代緒成１,陳 強(qiáng)１,仝明磊２,張秀荷１

[１．海洋石油工程股份有限公司,青島 ２６６５２０;２．海洋石油工程(青島)有限公司,青島 ２６６５２０]

摘 要:采用手工電弧焊(SMAW)對 UNS３１８０３雙相不銹鋼進(jìn)行焊接,通過金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能試驗(yàn)、硬度測試、耐蝕性能試驗(yàn)等方法對 UNS３１８０３雙相不銹鋼手工電弧焊接接頭的顯微組織和性能進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:采用適當(dāng)?shù)暮附庸に噮?shù)進(jìn)行焊接,所得到的焊縫顯微組織為鐵素體＋奧氏體,無 σ相析出;焊接接頭具有優(yōu)良的力學(xué)性能;焊縫和熱影響區(qū)的鐵素體含量均在３５％~６５％(體積分?jǐn)?shù))的合理范圍內(nèi);在２２ ℃的６％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))FeCl３ 溶液中,焊接接頭的不同區(qū)域均具有良好的耐蝕性能.

雙相不銹鋼是指組織中鐵素體和奧氏體各占約 ５０％(體積分?jǐn)?shù))的不銹鋼[１],兼有鐵素體不銹鋼和 奧氏體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn),其強(qiáng)度優(yōu)于奧氏體不銹鋼的, 韌性優(yōu)于鐵素體不銹鋼的[２].

雙相不銹鋼由于具有 良好的力學(xué)性能、焊接性能和優(yōu)異的耐蝕性能,廣泛 應(yīng)用于海洋工程、石油化工、特種船舶、核電和建筑等重要行業(yè)[３Ｇ５].雙相不銹鋼焊接的最大特點(diǎn)是在焊接熱循環(huán)的作用下,焊接接頭尤其是熱影響區(qū)的顯微組織會發(fā)生一系列復(fù)雜的變化[６],進(jìn)而很大程度上影響焊接接頭的力學(xué)性能和耐蝕性能。

因此雙相不銹鋼焊接需要解決的核心問題,一是使熱影響區(qū)和焊縫中鐵素體和奧氏體保持合適的 比例,二是要防止焊后冷卻過程 中 碳 化 物 和 金 屬 間 相 (主 要 是 σ 相)的 析出[７Ｇ８].筆者通過選取合理的手工電弧焊焊接工藝參數(shù)對 UNS３１８０３雙相不銹鋼進(jìn)行焊接,并對焊接接頭的顯微組織和性能進(jìn)行分析,為 UNS３１８０３雙相不銹鋼手工電弧焊的現(xiàn)場應(yīng)用提供理論依據(jù).

１ 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

１．１ 試驗(yàn)材料

試 驗(yàn) 材 料 為 ?３００ mm × ２５．４ mm 的UNS３１８０３ 雙 相 不 銹 鋼 管,選 用 ?２．６ mm 的E２２０９Ｇ１６焊條作為焊材,母材和焊條的化 學(xué) 成 分如表１所示.

采用手工電弧焊(SMAW)進(jìn)行焊接,單邊 V 形坡口,坡口角度６０°,鈍邊高度b＝１~２mm,根部間隙寬度c＝２~４mm.在焊接前仔細(xì)打磨坡口表面,并使用丙酮清理坡口表面的油污.

雙相不銹鋼焊接的關(guān)鍵在于如何保證相比例平衡,若熱輸 入 量 過 低,工 件 冷 卻 速 度 過 快,不 利 于α→γ的二次相變,焊縫和熱影響區(qū)會產(chǎn)生過多的鐵素體和氮化物,從而降低焊接接頭的耐蝕性能及韌性[９].若熱輸入量過高,工件冷卻速度過慢,鐵素體組織粗大,焊縫和熱影響區(qū)可能析出σ相,也會使焊接接頭的耐蝕性能及韌性降低[９].因此,焊接時熱輸入量控制在０．５~１．５kJ??mm－１,層間溫度不超過１５０ ℃,具體焊接工藝參數(shù)如表２所示.

