热输入对双相钢药芯焊丝电弧焊接头组织和性能的影响

张莹莹，刘政军，金美玲，李东明

(1.沈阳工业大学材料科学与工程学院，沈阳 110870；2.辽宁石油化工大学机械工程学院，抚顺 113001)

0 引 言

双相不锈钢主要由体积分数各约占50%的铁素体(F)和奥氏体(A)两相组织构成，其焊接性好、焊接热裂纹敏感性小、抗疲劳性能优良、氯离子环境下的耐应力腐蚀及耐晶间腐蚀等性能较好[1-3]，兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点。

焊接是目前工程结构件进行连接的主要方式。双相不锈钢焊接接头的性能取决于铁素体和奥氏体的比例，当铁素体体积分数在40%～60%时，接头表现出良好的力学性能和耐腐蚀性能[4-5]。接头的组织和性能不仅受焊料和母材化学成分的影响，还受到焊接热输入的影响。焊接热输入会影响熔池的冷却速率，导致接头部位的两相比例发生变化，进而影响焊件的性能。药芯焊丝作为第四代焊接材料，与传统焊料相比，具有熔敷效率高，合金元素易于添加、过渡等优点，通过调节其中的合金元素含量即可有效控制双相不锈钢接头中铁素体和奥氏体两相组织的比例。我国药芯焊丝的发展起步较晚，双相不锈钢用药芯焊丝主要依赖于国外进口。焊接经验的不足以及不合理的焊接工艺容易造成焊缝中铁素体含量过高，并析出有害的σ相，导致接头塑韧性下降，耐点蚀性能降低[6-9]。为此，作者对2205双相不锈钢板进行了药芯焊丝电弧焊，研究了不同焊接热输入对双相钢焊接接头两相比例、低温韧性及耐点腐蚀性能的影响，以便为双相不锈钢药芯焊丝焊接工艺的选取提供一定的参考。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验母材为固溶态2205双相不锈钢板。焊接材料为直径1.2 mm的ER2209药芯焊丝。母材及焊丝的化学成分见表1。使用等离子切割机在母材上截取尺寸为300 mm×150 mm×12 mm(长×宽×高)的试样，长度方向为轧制方向。试样开60°V型焊接坡口，接头形式为对接接头，根部间隙为2～3 mm，钝边为2 mm。

表1 2205双相不锈钢和ER2209焊丝熔敷金属的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical compositions of 2205 duplex stainless steel and E2209T1-1 flux cored wire (mass) %

焊前使用不锈钢专用砂轮片对试样坡口及边缘不小于30 mm范围处进行打磨，用丙酮清洗试样表面以去除氧化膜、油污、杂质等。选用Panasonic YD-FR型焊机对试样进行药芯焊丝电弧焊(FCAW)。保护气体为纯度99.99%的CO2，采用直流反接工艺，通过多层多道焊进行焊缝填充和盖面，层间/道间温度不超过100 ℃，具体焊接工艺参数如表2所示，焊接热输入E的计算公式为

(1)

式中：I为焊接电流；U为焊接电压；v为焊接速度；η为焊接热效率，取0.9。

表2 药芯焊丝电弧焊接参数Table 2 Parameters of flux cored wire arc welding

1.2 试验方法

在焊接接头上以焊缝为中心，垂直于焊缝截取尺寸为14 mm×10 mm×12 mm的金相试样，用铁氰化钾碱性溶液(40 g NaOH+12 g K3Fe(CN)6+100 mL H2O)热浸后，利用徕卡DM2500 MH型光学显微镜(OM)观察显微组织，结合Image-Pro Plus6.0图像分析软件对接头焊缝、熔合区、热影响区的铁素体相含量进行计算：在500倍视野下，每个视场采集10幅OM图像进行灰度变换，二值化，相位提取和计算，取平均值即为铁素体含量。使用维氏显微硬度计以焊缝中心为原点向两侧母材进行硬度测试，取点间距为2 mm，载荷为1.961 N，保载时间为10 s。按照GB/T 229-2007，截取尺寸为10 mm×10 mm×55 mm的夏比V型缺口冲击试样，利用JB-300B型试验机进行低温(-40 ℃)冲击试验，冲击速度为5.0 mm·s-1，各测试3个平行试样。分别在焊缝、热影响区截取尺寸为10 mm×10 mm×3 mm的试样各2个，按照ASTM G48-2015标准进行点腐蚀试验；用质量分数1%的HCl溶液和FeCl3·6H2O配制质量分数6%的FeCl3盐酸水溶液；将试样的6个面进行磨抛后置于玻璃支架上，放入装有FeCl3盐酸水溶液的烧杯中，在50 ℃下浸泡24 h；腐蚀试验完成后，采用精度为0.1 mg的ME104E型天平测定试样腐蚀前后的质量，不考虑仪器造成的误差，计算点腐蚀速率，计算公式为

v=(m1-m2)/(St)

(2)

式中：v为点腐蚀速率；m1，m2分别为试样腐蚀前后的质量；S为试样表面积；t为试样腐蚀时间。

图1 不同热输入下2205双相不锈钢接头焊缝、熔合区、热影响区的显微组织Fig.1 Microstructures of weld seam (a,d,g,j), fusion zone (b,e,h,k) and heat affected zone (c,f,i,l) of duplex stainless steel joint under different heat inputs

