不同焊丝TIG 焊SUS316L/15CrMo异种钢接头的显微组织与力学性能

2023-12-05李亚杰黄爱颐

机械工程材料 2023年10期

李亚杰 ,刘涛 ,洪磊 ,洪亮 ,黄爱颐

(1.江苏理工学院材料工程学院,常州 213001;2.江苏贝特管件有限责任公司,泰州 225500;3.江苏省特种设备安全监督检验研究院泰州分院,泰州 225599)

0 引言

SUS316L奥氏体不锈钢具有良好的塑韧性,较高的抗拉强度以及良好的耐高温酸性介质腐蚀能力,广泛应用于化工制药、航空航天、能源运输、火力发电等领域[1-2]。15CrMo珠光体低合金钢具有良好的蠕变断裂性能、抗高温断裂性能、抗氧化性能和耐腐蚀性能,广泛应用于石油化工、火力发电等领域[3-4]。在制造机械设备时,常需要对不同材料制成的部件进行连接,例如锅炉中15CrMo钢集热器与SUS316L钢再热器管的连接[5-6],因此异种材料焊接工艺的研究意义重大。15CrMo 低合金钢和SUS316L奥氏体不锈钢的异种钢焊接接头已在亚临界火电机组中得到广泛应用。然而,SUS316L钢和15CrMo钢除了化学成分存在差异,物理性能如线膨胀系数、热导率等也存在较大差异[7],这些差异不仅会导致二者焊接时在熔合线附近区域产生脆性金属化合物,还会形成裂纹等焊接缺陷[8-9]。因此,有必要进一步对SUS316L/15CrMo异种钢焊接工艺参数和方法进行研究。

焊丝显著影响着焊接接头的抗拉强度、塑韧性以及焊接缺陷的产生,决定着整个焊接接头的质量[6]。选择合适的焊丝,可以有效改善异种钢焊接因材料差异而产生的问题,从而提升接头的力学性能。目前,SUS316L钢和15CrMo钢之间的焊接普遍使用的焊丝是不锈钢焊丝[3]。不锈钢焊丝的成分和性能接近于SUS316L钢,但与低合金钢之间存在较大差别,容易产生热裂纹、气孔等焊接缺陷[6]。因此,有学者开始尝试选用成分介于15CrMo钢和奥氏体不锈钢之间的镍基合金焊丝对2种钢进行焊接。为了比较2种焊丝的适用性,作者选用ER309不锈钢焊丝和ERNiCrMo-3镍基合金焊丝,采用钨极惰性气体保护焊(TIG),对SUS316L 钢和15CrMo钢进行对接多道焊,对比了2种焊丝焊接接头的显微组织和力学性能,拟为SUS316L/15CrMo异种钢焊接焊丝的选择提供参考。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验用母材为15CrMo珠光体低合金钢板和SUS316L 奥氏体不锈钢板,尺寸均为150 mm×75 mm×10 mm,供货状态为热轧态;焊接材料分别为ERNiCrMo-3镍基合金焊丝和ER309不锈钢焊丝,直径均为2.4 mm。母材和焊丝均由江苏贝特管件有限责任公司提供,化学成分如表1所示。根据铬、镍当量计算公式[10],得到15CrMo 钢和SUS316L钢的铬镍当量比分别为0.94,1.68;按照30%稀释率计算,采用ER309焊丝和ERNiCrMo-3焊丝形成的焊缝的铬镍当量比分别为1.63,0.51。

为保证焊接质量,焊前使用角磨机和丙酮去除钢板表面的氧化膜与油渍。钢板开V 型坡口(带钝边,尺寸为1.5 mm),坡口角度为75°,根部间隙为1.5 mm,使用Precision TIG型GTAW 焊机进行三层单道对接焊,使用氧-乙炔火焰对钢板进行预热和层间保温,预热和层间保温温度分别为200,250 ℃;焊接速度为80～90 mm·min-1,氩气流量为15 L·min-1,焊接电流为145～155 A,焊接电压为16.2 V,热输入为0.939～1.096 kJ·mm-1。