１．２ 金相檢驗(yàn)及鐵素體含量測定

根據(jù) ASTM A９２３－１４«檢測雙相奧氏體———鐵素體不銹鋼中有害金屬相的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法»中的方法 A 對金相試樣進(jìn)行粗磨、細(xì)磨、拋光,然后將試樣放在９０~９３ ℃的鐵氰化鉀堿性溶液(３０gKOH＋３０gK３Fe(CN)６ ＋１００ mL H２O)中進(jìn)行著色浸蝕,時間約為３min.著色浸蝕后采用 OLY MPUSＧGX５１金相顯微鏡分別觀察焊縫、熱影響區(qū)和母材的顯微組織。

采用 ASTM E５６２－１１«用系統(tǒng)人工點(diǎn)計數(shù)法測定體積分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法»中的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)法,通過人工數(shù)點(diǎn) 法 對 焊 縫、母 材 及 熱 影 響 區(qū) 的 鐵 素 體含量進(jìn)行測量.測試網(wǎng)格包含２５個(５個×５個)等間距的點(diǎn),每個區(qū)域共測試８個視場,合計２００個點(diǎn)。

１．３ 力學(xué)性能試驗(yàn)

１．３．１ 拉伸試驗(yàn)

根據(jù) ASMEBPVCSection Ⅸ－２０１７«焊接、釬焊和粘結(jié)評定»要求,在 WAWＧ１０００C 型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行 ２ 件 拉 伸 試 驗(yàn),拉 伸 試 樣 形 狀 及 尺 寸 如圖１所示,試樣數(shù)量為２件.

１．３．２ 彎曲試驗(yàn)

根 據(jù) ASME BPVC Section Ⅸ － ２０１７,在WDWＧ３００E型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行彎曲試驗(yàn)(側(cè)彎).彎曲壓頭直徑為３８．１mm,彎曲角度為１８０°,彎曲試樣形狀及尺寸如圖２所示,試樣數(shù)量為４件.

１．３．３ 夏比沖擊試驗(yàn)

按照 ASMEBPVCSection Ⅸ－２０１７,在焊接接頭 的 焊 縫、熱 影 響 區(qū) 和 母 材 分 別 取 １０ mm×１０mm×５５mm 的 V 型缺口沖擊試樣各一組(每組３件),在 JBWＧ３００B 型 屏 顯 沖 擊 試 驗(yàn) 機(jī) 上 進(jìn) 行－５０ ℃低溫沖擊試驗(yàn),沖擊試樣形狀及尺寸如圖３所示.

１．４ 硬度測試

采用 VHＧ５A(chǔ)C型維氏硬度計分別在距離試驗(yàn)件上下表面１mm 位置處測量焊縫、熱影響區(qū)和母材３個區(qū)域的維氏硬度,其中焊縫和母材的測點(diǎn)間距為１mm,熱影響區(qū)的測點(diǎn)間距為０．５mm.加載載荷為９８N(１０kgf),加載時間為１５s.

１．５ 耐蝕性能試驗(yàn)

采用線切割法平行于焊接接頭剖面進(jìn)行切割,加工出１５mm×２５mm×５０mm 的試樣３件,并用１０００號砂紙對試樣的６個加工面進(jìn)行拋光.根據(jù)ASTM G４８－１５«使用三氯化鐵溶液做不銹鋼及其合金的耐點(diǎn)蝕和抗裂口腐蝕試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法»中的方法 A 進(jìn)行耐蝕性能試驗(yàn),腐蝕液為１０００ mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 為 ６％ 的 FeCl３ 溶 液,試 驗(yàn) 溫 度 為 (２２±２)℃,腐蝕時間為７２h.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與分析

２．１ 組織形貌

２．１．１ 低倍組織

UNS３１８０３雙相不銹鋼焊接接頭的宏觀形貌如圖４所示,可見焊縫表面形貌良好,無明顯氣孔、夾渣、未熔合、裂紋等缺陷.

２．１．２ 顯微組織

圖５ 為 母 材 的 顯 微 組 織 形 貌,由 體 積 比 接 近１∶１的奧氏體(白色)和鐵素體(黑色)雙相組成,且兩相沿鋼管軋制方向呈帶狀交替分布.

焊縫的顯微組織形貌如圖６所示,圖６a)為焊縫蓋面位置組織形貌,圖６b)為焊縫根部位置組織形貌.由圖６可知,焊縫的顯微組織由奧氏體和鐵素體兩相組成,無脆性σ相析出.奧氏體在鐵素體基體上呈針狀分布,奧氏體較為粗大,并有少量碎塊狀奧氏體.比較蓋面和根部處的顯微組織形貌,可見根部的奧氏體含量多于蓋面處的,這是因?yàn)椴捎昧硕鄬佣嗟篮傅墓に?后續(xù)焊道對前層焊道有熱處理作用,促使前層焊道金屬中的鐵素體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成奧氏體[１０Ｇ１１],使奧氏體含量增多.

