N2对不锈钢GTAW焊缝铁素体含量和组织演变过程的影响

程尚华，张一琪，邵珠晶，孔康骞，程方杰, 3

N2对不锈钢GTAW焊缝铁素体含量和组织演变过程的影响

程尚华1, 2，张一琪1，邵珠晶1，孔康骞1，程方杰1, 3

(1. 天津大学材料科学与工程学院，天津 300350；2. 蓬莱巨涛海洋工程重工有限公司，蓬莱 265607；3. 天津市现代连接技术重点实验室，天津 300350)

在不锈钢的焊接中，控制焊缝金属中的铁素体含量对于防止出现热裂纹、保证焊缝耐蚀性能和力学性能都有着重要的作用．在不锈钢中氮是强烈的奥氏体化元素，通过在保护气体中加入N2的方法向焊缝过渡氮元素从而调控焊缝中的铁素体含量是一种简单可行的技术思路．本研究采用实时调整气体配比技术配制不同配比的Ar-N2混合气作为保护气体，对304L奥氏体不锈钢和2205双相不锈钢进行了GTAW多层多道焊接试验．分析研究了保护气体中的N2添加量对奥氏体不锈钢焊缝金属中铁素体含量的影响以及对双相不锈钢焊缝金属中的相比例和微观组织的演变规律．结果表明，对304L不锈钢，保护气中加入0.5%～1.0%的N2能够将焊缝中平均铁素体数FN有效控制在3～7范围内．对2205双相不锈钢，打底焊时保护气中加入3.0%的N2能够有效促进一次奥氏体的形成并抑制二次奥氏体的析出；填充和盖面焊则应减少保护气中的N2含量或用纯Ar作为保护气才能保证焊缝的整体相比例在合理范围内．该研究工作对推广动态气体配比技术在不锈钢焊接生产中的应用提供了前期的理论基础．

不锈钢；铁素体数；相比例；Ar-N2混合保护气；组织演变

奥氏体不锈钢和双相不锈钢是目前工程上应用最广泛的两类典型的不锈钢材料．在不锈钢的焊接中，控制相比例对于保证焊缝的耐蚀性能和力学性能有着重要作用．氮是强奥氏体化元素，通过加入氮元素(保护气体中加N2或药粉中加氮化物)来调整和提高焊缝中奥氏体含量是工程上常用的一种手段[1].但是，需要对其含量进行小心控制，氮元素过多容易导致热裂和出现氮气孔[2-4]．Shankar等[5]研究了N2的加入对于316L奥氏体不锈钢组织及熔合区热裂纹行为的影响规律．结果表明：N2的加入能够形成全奥氏体的焊缝组织，但是由于全奥氏体凝固模式下磷、硫等元素会发生严重偏析从而会导致热裂纹的形成.龚利华等[6]在保护气中加入N2对双相不锈钢焊接接头腐蚀行为的影响规律进行了研究．结果表明：在保护气中加入2.0%的N2对能够有效促进钝化膜的形成，降低接头的点蚀敏感性．

焊接保护气体中添加N2的传统方法是使用预先混好的固定比例的瓶装气．这种方法不能根据母材和焊材以及现场焊接状态等实际情况灵活调整N2的添加比例，难以实现在整个焊接过程中既保证铁素体含量不超标，同时凝固模式还不发生改变这一目的．本研究利用自制的Ar-N­2配比器在焊接现场实现了保护气中N2比例的动态控制，进行了不同N2含量下的304L不锈钢和2205不锈钢的多层多道焊试验，分析了实时调整气体比例对控制不锈钢焊缝微观组织的可行性．

1 试验材料与方法

1.1 奥氏体不锈钢多层多道焊试验

使用的奥氏体不锈钢母材为外径508mm、壁厚22mm的304L不锈钢管．选用60°V型坡口，根部间隙2.0mm，焊道分布如图1所示．焊材直径分别为2.4mm和3.2mm的T-308L焊丝．母材和焊材的成分见表1．

图1 304L不锈钢多层多道焊焊道分布

表1 304L母材及熔敷金属化学成分

Tab.1 Chemical composition of the 304L base metal and deposited metal %

试验采用自行研制的动态气体配比器提供焊接保护气体．该配比器取消了传统配比器中的混气罐，可以实时调整气体的配比．本试验使用4种不同N2含量的混合气作为焊接保护气：①99.998%的氩气(纯Ar)；②添加0.5%的N2(Ar-0.5%N2)；③添加1.0%的N2(Ar-1.0%N2)；④添加1.5%的N2(Ar-1.5%N2)．

采用手动填丝的半自动GTAW工艺进行奥氏体不锈钢环缝接头的焊接．使用的焊接电源是Panasonic公司的YC-400TX型多功能TIG焊机．焊接试验参数如表2所示．每道焊完并冷却后，使用FMP30型铁素体测量仪在该焊道的4个不同位置分别测量其铁素体数并取平均值作为该层的FN值．

