双相钢埋弧焊接头组织性能研究

崔卫则 李 青 郭 帅 秦永强 郭 青 贾江鹏 曹一龙

双相钢埋弧焊接头组织性能研究

崔卫则 李 青 郭 帅 秦永强 郭 青 贾江鹏 曹一龙

（山西航天清华装备有限责任公司，长治 046012）

通过对双相钢SAF2507进行埋弧焊试验，研究了不同焊接热输入对接头的组织转变、相比例、显微硬度和冲击性能的影响。结果表明：随着焊接热输入的增加，热影响区组织中铁素体向奥氏体转变更加充分，奥氏体含量不断增加且组织变得粗大，且随着析出相的出现导致显微硬度值增高及冲击值下降。推荐在埋弧焊焊接双相钢时优先采用焊接热输入为1.24kJ/mm的焊接工艺参数。

双相钢；埋弧焊；焊接热输入；热影响区

1 引言

双相钢具有优良的耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀性能，且是一种节镍型不锈钢，在航空航天、石油化工、海洋等行业有广泛应用前景[1]。在航空与航天工业中双相钢S32550（UR52N+）主要用于制造飞行加速器、宇宙飞舱、飞机的弹射器等。焊接是双相钢生产制造中的重要加工工艺，然而焊接SAF2507的关键技术问题是焊接热影响区双相比例失衡以及接头的力学性能下降。近年，熊庆人等学者[2～4]对双相钢焊接工艺进行了深入研究，探讨了不同焊接方法对双相钢焊接热影响区组织及耐腐蚀性能的影响。西安向阳航天材料股份有限公司张立君等[5]进行了双相钢双金属复合管的焊接工艺研究。然而对双相钢埋弧焊接工艺及接头组织性能研究较少。本文通过埋弧焊试验，研究不同焊接热输入对焊接热影响区组织变化及性能影响。

2 试验材料及方法

2.1 母材、焊材化学成分

焊材选用与母材金属成分接近的E2594Ni基焊丝和HJ260焊剂，它们可以有效提高焊缝金属中奥氏体化合金元素含量。母材、焊丝、焊剂的化学成分见表1。

表1 母材焊材的化学成分（质量分数，%）

2.2 焊接工艺参数制定

对接试板尺寸为135mm×500mm×10mm，钢板供货状态为热轧态。使用MZ-1000IV埋弧焊机进行焊接，焊接参数见表2。注意控制层间温度不要超过150℃。一般情况下，焊接双相钢的焊接热输入要求在0.2～1.5kJ/mm之间[6]，对于埋弧焊，为了避免因冷却速度过快导致的奥氏体含量不足，它的焊接热输入应尽量选取上限值。

焊接热输入计算公式为：

=××/

式中：是焊接热输入，kJ/mm；是电流，A；是电压，V；是焊度，mm/s；是热效率系数，埋弧焊热效率系数为0.92。

表2 SAW焊接工艺参数

2.3 焊前准备

焊丝与焊剂都会参与熔池的化学冶金反应，这会直接导致焊接接头成分、组织及性能的变化。因此，焊前必须对焊丝焊剂进行清理并烘干，对坡口及母材表面（宽度20～30mm）进行清理。参考埋弧焊焊缝坡口的基本形式和尺寸的相关标准，选用Y型坡口，对接坡口角度为60°，如图1所示。

图1 埋弧焊Y型坡口

3 组织观察及力学性能检测

3.1 金相组织观察

金相侵蚀实验按照ASTM A923-01《奥氏体-铁素体双相钢轧材中有害金属间相的标准试验方法》执行。腐蚀液为FeCl3溶液，具体配方是FeCl310g，盐酸30ml，水120ml。试验温度为室温，侵蚀时轻度擦拭30s左右即可。金相观察采用Axio Image立式金相显微镜。

3.2 相比例测试及显微硬度试验

相比例测试按照标准GB/T6401—1986执行，通过图像分析软件Image-ProPlus6.0测量相比例。测量时，在每一区域选取10个不同视场进行数据记录，通过误差计算，最终确定该组织所占相比例。使用显微硬度计按照标准GB/2654—2008《焊接接头硬度试验方法》对接头焊缝区和热影响区进行显微硬度测试。每个区域取多点测试并取其平均值确定其显微硬度值。

3.3 夏比冲击试验

使用冲击试验机按照标准GB/T229—2007 《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行冲击试验。试验采用6mm×10mm×55mm标准V型缺口夏比冲击试样，在室温进行试验。试样形状及尺寸见图2。

图2 夏比（V 型缺口）冲击试验试样尺寸

4 结果及分析

4.1 金相组织及相比例分析

图3是不同焊接热输入下接头组织，由铁素体（α）和奥氏体（γ）组成，其中黑色组织为铁素体，白色条块状组织为奥氏体。焊接焊接热输入为1.03kJ/mm时（图3a），组织形貌与母材的组织相似，但两相相比例不同于母材，其奥氏体含量略低。这是由于焊接过程热输入相对较小，加热阶段高温停留时间较短，基体双相组织中奥氏体只有较少一部分转变为铁素体；当冷却时，铁素体向奥氏体转变也不充分，至室温时组织形貌与母材相似。焊接焊接热输入为1.24kJ/mm时（图3b），由于焊接热输入较大，冷却时间增加，该组织形貌发生了些许变化，奥氏体组织由基体时长条状转变成粗大的条块状，树枝状奥氏体组织从粗大铁素体组织晶界和晶内逐渐析出，同时奥氏体含量增多，奥氏体相比例为50.26%。焊接焊接热输入为1.47kJ/mm时（图3c），奥氏体形貌呈现为连续条块状，两相边界更加明显，奥氏体相比例增多为58.18%。

