浙江至德鋼業(yè)有限公司選取00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼為研究對(duì)象，采用焊條電弧焊和鎢極氬弧焊對(duì)其進(jìn)行焊接，然后觀察接頭組織并測(cè)試接頭的力學(xué)性能。依據(jù)00Cr22Ni5Mo3N的性能主要取決于接頭組織中相比例的特點(diǎn)，對(duì)比焊接工藝方法對(duì)焊縫組織和力學(xué)性能的影響。最后，對(duì)比不同熱處理溫度對(duì)接頭的組織和力學(xué)性能影響。結(jié)果是熱輸入為1.2kJ/mm的氬弧焊焊接工藝可以得到優(yōu)良的焊縫組織和良好的力學(xué)性能，同時(shí)熱影響區(qū)的組織在1050℃固溶處理后組織細(xì)小且分布均勻。

  雙相不銹鋼具有奧氏體不銹鋼的優(yōu)良韌性、良好的加工性、焊接性能以及鐵素體不銹鋼的較高強(qiáng)度和耐氯化物腐蝕的性能，因而被廣泛用于醫(yī)藥、石油化工、建筑和造紙等行業(yè)中。工程上，應(yīng)用最多的雙相不銹鋼是00Cr22Ni5Mo3N雙相鋼。另外，焊接是雙相不銹鋼的重要加工手段，但雙相鋼又是公認(rèn)的難焊接材料。在雙相不銹鋼的實(shí)際使用中不僅要求母材具有優(yōu)良的性能，同時(shí)對(duì)焊接接頭性能也有著同樣嚴(yán)格的要求。根據(jù)文獻(xiàn)，雙相不銹鋼在焊接過(guò)程中接頭中的兩相比例會(huì)因?yàn)楹附訜嵫h(huán)的影響而失調(diào)，且有金屬相和氮化物析出，這會(huì)導(dǎo)致雙相不銹鋼接頭的韌性和耐蝕性下降。同時(shí)在焊接熱循環(huán)的作用下，熱影響區(qū)處于快冷非平衡態(tài)，冷卻后可能會(huì)保留更多的鐵素體，導(dǎo)致接頭的腐蝕傾向和氫致裂紋的敏感性增大。對(duì)于焊接方法，像常見的焊條電弧焊(SMAW)、鎢極氬弧焊(GTAW)、藥芯焊絲電弧焊(FCAW)和等離子焊(PAW)等焊接方法均可用于雙相不銹鋼的焊接。本試驗(yàn)旨在了解和掌握雙相不銹鋼00Cr22Ni5Mo3N的焊接工藝，組織變化和力學(xué)性能表現(xiàn)。

一、試驗(yàn)材料和方法

  本次試驗(yàn)使用的00Cr22Ni5Mo3N雙相鋼材料由張家港廣大機(jī)械有限公司生產(chǎn)，將鋼錠經(jīng)過(guò)鍛打、熱處理和機(jī)械加工制成10 mm厚的板材進(jìn)行對(duì)接焊。分別選用GTAW和SMAW兩種方法焊接。為了在焊后冷卻過(guò)程中有足夠的奧氏體相變，焊縫中的鎳含量相對(duì)母材要高出2%~7%。SMAW的焊條選擇堿性焊條E2209，直徑為3.2 mm；GTAW選擇ER2209焊絲，直徑為2.5mm。母材和填充材料的化學(xué)成分見表。

  將00Cr22Ni5Mo3N板材加工成190mm×80mm×10mm的規(guī)格。焊接前用丙酮清洗焊接坡口及兩側(cè)各50mm。為了考慮焊接熱循環(huán)的影響，試驗(yàn)中采用多層多道焊接，并在反面清根后再焊一道。因?yàn)檫^(guò)高的層間溫度會(huì)造成焊縫中脆性相的析出，因此層間溫度應(yīng)控制在150℃以下。為了保證焊透，同時(shí)考慮到焊接熱輸入也會(huì)影響焊縫兩相比例，綜合考慮，熱輸入的值控制在0.5~1.5kJ/mm。具體的焊接工藝和焊接坡口見表和圖。其1#、2#為鎢級(jí)氬弧焊試樣，3#為焊條電弧焊試樣。