1.2 试验方法

采用D8 Advance型X射线衍射仪(XRD)对焊缝进行物相分析,扫描范围为20°～100°,扫描速率为4(°)·min-1。在焊接接头上取样,经打磨、抛光,分别使用质量分数为6%的FeCl3溶液、王水、质量分数为4%的硝酸乙醇溶液对焊缝、热影响区、SUS316L钢母材和15CrMo钢母材腐蚀后,采用Olympus ModelBX51型光学显微镜(OM)和Sigma500型扫描电镜(SEM)观察显微组织,采用X-MaxN80型能谱仪(EDS)进行微区成分分析。利用HVS-100B型数显转塔式显微硬度计测试硬度,相邻点之间的距离为0.5 mm,加载力为4.9 N,保载时间为13 s。采用电火花线切割机以焊缝为中心切取如图1所示的拉伸试样,标距为15 mm,采用WDW3200型万能拉伸试验机在室温环境下进行拉伸试验,拉伸速度为2 mm·min-1,采用Sigma500型扫描电镜观察拉伸断口形貌。

图1 拉伸试样的形状和尺寸Fig.1 Shape and size of tensile sample

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图2可见:在采用ERNiCrMo-3焊丝制备的焊接接头中,15CrMo钢侧可以分为焊缝区、熔合区、粗晶热影响区、细晶热影响区、临界热影响区和母材区6个区域。15CrMo钢母材的显微组织为黑色珠光体与白色铁素体;与焊缝距离较近的粗晶热影响区由于受焊接高温影响较大,形成了脆硬的马氏体和贝氏体组织,组织明显粗化;距离焊缝较远的细晶热影响区在较低的焊接循环热影响下发生回火分解,形成细小的铁素体和粒状贝氏体组织;与母材相邻的临界热影响区受焊接循环热影响较小,只发生部分相变重结晶,形成铁素体和回火索氏体组织,晶粒尺寸与母材相比未发生明显变化。在采用ER309焊丝制备的焊接接头中,在15CrMo钢侧热影响区观察到了类似的显微组织和晶粒尺寸。

图2 采用ERNiCrMo-3焊丝焊接接头15CrMo钢侧不同区域的OM 形貌Fig.2 OM morphology of different areas on 15CrMo steel side of welded joint with ERNiCrMo-3 welding wire：（a）low magnification morphology；（b）base mateal；（c）coarse-grained heat affected zone；（d）fine-grained heat affected zone and（e）critical heat affected zone

由图3可见:在采用ERNiCrMo-3焊丝制备的焊接接头中,SUS316L钢侧可分为焊缝区、热影响区和母材区3个区域。SUS316L钢母材为典型的多边形奥氏体晶粒和退火孪晶组织。热影响区的显微组织由长条状δ铁素体和多边形奥氏体晶粒组成,其宽度在100～200 μm,比15CrMo钢侧热影响区(约1 000 μm)窄,主要原因是SUS316L钢的热导率较低;条状δ铁素体主要存在于靠近熔合区的热影响区中,其铬、镍元素的含量较高。当熔池边界铬和镍的当量比较高时,在熔池边界处往往会形成δ铁素体;δ铁素体的生成可以抑制热影响区的液化开裂[10]。在采用ER309焊丝制备的焊接接头中,于316L钢侧热影响区观察到了相似的显微组织。

图3 采用ERNiCrMo-3焊丝焊接接头SUS316L钢侧的形貌和EDS分析结果Fig.3 Morphology（a-b）and EDS analysis result（b）on SUS316L steel side of welded joint with ERNiCrMo-3 welding wire：（a）OM morphology and（b）SEM morphology

由图4可知:无论使用ER309焊丝还是ERNiCrMo-3焊丝,在15CrMo钢侧焊接边界区域内的铁、铬、镍、钼元素含量均发生了变化;采用ER309焊丝焊接后,在15CrMo钢侧焊缝的碳含量较热影响区有所增加,而热影响区中的碳含量较离焊缝侧较远的母材有所减少,说明的碳元素向焊缝中发生了迁移;而在采用ERNiCrMo-3 焊丝焊接的接头中,15CrMo钢侧焊缝区的碳含量未发生明显变化,说明碳元素未发生迁移。由此可知,采用铬和镍含量较高的ERNiCrMo-3 焊丝对SUS316L 钢和15CrMo钢进行焊接可以有效抑制15CrMo钢中碳元素向熔池中的迁移。

图4 采用ER309和ERNiCrMo-3焊丝焊接接头15CrMo钢侧的EDS线扫描结果Fig.4 EDS linear scanning results on 15CrMo steel side of joint welded with ER309（a，c）and ERNiCrMo-3（b，d）welding wires：（a-b）linear scanning results of different elements and（c-d）linear scanning results of carbon element

