铁素体/奥氏体双相不锈钢高能量密度焊接研究现状

张志强，徐誉桐，张天刚，张宇航，王 浩，杨 凡

(中国民航大学1.航空工程学院, 2.中欧航空工程师学院, 天津 300300；3.天津职业技术师范大学机械工程学院, 天津 300222)

0 引 言

铁素体(δ)/奥氏体(γ)双相不锈钢结合了奥氏体不锈钢良好的塑韧性和耐均匀腐蚀性能以及铁素体不锈钢的高强度和耐氯化物应力腐蚀性能，且与奥氏体不锈钢和镍基合金相比节约了稀缺资源镍，在海洋工程、石油化工等多个国家重点领域具有广阔的应用前景[1-3]。焊接是双相不锈钢应用推广中不可或缺的加工制造环节[4]。以前双相不锈钢通常采用低能量密度电弧熔焊的方法进行焊接，如手工电弧焊(shielded metal arc welding，SMAW)、钨极氩弧焊(gas tungsten arc welding，GTAW)、药芯焊丝电弧焊(flux cored arc welding，FCAW)等。SMAW适用于全位置焊接，是双相不锈钢早期使用的焊接技术，缺点是焊条利用率低、焊工劳动强度大。GTAW的主要优点是焊接质量高、接头综合力学性能优异，缺点是单道熔覆量少、焊接效率低。MAKHDOOM等[5]研究表明，双相不锈钢SMAW焊缝的力学性能和耐腐蚀性能均低于GTAW焊缝。包晔峰等[6]研究表明，UNS S32205双相不锈钢GTAW焊缝的耐点蚀性能与母材相当。与GTAW相比，FCAW可显著提高双相不锈钢的焊接效率，但是焊缝中易引入夹杂，从而降低其韧性和耐点蚀性能[7-10]。

在采用低能量密度焊接方法焊接双相不锈钢厚板时，最突出的问题是焊前需开设坡口以及焊接过程中需要多个道次及焊条或焊丝填充才能完成连接。与SMAW和GTAW相比，虽然FCAW显著提高了焊接效率，但其焊接效率仍然较低。低能量密度焊接接头组织的主要缺陷是高温热影响区中含有过量的铁素体和大量的氮化物，这会显著恶化其低温韧性和耐局部腐蚀性能。此外，在双相不锈钢厚板多层多道焊接过程中，多次热循环导致贫铬和钼元素的二次奥氏体(γ2)产生[11]。与一次奥氏体(γ1)和铁素体相比，γ2具有较低的耐点蚀指数，因此γ2优先发生选择性腐蚀，这会削弱焊接接头的耐局部腐蚀性能。激光焊(laser beam welding，LBW)、等离子弧焊(plasma arc welding，PAW)、电子束焊(electron beam welding，EBW)等高能量密度焊接技术非常适合厚板的一次焊接成形且不需要填充金属，同时还具有焊接速度快、生产效率高、焊缝深宽比大、焊接变形小、残余应力低等优点，近年来引起了各国研究学者和生产企业的高度关注[12-13]。RAMKUMAR等[14]、MOURAD等[15]研究发现，双相不锈钢LBW、EBW接头具有比母材更高的强度。王子龙等[16]研究发现，相比GTAW，PAW可极大提高双相不锈钢的焊接效率。然而，与低能量密度电弧熔焊方法相比，LBW、PAW和EBW等高能量密度焊接技术的热输入低、焊后冷却速率快，会导致焊缝中极易出现过量的铁素体组织并析出有害的二次相，进而恶化双相不锈钢的韧性和耐局部腐蚀性能。目前，双相不锈钢高能量密度焊接研究的热点是通过优化焊接工艺、改变焊接特性(如散焦和离焦焊)、添加富镍或氮元素的焊材、应用复合焊接等方法改善接头组织，进而提高其力学性能和耐局部腐蚀性能。为了给相关研究人员提供参考，作者综述了双相不锈钢高能量密度焊接技术的研究进展，重点论述了高能量密度焊接和焊后热处理对焊接接头组织和性能的影响，并提出了目前存在的问题与未来的研究方向。