雙相不銹鋼的出色性能與其組織中的相比例有密切的關(guān)系，根據(jù)雙相不銹鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線和雙相不銹鋼冷卻連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線，選取3個(gè)固溶溫度分別為950、1050、1150℃，并保溫1小時(shí)，以大于25℃/秒的冷卻速度快速水冷。

二、結(jié)果及分析

  1. 焊態(tài)組織和相比例分析

  圖是利用Axio Scope.A1蔡司顯微鏡拍攝的3個(gè)試樣的焊縫和熱影響區(qū)的組織，所用的腐蝕液為5ml鹽酸+1g苦味酸+100ml酒精溶液。表3是根據(jù)ASTME562《用系統(tǒng)人工點(diǎn)計(jì)數(shù)法測(cè)定體積分?jǐn)?shù)的試驗(yàn)方法》記錄的3個(gè)試樣焊縫和熱影響區(qū)中的奧氏體的體積分?jǐn)?shù)。00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼焊縫在凝固初始時(shí)，幾乎全是鐵素體組織。進(jìn)一步冷卻過(guò)程中，奧氏體相在鐵素體晶界開始生核長(zhǎng)大。冷卻到室溫后形成鐵素體-奧氏體雙相組織。由圖可知，在焊縫組織中，奧氏體相為羽毛狀的鑄態(tài)組織。由于采用了多層多道焊，后一層對(duì)前一層起到熱處理的作用能讓焊縫中的奧氏體有充足的時(shí)間從鐵素體中析出，形成奧氏體占優(yōu)的焊縫組織。為了保證00Cr22Ni5Mo3N雙相鋼接頭的綜合性能，所以要保證焊縫中鐵素體的含量控制在30%~45%為宜。

  在焊接過(guò)程中，焊縫附近的熱影響區(qū)組織經(jīng)受了焊接熱循環(huán)的特殊熱處理。對(duì)比圖，因?yàn)?#試樣采用了較小的熱輸入使得冷卻速度加快，熱影響區(qū)中奧氏體來(lái)不及充分析出，所以熱影響區(qū)中的鐵素體含量過(guò)高。圖相比較，在相同的熱輸入的情況下，由于SMAW對(duì)接頭的保護(hù)作用差使得熱影響區(qū)的組織粗大，鐵素體含量也較高。所以3組試樣中2#試樣的接頭組織最接近1:1。

 2. 拉伸試驗(yàn)

  根據(jù)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)》，用UTM5205X型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)3種不同焊接工藝下的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。圖為橫向拉伸試樣尺寸，每個(gè)試樣測(cè)2次取其平均值。

  因?yàn)?#、2#試樣接頭熱影響區(qū)的組織和相比例接近1:1，因而其力學(xué)性能也會(huì)更好，它們的斷裂位置在母材也證明了其力學(xué)性能已經(jīng)接近甚至高于母材。3#試樣由于接頭受到多次熱循環(huán)的影響，造成鐵素體晶粒粗大，降低了接頭的抗拉強(qiáng)度，因此斷裂處在焊縫。同時(shí)根據(jù)雒設(shè)計(jì)等[8]研究顯示，00Cr22Ni5Mo3N雙相鋼焊縫析出物為Fe-Cr-Mo的金屬間化合物σ相。接頭中有σ相的存在阻礙了奧氏體和鐵素體相內(nèi)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生位錯(cuò)塞積，位錯(cuò)聚集在σ相周圍會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致材料脆性開裂，從而使接頭的韌性和塑性顯著下降。