由图5可以看出:采用ERNiCrMo-3焊丝焊接接头的焊缝组织为胞状奥氏体组织,采用ER309焊丝焊接接头的焊缝组织为骨架状铁素体和奥氏体组织。由前文可知,采用ERNiCrMo-3和ER309焊丝焊接接头的铬镍当量比分别为0.51,1.63,根据舍弗勒相图[11],焊缝的凝固模式为奥氏体(A)模式和铁素体-奥氏体(FA)模式,因此分别形成了完全奥氏体组织和铁素体+奥氏体组织。在FA凝固模式下,铁素体作为初始析出相凝固,呈骨架状,而奥氏体随后通过包晶-共晶反应生成。放大后可以看出,采用ERNiCrMo-3焊丝焊接的接头焊缝中,奥氏体包含枝晶间和枝晶干2种结构,奥氏体基体上还出现了富含铌、钼等元素的条状白色析出相。结合图6分析可知,富含铌、钼等元素的析出相为Laves相[12]。

图5 采用ERNiCrMo-3和ER309焊丝焊接接头焊缝的显微组织以及析出相的形貌和EDS谱Fig.5 Microstructures（a-c）and morphology（d）and EDS pattern（e）of precipitated phase in weld seam of joints welded with ERNiCrMo-3（a，c-e）and ER309（b）welding wires

图6 采用ERNiCrMo-3和ER309焊丝焊接接头焊缝的XRD谱Fig.6 XRD patterns of weld seam of joints welded with ERNiCrMo-3 and ER309 welding wires

2.2 拉伸性能

由图7可以看出,采用ERNICrMo-3焊丝焊接的接头的抗拉强度和断后伸长率分别为514.5 MPa和22.3%,高于采用ER309 焊丝的焊接接头(478.1 MPa和20.2%),分别提高约7%和10%。

由图8 可见:2 种焊丝焊接接头拉伸时均在15CrMo钢侧热影响区发生断裂,拉伸断口均出现颈缩现象,这表明接头在拉伸断裂过程中出现了较大的塑性变形,发生了韧性断裂;2种焊丝焊接接头微观断口均观察到了韧窝,说明接头的断裂机制为微孔聚集型韧性断裂;采用ERNiCrMo-3焊丝时拉伸断口上的韧窝数量较多,深度较深且分布更均匀,而采用ER309焊丝时韧窝数量较少,深度较浅,分布较不均匀,并且断口上还出现了数量较多的解理台阶。由此可见,采用ERNiCrMo-3焊丝制备的焊接接头可以获得更大的抗拉强度与塑性变形能力。

图8 不同焊丝焊接接头拉伸试样的宏观断裂形貌和拉伸断口微观形貌Fig.8 Macroscopic fracture morphology of tensile specimens（a）and micromorphology of tensile fracture（b-c）of joints welded with different welding wires：（b）ERNiCrMo-3 welding wire and（c）ER309 welding wire

在焊接过程中,受焊接热循环的影响,15CrMo钢侧的粗晶热影响区被加热到奥氏体转变结束温度Ac3以上,组织完全奥氏体化并且晶粒尺寸增大,在冷却过程中,形成粗大的贝氏体和马氏体组织。粗大且脆硬的马氏体和贝氏体的形成导致15CrMo钢侧热影响区的脆性增加,韧性减弱,因此拉伸时在此处发生断裂。试验用15CrMo钢母材的碳含量高于ER309和ERNiCrMo-3焊丝,在焊接过程中母材中的碳会向焊缝发生迁移,从而削弱了接头的力学性能[11,13-15]。但是,ERNiCrMo-3焊丝含有较高含量的铬和镍元素,可以抑制碳迁移[16],因此采用ERNiCrMo-3焊丝制备的焊接接头比采用ER309焊丝的接头具有更高的抗拉强度和断后伸长率。

2.3 显微硬度

由图9可知:2种焊丝焊接接头的硬度均在15CrMo钢侧热影响区急剧增加,整体硬度变化趋势相似,只是采用ERNiCrMo-3焊丝时的焊缝硬度略高于采用ER309焊丝时的焊缝硬度。15CrMo钢和SUS316L钢的硬度均约为180 HV。15CrMo钢侧临界热影响区由于发生部分相变重结晶,形成铁素体和回火索氏体混合组织,其硬度升至约210 HV;细晶热影响区则由于发生完全相变重结晶,形成贝氏体和细小铁素体晶粒,硬度升至约262 HV;粗晶热影响区受焊接热循环影响最大,形成了脆硬的贝氏体和马氏体组织,其硬度最高,约为293 HV。相较于ER309焊丝,采用ERNiCrMo-3焊丝形成的焊缝中的奥氏体晶粒上析出了富含铌和钼元素的Laves相,因此焊缝平均硬度提高了约30 HV[17-18]。