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图1和表3可知：不同焊接热输入下，2205双相不锈钢焊接接头不同区域的显微组织均由白色奥氏体(A)相及灰色铁素体(F)相组成;随着热输入的增加，焊接接头不同区域的铁素体含量均逐渐降低。由Fe-Cr-Ni三元截面相图可知，双相不锈钢从液相到凝固会发生L→L+F→F→F+A的组织转变，在焊接过程中，焊缝、熔合区的一次凝固组织为单相铁素体，继续冷却时，铁素体向奥氏体转变，最终形成双相组织[10-11]。随着焊接热输入的增加，焊缝组织中铁素体、奥氏体两相明显变得不均匀，奥氏体晶粒粗化并占据主导地位。熔合区由于冷却速率较快，铁素体向奥氏体的转变不彻底，因此以铁素体组织为主，只有少量奥氏体；随着焊接热输入的增加，冷却速率下降，铁素体向奥氏体转变时间延长，奥氏体含量有所提高。对于热影响区，热输入较低时，板条状铁素体向奥氏体扩张，铁素体含量较高；随着热输入的增加，条带状轧制组织受热循环影响而逐渐被破坏，铁素体含量下降，奥氏体含量增加、尺寸增大，并且出现了二次奥氏体。总体来看，当热输入为14.04 kJ·cm-1时，2205双相不锈钢焊接接头的铁素体体积分数基本满足40%～60%的要求。

表3 不同热输入下接头焊缝、熔合区和热影响区中铁素体的体积分数Table 3 The volume fraction of ferrite in weld seam, fusion zone and heat affected zone under different heat inputs

图2 不同热输入下接头焊缝金属的冲击吸收功Fig.2 Impact absorption energy of weld metal of joint under different heat inputs

2.2 焊缝的冲击性能

在-40 ℃下，2205双相不锈钢母材的冲击吸收功为92 J，而焊缝金属的冲击吸收功(图2)随着焊接热输入的增加呈现先升高后下降的变化趋势，在热输入为11.02 kJ·cm-1时，冲击韧性最佳，冲击吸收功为43.6 J。奥氏体相为面心立方的晶格结构，铁素体相为体心立方的晶格结构，前者的塑性和韧性要高于后者的[12]。当焊接热输入为8.23 kJ·cm-1时，冷却速率较快，焊缝金属中的奥氏体相对较少，因此其低温冲击韧性较差；随着焊接热输入的增加，奥氏体相增多，焊缝低温冲击韧性有所提高；另外，热输入过高会导致组织中产生硬脆的σ相，σ相的析出量达到一定程度时会阻碍铁素体与奥氏体内部的位错运动，形成位错塞积，使得σ相周围产生应力集中，最终导致材料沿σ相开裂[9-13]，严重危害焊缝金属的冲击韧性。

2.3 焊接接头的硬度

从图3可以看出，不同热输入下，2205双相不锈钢接头热影响区(HAZ)的硬度均高于母材(BM)和焊缝金属(WM)的；随着热输入的增加，焊缝和热影响区的显微硬度略有下降，这是由于焊接热输入的增加使得铁素体向奥氏体的转变量增加，铁素体和奥氏体相互制约，晶粒长大受到阻碍，晶界数量增加，有效地阻碍了变形过程中的位错运动[14]。

图3 不同热输入下焊接接头的硬度分布曲线Fig.3 Hardness distribution curves of welded joint under different heat inputs

图4 不同热输入下焊接接头的平均点腐蚀速率Fig.4 Pitting corrosion rate of welded joints under different heat inputs

2.4 焊接接头的耐点腐蚀性能

由图4可知：不同热输入下，2205双相不锈钢接头热影响区的点腐蚀速率相差不大，均约为1 mg·m-2·h-1；焊缝的点腐蚀速率则随着热输入的增加先下降后升高。这是因为奥氏体相中耐点腐蚀元素铬、钼的含量相对较低，会优先发生腐蚀，而焊缝中奥氏体含量随热输入增加而增加，当热输入为17.39 kJ·cm-1时，双相钢焊缝中奥氏体相含量高达67.7%，点腐蚀速率最大；另外，热输入较大时，焊缝中极有可能产生σ相，导致附近基体中铬、钼等元素含量降低，加快点腐蚀的发生[15]。当热输入为8.32 kJ·cm-1时，焊缝金属中铁素体相含量较多，但较快的冷却速率导致氮化铬在铁素体晶界及晶内析出，奥氏体贫铬，因此点腐蚀速率较高。当焊接热输入为11.02，14.04 kJ·cm-1时，焊缝铁素体、奥氏体两相比例符合要求，点腐蚀速率相当，耐点腐蚀性能较好。

3 结 论

(1) 2205双相不锈钢焊接接头不同区域的显微组织均由奥氏体相和铁素体相组成，铁素体含量随着热输入的增加而降低；焊接热输入在14.04 kJ·cm-1时，接头焊缝、熔合区及热影响区的铁素体体积分数基本满足40%～60%的要求。

(2) 随着焊接热输入的增加，2205双相不锈钢焊缝金属的低温(-40 ℃)冲击吸收功先升高后下降，在热输入为11.02 kJ·cm-1时的冲击韧性最好；接头热影响区的硬度高于母材和焊缝金属的，焊缝和热影响区的硬度均随着焊接热输入的增加略有降低。

(3) 不同热输入下，2205双相不锈钢接头热影响区的点腐蚀速率相差不大，焊缝的点腐蚀速率则随着热输入的增加先下降后升高；焊接热输入在14.04 kJ·cm-1时，焊接接头的点腐蚀速率最小，耐点腐蚀性能最好。