1 高能量密度焊接技术

1.1 焊接方法

双相不锈钢高能量密度焊接采用激光束(功率密度 1051012W·cm-2[17])、等离子弧(102104W·cm-2[18])、电子束(106108W·cm-2[19-20])等高能弧或束流对双相不锈钢待连接部位进行高能热辐射和轰击，使极小的区域发生瞬时熔化、再凝固、固态相变等一系列过程，进而实现永久连接的方法。高能量密度焊接技术在提高焊接效率、改善接头成形质量和性能等方面具有显著优势，拓展了先进材料的连接方式。

1917年爱因斯坦提出受激辐射概念，1960年美国梅曼发明了第一台红宝石激光器；此后，红宝石激光器成功应用于眼科临床、厚膜组件生产等方面；1961年，长春光学精密机械研究所成功研制出我国第一台红宝石激光器[21-24]。1980年，英国学者STEEN[25]研究发现，电弧对激光束能量有增强作用，因而提出了激光与电弧复合焊的概念。TUSEK等[26]研究发现，激光与电弧复合焊缝质量优于普通激光焊缝。20世纪90年代，WALDUCK等[27]首次提出了激光-等离子弧复合焊接技术，并进行了相关的探索性工艺试验研究。2002年，德国Meyer造船厂建成第一条激光-电弧复合焊接生产线[28]，主要用于船梯与加强筋的焊接。2004年，德国某造船厂采用了Nd…YAG激光-熔化极气体保护复合焊系统[29]，加工得到12 m长龙门架焊缝。邹江林等[30]研究发现，在光纤激光-钨极氩弧复合焊接时，复合焊等离子体面积大于电弧焊，且焊接过程更加稳定。多名学者已成功实现双相不锈钢薄板和厚板的焊接。SARAVANAN等[31]实现了1.5 mm厚UNS S32750超级双相不锈钢板的脉冲激光焊接。SIVAKUMAR等[32]采用Nd…YAG激光焊接方法完成了2.5 mm厚LDX 2101双相不锈钢板的焊接。MUTHUPANDI等[33]成功进行了3 mm厚UNS S31803双相不锈钢的激光焊接。MOURAD等[15]和BOLUT等[34]运用光纤激光焊接技术分别实现了6.4 mm和6 mm厚UNS S32205双相不锈钢的连接。此外，激光双光束焊[35]、激光-搅拌摩擦复合焊[36]、激光-电/磁复合焊[37]等复合焊接技术也逐渐引起广大研究学者和企业的高度关注。近年来，随着信息技术的高速发展，焊接过程数值仿真计算应运而生。赖睿等[38]利用Simufact Welding复合热源模拟了6 mm厚UNS S32205双相不锈钢激光焊接过程，总结了激光离焦量对焊接温度场分布规律的影响，并发现离焦量对焊缝成形质量和合金元素分布具有显著影响。FREWIN等[39]研究发现，脉冲激光能量分布对焊接接头形貌具有重要影响。万海波等[40]通过“一体两面”的复合焊接热源模拟激光全熔透焊的热输入特征，得到呈“酒杯状”和“沙漏状”的焊缝。