  3. 硬度測(cè)試

采用HXD-1000TMSC/LCD顯微硬度計(jì)測(cè)試硬度，加載4.903 N，加載時(shí)間15秒。從母材、熱影響區(qū)、焊縫金屬依次測(cè)量，每個(gè)區(qū)域均測(cè)量3次，測(cè)量結(jié)果如圖所示。由于鐵素體相的強(qiáng)度要高于奧氏體相，所以鐵素體相的顯微硬度要高于奧氏體相的顯微硬度。由圖4可知，熱影響區(qū)的硬度最高，這是由于獲得接頭的熱影響區(qū)中的鐵素體相含量增多所致。同時(shí)，在接頭焊接過(guò)程中，所采用的焊絲比母材含有更多的合金元素含量。鉻、鉬、鎳原子能置換晶格中的鐵原子，擾亂晶格排列，使得位錯(cuò)的移動(dòng)困難，從而使接頭的硬度值提高。

  4. 拉伸斷口掃描電鏡分析

  圖為采用JSM-6510LA掃描電鏡拍攝的3#試樣的斷口。塑性斷裂的韌窩大小、深淺和數(shù)量決定于材料斷裂時(shí)微孔的核心數(shù)量(夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn))和材料本身的塑性。若微孔的核心數(shù)量多或材料的塑性較低，則韌窩的尺寸小、數(shù)量多且較淺。通常，韌窩越大越深，材料的塑性越好。在3#試樣斷口中發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)較多的夾雜物或者第三相質(zhì)點(diǎn)，所以使得3#試樣的接頭抗拉強(qiáng)度降低。

  5. 固溶處理

  根據(jù)文獻(xiàn)所述，00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼在焊接中的主要問(wèn)題不在焊縫，而是在熱影響區(qū)，即對(duì)熱影響區(qū)雙相比例的控制。固溶處理可控制組成相中鐵素體相和奧氏體相的比例。圖6(a)為1#試樣未經(jīng)過(guò)固溶的熱影響區(qū)組織，因?yàn)?#試樣采用了較小的熱輸入使得冷卻速度加快，熱影響區(qū)中奧氏體來(lái)不及充分析出，熱影響區(qū)中的鐵素體含量過(guò)高。由圖可見，奧氏體含量隨著固溶溫度升高先增加后減小，在1050℃時(shí)奧氏體含量最高且組織分布更加均勻。

  由表可知，熱影響區(qū)在焊接過(guò)程中受熱循環(huán)的作用，晶粒粗大，同時(shí)熱影響區(qū)是一個(gè)母材區(qū)和焊縫區(qū)的交界處，晶粒分布不均勻，所以未經(jīng)過(guò)固溶處理的熱影響區(qū)的硬度較高。經(jīng)過(guò)固溶處理可以使得組織分布均勻，隨著固溶溫度的升高鐵素體含量也隨著增加。因?yàn)槊嫘牧⒎降膴W氏體塑性與韌性良好，而體心立方的鐵素體在室溫下具有更高的強(qiáng)度和硬度，所以鐵素體含量增加，使得顯微硬度也增加。

三、結(jié)論

  1. 鎢級(jí)氬弧焊的焊接接頭性能要明顯好于焊條電弧焊的接頭，這是因?yàn)楹笚l電弧焊接頭保護(hù)作用差，得到的焊縫組織相比例偏差較大，晶粒分布不均勻。

  2. 線能量的大小影響焊接接頭的兩相比例、晶粒大小和力學(xué)性能，采用合適的熱輸入量可以得到晶粒細(xì)小、力學(xué)性能和抗腐蝕性優(yōu)異的焊件。但是如果線能量過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致冷卻速度較快，最終的熱影響區(qū)組織中的奧氏體含量偏小。

  3. 對(duì)焊接試件進(jìn)行1150℃保溫1小時(shí)后快速水冷，可以提高焊縫及熱影響區(qū)的奧氏體含量，細(xì)化晶粒，提高焊接接頭的韌性。