表2 304L不锈钢多层多道焊接试验参数

Tab.2 Welding parameters of the 304L stainless steel multi-pass joint

1.2 双相不锈钢多层多道焊试验

试验选用的母材为外径219mm、厚度12.9mm的2205双相不锈钢管．采用70°V型坡口，钝边厚度为1.5mm，不留间隙．焊材为直径1.2mm的ER2209焊丝．母材及焊材的主要合金成分见表3．

试验采用自动填丝GTAW工艺，焊接转台带动管子匀速转动，在1G位置进行焊接．试验组打底，填充，盖面层的保护气分别选用Ar-3%N2、Ar-2%N2和Ar-4%N2．对照组选用15L/min的纯Ar(99.998%)作为保护气进行多层多道焊接．使用的焊接电源是Miller公司生产的PIPEPRO 450 RFC TIG焊机．焊接试验参数见表4，焊道分布如图2所示．利用线切割对焊道取样后进行打磨、抛光至镜面，使用Behara (90mL H2O＋10mL HCl＋1g K2S2O5)试剂腐蚀后用OLYMPUS GX51金相显微镜观察组织．

图2 2205不锈钢多层多道焊焊道分布

表3 2205母材及熔敷金属化学成分

Tab.3 Chemical composition of the 2205 base metal and deposited metal %

表4 2205不锈钢多层多道焊接试验参数

Tab.4 Welding parameters of the 2205 stainless steel multi-pass joint

2 结果与分析

2.1 N2含量对304L不锈钢焊缝铁素体数的影响

图3是304L不锈钢接头各焊道的铁素体数(FN)与保护气体中的N2含量以及熔敷金属中的氮元素含量之间的关系．从图中可以看出：①随着保护气中N2含量的增加，熔敷金属中的氮元素含量有明显增加趋势；纯Ar保护下的焊缝中氮元素质量分数在0.03%～0.05%之间，当保护气中添加了3.0%的N2后，焊缝中氮元素含量升高到了0.08%～0.13%；②随着保护气中N2含量的增加，熔敷金属中的铁素体含量也逐步减少；保护气中不添加N2时各焊道的铁素体数基本都在7以上；③当N2添加量在0.5%～1.0%范围时，各道焊道的FN值基本在理想的3～7范围之内，此时焊缝中的氮元素含量大约在0.06%～0.10%；④当N2添加量达到1.5%时，焊缝FN值基本都在3以下，部分焊道的FN值甚至小于1．

在工程上一般认为奥氏体不锈钢焊缝的铁素体数在3～7范围内最理想[7]，这个比例的铁素体含量既可以保证焊缝优良的低温韧性和耐腐蚀性能，也可以大大降低出现焊接热裂纹的风险．在本试验中纯Ar保护的焊缝铁素体数偏高，超出了某些LNG关键结构对铁素体含量上限的要求，存在低温韧性不足的风险[8]；而Ar-1.5%N2保护的焊缝铁素体数又过低，大大增加了焊接热裂的倾向[9]；在本试验条件下，添加0.5%～1.0%N2的混合气体保护的焊缝铁素体数则处于理想区间内．在实际生产中，可以根据现场实际情况利用Ar-N2配比器向保护气中灵活添加0.5%～1.0%的N2，从而动态调整304L不锈钢焊缝中的FN值．

图3 304L不锈钢焊缝FN值与焊缝氮含量的关系

图4是最后一道焊道的FN值与焊缝中心位置FN值的统计结果．可以看出：最后一道焊道的铁素体数普遍比焊缝中心的铁素体数要高．这是因为最后一道焊道紧贴母材，母材对焊道的稀释率较高，奥氏体形成元素浓度低且焊接过程冷却速度较快，高温相变时间短，故形成的奥氏体的量相对较少．因此，在实际应用中，也应该考虑在盖面焊缝时利用Ar-N2配比器适当提高保护气中N2含量来保证在整个接头内FN值都能控制在理想范围内．

图4 304L不锈钢最后一道焊道和焊缝中心位置的FN值对比结果

2.2 氮气含量对2205不锈钢焊缝相比例和组织演变的影响

图5给出了在纯Ar保护和添加N2两种条件下的2205不锈钢焊缝各部位相比例的测量统计结果．从图中可以看出：加入N2后，焊缝各部位的铁素体含量均有不同程度的降低．其中，焊缝根部的降低程度最小，从55%左右降低到45%左右，相比例在合理的范围内．焊缝中心和焊缝顶部位置的铁素体含量分别从42%和50%下降到20%左右，已经明显偏离双相不锈钢焊缝的合理相比例范围．因此，在2205不锈钢焊缝的多层多道焊过程中，在填充层和盖面层的保护气应该适当减少保护气体中的N2添加量或直接使用纯Ar作为保护气来保证熔敷金属的相比例在合理范围内．

图5 2205不锈钢焊缝相比例统计结果

但是，保护气中添加N2对打底焊道的组织演变有着重要的影响．在打底层的保护气中加入3.0%左右的N2不仅能够调整焊缝的相比例，更重要的是能够改变其组织演变过程，提高焊缝中的一次奥氏体含量，抑制耐蚀性较差的二次奥氏体的形成[10]．