以上结果表明，接头组织经过不同的焊接热输入焊接后，组织形貌分布与母材逐渐有了很大区别。特别是经高温加热后，奥氏体组织随着冷却时间的延长，由原来的长条状变成粗大条块状，从铁素体晶界和晶内会析出更多的奥氏体。由表3相比例分析可知，热影响区组织内铁素体的含量随着焊接热输入的增加不断减少，相应的奥氏体含量增多。这主要是由于冷却时间延长促使铁素体向奥氏体的转变，并提高了奥氏体含量。综上所述，随着焊接热输入增加及冷却时间延长，会促使焊接热影响区组织中铁素体向奥氏体转变，奥氏体含量增加的同时组织变得粗大；相比较三种焊接热输入，当焊接热输入为1.24kJ/mm时，组织相对较为细小，双相比例合适，且析出相很少。

图3 不同焊接热输入下HAZ组织

表3 不同焊接热输入相比例 %

4.2 显微硬度分析

图4 不同焊接热输入的横向显微硬度值

焊接接头不同区域组织显微硬度值与其组织微观结构有着密切关系。通过对接头组织进行显微硬度测试，制定了不同焊接热输入下同一位置横向显微硬度曲线图，如图4所示。分析可知，随着焊接热输入增加，热影响区组织的显微硬度值增高。这主要是因为随着焊接热输入的增加，高温停留时间延长，铁素体相向奥氏体相转变加快，这促进了析出相（尤其是σ相）的析出，σ相是一种硬度高的金属间相，其平均显微硬度可达900HV，要远远大于铁素体组织和奥氏体组织的平均显微硬度值。

4.3 室温韧性冲击性能检测

图5是焊接接头母材（BM）、焊缝（WM）、热影响区（HAZ）和熔合线（FL）在室温时（20℃）的冲击值。由图5可知，在相同焊接热输入时（即同一试件），熔合线处平均冲击值最低，热影响区和焊缝区居中，母材处最高；随着焊接热输入的增加，热影响区处平均冲击值下降。这主要是因为，随着焊接过程热输入增加，高温加热区域停留时间长，热影响区的粗晶区范围加大，同时铁素体组织变得粗大，并且伴有析出相的产生，尤其是σ相，它会显著地降低接头的塑韧性。

图5 不同焊接热输入焊接接头室温下（20℃）冲击韧性

5 结束语

a. 随着焊接热输入增加，接头组织中奥氏体由原来的长条状变成粗大条块状，且铁素体含量在不断减少，奥氏体相和析出相（尤其是σ相）含量不断增多；

b. 随着焊接热输入增加，析出相（尤其是σ相）的析出导致热影响区组织的显微硬度值增高；

c. 随着焊接热输入的增加，析出相（尤其是σ相）的析出，导致热影响区处平均冲击值下降；

d. 推荐在埋弧焊焊接双相钢时优先采用焊接热输入为1.24kJ/mm的焊接工艺参数。

1 高娃，罗建明，杨建君，等. 双相不锈钢研究进展及应用[J]. 兵器材料科学与工程，2005，28(3)：61～64

2 熊庆人，霍春勇，李为卫，等. 2205双相钢焊接热影响区的组织转变行为[J]. 焊接学报，2007，28(11)：53～57

3 Sathirachinda N, Pettersson R, Pan J. Depletion effects at phase boundaries in 2205 duplex stainless steel characterized with SKPFM and TEM/EDS[J]. Corros. Sci. 2009, 51: 1850～1860

4 Yang Yinhui, Yan Biao, Li Jie, et al. The effect of large heat input on the microstructure and corrosion behavior of simulated heat affected zone in 2205 duplex stainless steel[J]. Corros. Sci. 2011, 53: 3756～3763

5 张立君，张燕飞，郭崇晓，等. 2205双相不锈钢双金属复合管焊接工艺研究[J]. 焊管，2009，32(4)：30～34

6 [美]利波尔德，[美]科特基. 不锈钢焊接冶金及焊接性[M]. 陈剑虹译. 北京：机械工业出版社，2008

Study on Properties of Duplex Stainless Steel Welding Joint Based on Submerged Arc Welding Steel

Cui Weize Li Qing Guo Shuai Qin Yongqiang Guo Qing Jia Jiangpeng Cao Yilong

(Shanxi Aerospace Qinghua Equipment Co., Ltd., Changzhi 046012)

Various welding heat inputs influence the properties of the stainless welding joint, including microstructure transition, phase proportion, microhardness and impact performance (toughness). The study on properties of duplex stainless steel SAF 2507 welding joint based on submerged arc welding were researched in this paper. The results indicated that with the increasing of welding heat input, the ferrite of HAZ transformed to austenite more sufficiently. The austenite increased and became more coarser, and the microhardness value increased while the impact toughness decreased with the appearance of precipitated phase. The welding heat input of 1.24kJ/mm is preferred to the duplex stainless steel submerged arc welding.

duplex stainless steel；SAW；welding heat input；HAZ

崔卫则（1988），工程师，材料加工专业；研究方向：不锈钢焊接。

2020-03-06