1909年，德国学者SCHONNER首次发明了等离子弧系统[41]。美国学者GAGE在1953年最先将等离子弧应用于焊接技术，并于1957年获得专利授权[18]。20世纪60年代初期，美国Thermal Dynamic公司首先采用直流反极性等离子弧进行焊接试验，发现金属焊接质量得到显著改善且生产效率明显提升。20世纪70年代，波音公司在西雅基公司制造的变极性方波电源基础上发明了变极性等离子弧焊工艺方法[17,42]。现今，等离子弧焊已经逐渐应用于包括双相不锈钢在内的多种金属材料的焊接研究和实际生产。李国伟等[43]采用变极性等离子弧焊技术成功实现了10 mm厚7075高强铝合金焊接。王国强[44]采取等离子弧焊接技术完成了10 mm厚304奥氏体不锈钢焊接。ZHANG等[45]提出柔性变极性等离子弧焊方法并成功实现了8 mm厚铝合金板的连接。PRAMOD等[46]和UREA等[47]采用等离子弧分别完成了1.6 mm和3 mm厚UNS S32205双相不锈钢钢板的焊接。TAN等[48]完成了4 mm厚UNS S32304双相不锈钢的等离子弧焊接。TABAN等[49]采用等离子弧焊分别实现了6.5 mm厚UNS S31803和S32750双相不锈钢的连接。

1948年，前西德物理学家STEIGERWALD首次提出电子束高能焊接的概念[50]。1954年，法国STOHR博士运用电子束流实现了核反应堆燃料包壳的连接，此举标志着电子束焊接金属的成功应用。1957年，在法国巴黎举办的国际原子能燃料元件技术大会上，电子束焊作为全新的焊接方法被正式公布和大力推广。20世纪60年代后，各国学者和研究团队不断开发出新的电子束热源和新工艺，电子束焊接技术的应用更加广泛，同时我国也开始进行电子束焊接的相关研究。1986年，航天科技集团成功研制出直线型局部真空电子束焊机[51]。随着电子束焊接技术的发展，电子束钎焊、活性剂电子束焊、电子束-等离子弧复合焊、电子束填丝焊、局部真空电子束焊、电子束扫描焊等焊接方法逐渐引起研究人员及相关企业的高度关注。李少青等[52]对不锈钢管进行电子束钎焊，获得了均匀圆滑的钎缝。研究[53-54]发现，活性剂种类会对不锈钢板电子束焊缝成形产生影响，其添加会增加聚焦电流和束流对焊缝熔深的影响。锁红波等[55]对1Cr18Ni9Ti不锈钢板和Q235钢进行电子束填丝焊接，获得了内部无明显缺陷的焊缝。作者及所在团队[56-57]采用法国TECHMETA Medard48型真空电子束焊机成功制备了成形质量良好的14 mm厚UNS S31803双相不锈钢焊接接头。

经过一个多世纪的发展，高能量密度焊接技术已经相对成熟，均可完成双相不锈钢的连接。但是，快的加热和冷却速率无法保证焊后接头及整体结构的质量与性能，为满足接头服役所需的力学性能和耐腐蚀性能，仍需要对焊接工艺进行优化。

1.2 焊接工艺及其参数

通过调控工艺参数提高热输入可改变高能量密度焊接热影响区和焊缝的峰值温度以及焊后冷却速率，进而改善其组织和性能。热输入主要与焊接功率、焊接速度以及焊接热效率等参数相关。与SMAW、GTAW、FCAW等低能量密度焊接相比，高能量密度焊接最显著的工艺特点是极低的热输入和较高的焊接效率。作者及所在团队[56-57]比较了采用GTAW、FCAW和EBW 3种焊接技术完成的14 mm厚双相不锈钢焊接所需的热输入和焊接效率，发现EBW总热输入比多层多道GTAW和FCAW低一个数量级，焊接效率比GTAW和FCAW高两个数量级。通常，热输入越低，焊后冷却速率越快，形成的奥氏体含量越少。研究[57-61]表明，激光和电子束焊接获得的双相不锈钢焊缝中奥氏体质量分数低于30%。但据NACE MR0175/ISO 15156标准，在石油和天然气行业中双相不锈钢熔焊接头的奥氏体质量分数应该维持在30%70%。NORSOK M-601标准推荐双相不锈钢管道焊接接头的奥氏体质量分数不应低于30%。