图6是打底层刚焊完时的显微组织．对比图6(a)和(b)可以发现：纯Ar保护的打底焊缝铁素体基体的晶粒尺寸要明显大于Ar-3%N2保护的情况．纯Ar保护的打底层在刚焊完时奥氏体含量仅为36%，这就导致在焊缝冷却过程中铁素体中过饱和的氮原子不能及时扩散到奥氏体中而与铁素体中的Cr结合形成Cr2N．而在打底层焊接保护气中加入3.0%的N2，会形成更多的一次奥氏体组织，同时铁素体基体的晶粒尺寸也有所减小，此时刚焊完的打底层奥氏体含量为52%，其凝固及冷却过程中铁素体中过饱和的氮原子能够及时扩散到奥氏体中，所以Cr2N的形成受到了抑制．这样的两种打底层组织在后续热循环中将发生不同的演变．

图6 打底层刚焊完时的显微组织

图7是焊完第4层后根部焊缝的微观组织演变情况．对比图6(a)和图7(a)可以发现，纯Ar保护的根部焊缝在经过后续3道的热循环后，原铁素体晶粒内部出现了大量的二次奥氏体．一次奥氏体的比例仅占40%左右．从图6(b)和图7(b)的对比则发现，在Ar-3%N2保护的根部焊缝经过后续3层焊缝的热循环后却没有明显的二次奥氏体析出．这是因为焊缝中的二次奥氏体主要依托Cr2N析出物形核[11]．出现这种组织演变上的差别主要是因为纯Ar保护的打底焊道中的铁素体尺寸较大，其中Cr原子和过饱和的N原子在冷却过程中以Cr2N的形式析出，这为二次奥氏体的形核提供了条件．因此在焊完第4层焊缝后，根部焊缝的铁素体晶粒中形成了大量的二次奥氏体．而对于Ar-3%N2保护的情况，铁素体晶粒较小，大量氮原子通过扩散进入了一次奥氏体中，从而不能形成大量的Cr2N，所以在后续焊层的热循环作用下，不会形成过多的二次奥氏体．因为焊缝中的二次奥氏体耐蚀性能较差，所以通过在打底层保护气中加入一定量的N2有利于提高焊缝根部的耐蚀性能．

图7 第4层焊完后根部焊缝微观组织

3 结 论

(1) 在不锈钢GTAW焊接工艺中，向保护气中加入适量N2可以有效调控焊缝金属中的铁素体含量和微观组织特征，通过动态调整和精确控制N2含量可以精确地控制铁素体的比例和微观组织构成．

(2) 在本试验条件下，对304L奥氏体不锈钢多层多道焊，通过在保护气中添加0.5%～1.0%的N2，能将焊缝各位置的铁素体数控制在3～7理想范围内.

(3) 对2205双相不锈钢，在打底焊保护气中添加3.0%的N2，能够有效促进一次奥氏体的形成，并减少二次奥氏体的比例，填充及盖面层应减少保护气中N2含量或使用纯Ar作为保护气来保证相比例在合理范围内．

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Effect of N2in Shielding Gas on the FN and Microstructural Evolution for the Stainless Steel GTAW Joint

Cheng Shanghua1, 2，Zhang Yiqi1，Shao Zhujing1，Kong Kangqian1，Cheng Fangjie1, 3

(1. School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China；2. Penglai Jutal Offshore Engineering Heavy Industries Co.，Ltd.，Penglai 265607，China；3. Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology，Tianjin 300350，China)

In the welding process of stainless steels, the control of ferrite content in the weldment is crucial in prevent-ing the generation of hot cracks and ensuring good mechanical and anti-corrosion performance of the joint. Nitrogen is a strong austenite stabilizer. Adding N2to the shielding gas during the welding process is a feasible way to control the ferrite content in the weldment. In this research, different mixtures of Ar-N2gas with varying proportions were pre-pared using a dynamic mixing technique and were used as the shielding gas of 304L stainless steel and 2205 stainless steel multi-pass gas tungsten arc weld (GTAW) joint. The influence of N2content in shielding gas on the ferrite num-ber (FN) of austenitic stainless steel and its effect on the phase ratio and microstructural evolution of duplex stainless steel were investigated. The results indicated that in the joint of the 304L stainless steel, adding 0.5%—1.0% N2in the shielding gas could control the FN range in the joint to be approximately 3—7. In the root of the 2205 stainless steel, adding 3.0% N2in the shielding gas suppressed the formation of secondary austenite in the multi-pass welding process. The N2content in the shielding gas of the filler and cover passes should be reduced or pure Ar should be used to achieve a phase balance. The results of this research provide a theoretical basis for the application of dynamic gas mixing technique in the industry.

stainless steel；ferrite number(FN)；phase ratio；Ar-N2mixed shielding gas；microstructural evolution

the National Natural Science Foundation of China(No.51775372).

TG441.2

A

0493-2137(2020)08-0809-05

10.11784/tdxbz201906048

2019-06-23；

2019-10-08.

程尚华（1983—  ），男，博士，高级工程师，csh198382@126.com.Email：m_bigm@tju.edu.cn

程方杰，chfj@tju.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(51775372)．

(责任编辑：田 军)