为对接接头，根部间隙为16 mm。垫板材料与母材相同，尺寸为450 mm×30 mm×10 mm。待焊试样和坡口的形状与尺寸如图1所示。

表1 06Cr20Ni11钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of 06Cr20Ni11 steel (mass) %

表2 06Cr20Ni11钢的力学性能Table 2 Mechanical properties of 06Cr20Ni11 steel

图1 焊接试样和坡口的形状与尺寸Fig.1 Shape and size of welding sample and groove

按照GB/T 17854-2018并借鉴产品实际焊接经验，采用MZE-1250型交直流两用自动埋弧焊机进行7层14道堆焊，焊丝干伸长为26～32 mm，焊剂堆高为34～40 mm。采用直流反接工艺，焊接电流为480～510 A，焊接电压为28～30 V，焊接速度为36～38 cm·min-1，焊前预热温度为80～120 ℃，道间温度不超过150 ℃。

图2 焊接接头取样位置示意Fig.2 Diagram of sampling positions of welded joint

1.2 试验方法

焊接接头上不同试样的取样位置如图2所示。按照GB/T 2652-2008，在焊缝上沿纵向加工出尺寸为φ10 mm×50 mm的标准试样，在WAW-300C型30 t微机控制电液伺服万能试验机上进行拉伸试验，拉伸速度为2.8 mm·min-1；按照GB/T 2650-2008，以焊缝为中心横向加工出3个尺寸为55 mm×10 mm×10 mm的冲击试样，开V型缺口，缺口角度为45°，深度为2.0 mm，在JBW-300B型摆锤式冲击试验机上进行室温冲击试验，采用EVO18型扫描电镜(SEM)观察断口形貌。按照GB/T 2653-2008，以焊缝为中心横向加工出4个尺寸为300 mm×20 mm×10 mm的试样，在LWC2000型程控板材连续弯曲试验机上进行侧弯试验，弯曲直径为40 mm，弯曲角度为180°。采用M5000 CCD型全谱火花直读光谱仪对焊缝金属进行化学成分分析。采用SZSG-SP10A型铁素体测量仪测定焊缝组织中的铁素体含量。按照GB/T 13298-2015，使用三氯化铁盐酸水溶液(25 g FeCl3+250 mL HCl+500 mL H2O)对焊缝试样进行浸蚀，采用Olympus-Tokyo型光学显微镜观察显微组织。按照GB/T 4334-2008中规定的E法进行焊缝金属晶间腐蚀试验，即将焊缝试样在680 ℃保温1 h进行敏化处理后，加工出2个尺寸为80 mm×10 mm×4 mm的试样，置于16%(质量分数，下同)硫酸-10%硫酸铜溶液中，在微沸状态保持16 h进行腐蚀。将此晶间腐蚀试样清洗、干燥后进行弯曲试验，弯曲角度为180°，使用10倍放大镜观察弯曲后试样的外表面形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 工艺性能和接头质量

埋弧焊材SJ601A/HS308L在焊接过程中工艺性能良好，脱渣容易，电弧燃烧稳定。焊缝成形美观，焊缝表面没有黏渣、气孔和压坑等缺陷，如图3所示。X射线探伤检测结果为Ⅰ级焊缝，说明焊接质量合格。

图3 06Cr20Ni11钢埋弧焊焊缝的宏观形貌Fig.3 Macromorphology of weld of 06Cr20Ni11 steel after submerged arc welding

2.2 化学成分和铁素体含量

由表3可知，焊缝各元素含量均符合GB/T 17854-2018的要求，其中杂质元素硫和磷含量较低，这为焊缝金属良好的强度和韧性提供了保证。

表3 埋弧焊接后06Cr20Ni11钢焊缝的化学成分(质量分数)Table 3 Chemical composition of weld of 06Cr20Ni11 steel after submerged arc welding (mass ) %

焊缝组织中δ铁素体体积分数为9.2%，符合5%～15%的标准要求。

2.3 显微组织

由图4可知，焊缝组织呈枝晶状分布，由奥氏体和少量δ铁素体组成，其中白色区域为奥氏体，黑色区域为δ铁素体。

图4 埋弧焊接后06Cr20Ni11钢焊缝的显微组织Fig.4 Microstructure of weld of 06Cr20Ni11 steel after submerged arc welding：(a) at low magnification and (b) at high magnification

2.4 力学性能及断口形貌

由表4可知：焊缝金属的室温强度和断后伸长率均满足GB/T 17854-2018的要求；室温冲击吸收能量达到80 J以上，富余量较大且测试值比较集中，说明焊缝金属具有良好的韧性，且耐冲击性能比较稳定；侧弯试样弯曲180°后表面均无裂纹，测试结果合格。由图5可以看出，焊缝冲击断口表面具有大量韧窝，表现为韧性断裂。在冲击载荷作用下，焊缝中的裂纹沿着晶界扩展时，需克服较大的塑性变形，因此需要更多的能量,较高的冲击吸收能量恰好说明了这一点。

表4 埋弧焊接后06Cr20Ni11钢焊缝的力学性能Table 4 Mechanical properties of weld of 06Cr20Ni11 steel after submerged arc welding

图5 焊缝金属冲击试样的断口形貌Fig.5 Fracture morphology of weld metal impact sample：(a) at low magnification and (b) at high magnification

2.5 耐晶间腐蚀性能

由图6可知，晶间腐蚀试样经180°弯曲试验后，其外表面均没有出现裂纹，说明焊缝金属没有晶间腐蚀倾向，具有良好的耐晶间腐蚀性能。

图6 晶间腐蚀并弯曲后焊缝试样的宏观形貌Fig.6 Macromorphology of weld samples after intergranular corrosion and bending

2.6 分析与讨论

研究[11-12]表明，奥氏体不锈钢在冷却过程中的凝固模式包括全奥氏体(A)模式、铁素体-奥氏体(FA)模式、奥氏体-铁素体(AF)模式和全铁素体(F)模式，当δ铁素体体积分数在4%～12%时，其凝固模式为FA。以该模式冷却凝固时，熔融金属中先结晶析出δ铁素体，随后发生包晶-共晶反应形成奥氏体，没有转变成奥氏体的残留δ铁素体存在于枝晶干中心。这些奥氏体和铁素体组成的混合相可以阻止液态薄膜的浸润和铺展，使裂纹必须沿着生成的晶粒的弯曲边界扩展，从而提高金属抗凝固裂纹的能力。试验制备的焊缝金属δ铁素体体积分数为9.2%，呈枝晶状分布，符合FA凝固模式。另外，在焊接熔池冷却过程中，δ铁素体能溶解较多的硫和磷元素，减少这些元素在晶界处的聚集、偏析以及低熔点共晶物Ni3S2-Ni、Ni3P-Ni的生成[13-15]。铁素体中的铬含量大于奥氏体中的，在冷却过程中铁素体中的铬会及时析出，弥补晶界处较低的铬含量，减少晶间贫铬区的形成，从而提高焊缝的抗晶间腐蚀能力[16]。06Cr20Ni11钢埋弧焊接后良好的耐晶间腐蚀性能也说明了这一点。