熱影響區(qū)的顯微組織形貌如圖７所示,可見其由奧氏體和鐵素體兩相組成.奧氏體組織依然保留軋制態(tài)的帶狀組織特征,但帶狀奧氏體在厚度上有所增長,且在靠近焊縫位置出現(xiàn)細(xì)碎的塊狀奧氏體.相比焊縫區(qū)域,熱影響區(qū)的奧氏體含量相對較低.這是因?yàn)樵跓嵊绊憛^(qū)冷卻階段,高溫區(qū)的鐵素體相向奧氏體相的轉(zhuǎn)變是不平衡的,奧氏體相大幅減少[６]

２．２ 鐵素體含量

采用 ASTM E５６２－１１中的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)法,通過人工數(shù)點(diǎn)對各區(qū)域進(jìn)行鐵素體含量測定,各區(qū)域測定結(jié)果見表３.由表３可知,母材、焊縫和熱影響區(qū)的鐵素體平均含量分別為４６．５％、４４．５％和５２．５％,各區(qū)域的鐵素體含量均在３５％~６５％合理范圍內(nèi),這樣的兩相比例有效地保證了焊接接頭具有和母材相近的各項優(yōu)異性能.

２．３ 力學(xué)性能

２．３．１ 拉伸性能

焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為７７０ MPa和７５３MPa, 均高于母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最低值６２０MPa.斷裂位置均位于母材,說明焊縫的抗拉強(qiáng)度高于母材的.

２．３．２ 彎曲性能

焊接接頭彎曲試驗(yàn)為側(cè)彎,彎曲試樣的受拉面無肉眼可見缺陷,且沒有裂紋產(chǎn)生,表明焊接接頭具有良好的延塑性.

２．３．３ 沖擊性能

夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表４所示,焊縫和熱影響區(qū)的沖擊吸收能量均低于母材的.一是由于奧氏體具有優(yōu)良韌性,母材中奧氏體所占比例高,其沖擊韌性相應(yīng)增加;二是焊縫中奧氏體雖與母材含量較為接近,但焊縫中奧氏體呈針狀、顆粒狀分布,對鐵素體基體的割裂作用增大,導(dǎo)致沖擊韌性降低.

２．４ 硬度

圖８為焊接接頭各區(qū)域維氏硬度測試結(jié)果,各區(qū)域硬度值維持在２５０~２８０ HV１０.熱影響區(qū)的硬度均大于母材和焊縫的,這是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)中鐵素體含量大于母材和焊縫的,由于鐵素體的硬度大于奧氏體的,因而熱影響區(qū)的硬度也隨之升高.

單位面積質(zhì)量損失為０．９７５１g??m－２,遠(yuǎn)低于技術(shù)要求的最大單位面積質(zhì)量損失４．０g??m－２.點(diǎn)蝕試驗(yàn)后試樣在放大２００倍光學(xué)顯微鏡下觀察無明顯點(diǎn)蝕坑,如圖９所示.試樣腐蝕前后質(zhì)量基本無變化,且不存在點(diǎn)蝕坑,表明焊接接頭具有良好的耐蝕性能.

２．５ 耐蝕性能

三 氯化鐵點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果見表５,３個試樣的平均單位面積質(zhì)量損失為０．９７５１g??m－２,遠(yuǎn)低于技術(shù)要求的最大單位面積質(zhì)量損失４．０g??m－２.點(diǎn)蝕試驗(yàn)后試樣在放大２００倍光學(xué)顯微鏡下觀察無明顯點(diǎn)蝕坑,如圖９所示.試樣腐蝕前后質(zhì)量基本無變化,且不存在點(diǎn)蝕坑,表明焊接接頭具有良好的耐蝕性能.

３ 結(jié)論

(１)采用SMAW 焊接工藝對 UNS３１８０３雙相不銹鋼管進(jìn)行焊接,所得焊縫外觀質(zhì)量優(yōu)異,并可獲得力學(xué)性能優(yōu)良的焊接接頭.

(２)通過對焊接接頭各區(qū)域顯微組織進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),母材和熱影響區(qū)的奧氏體組織呈帶狀分布,而焊縫的奧氏體組織呈針狀分布,且晶粒較為粗大.母材、焊縫和熱影響區(qū)的鐵素體含量分別為４６．５％、４４．５％和５２．５％,鐵素體和奧氏體兩相比例合理.

(３)雙相不銹鋼焊接接頭的硬度和沖擊韌性與奧氏體含量存在一定關(guān)系,奧氏體含量高,其沖擊韌性好,但硬度也相應(yīng)降低.

(４)焊接接頭的平均點(diǎn)蝕單位面積質(zhì)量損失為０．９７５１g??m－２,試樣腐蝕前后的質(zhì)量基本沒有發(fā)生變化,說明該焊接接頭具有良好的耐蝕性能.

（文章來源-材料與測試網(wǎng)-理化檢驗(yàn)-物理分冊）