通过调控工艺参数提高热输入可促使焊缝中形成更多的奥氏体。研究[58,61-62]发现，LBW热输入越高，焊后冷却速率越慢，焊缝中奥氏体含量越高。作者及所在团队[57]前期也发现了类似的结论，随着LBW热输入的提高，双相不锈钢晶界奥氏体和晶粒内奥氏体含量均增加。通过改变焊接模式、降低焊接速度、缩短喷嘴与工件距离、增加焊接功率、延缓冷却速率等工艺措施均可增加热输入，延长高温停留时间，降低焊后冷却速率，促使更多的铁素体通过固态相变转变为奥氏体，进而增加接头中奥氏体含量[63]。RAMKUMAR等[14]指出通过改变焊接速度、加速电压等方法调控EBW热输入，能够对UNS S32750双相不锈钢的焊缝熔深、显微组织等产生显著影响。MOURAD等[15]通过优化焊接速度、功率、离焦量、保护气流量等LBW工艺参数获得了奥氏体质量分数为39%的焊缝。PEKKARINEN等[64]研究表明，传热模式LBW较匙孔模式LBW更易于通过改变焊接速度、焦点位置调控热输入和冷却速率，获得具有平衡铁素体/奥氏体两相组织的双相不锈钢焊接接头。BOLUT等[34]指出，随着激光焊接速度从1.5 m·min-1降低到1 m·min-1，双相不锈钢焊缝中奥氏体质量分数增加5%。王维东等[65]研究了PAW后冷却方式对双相不锈钢接头奥氏体含量的影响，发现焊后空冷比水冷形成的奥氏体含量高。

SARAVANAN等[66]通过减小焊接速度、提高激光功率的方式增加UNS S32750双相不锈钢传热模式LBW的热输入，发现焊缝熔深、顶部熔宽均随热输入的增加而增大。UREA等[47]通过调控焊接速度、喷嘴与工件距离、焊接电流和焊接电压等工艺参数，研究了热输入对3 mm厚2205型双相不锈钢PAW接头焊缝熔宽和熔深的影响规律，发现PAW焊缝熔宽和熔深随热输入的增加呈不同速率增长。吴向阳等[67]通过构建激光-熔化极惰性气体保护复合焊接的流体模型，模拟了激光与电弧复合焊接熔池传热和流动规律，指出激光与电弧前后位置会影响熔池传热和流动的规律。杜伟哲等[68]研究发现，无气体保护下双相不锈钢焊缝表面宽度的均匀程度受功率影响。LI等[69]研究发现，高电流、低功率使脉冲激光-熔化极电弧复合焊接过程更加稳定，同时电弧电流反相调制获得的焊缝熔深更大、孔隙率更低并且焊接过程更稳定。LEI等[70]指出在激光-冷金属过渡复合焊接过程中，高能激光加速了焊丝的熔化，提高了焊接效率。

研究[57，71]发现，在UNS S32205双相不锈钢的EBW过程中，由于焊后冷却速率极快且奥氏体稳定化元素氮严重烧损，致使接头组织中的铁素体过量。ZHANG等[57]研究发现，在保证焊透且避免熔池坍陷的前提下，电子束热输入的可调窗口非常有限，通过优化工艺参数来提高EBW热输入对于改善其焊缝组织的效果不明显。因此，众多学者引入了新型电子束焊接技术以改善焊缝质量。KRASNORUTSKYI等[72]采用多道EBW方法增加总热输入，降低焊后冷却速率，促使焊缝中获得的奥氏体质量分数达到30%。BRTA等[73]通过电子束旋转和往复扫描的非聚焦方式增加焊接热输入，结果表明电子束旋转模式下所得焊接接头中奥氏体含量更高。

在高能量密度焊接过程中，焊缝熔池和高温热影响区中氮元素的烧损是不可避免的，会导致过量的铁素体形成并恶化接头耐点蚀性能，增加氢脆敏感性，降低力学性能特别是低温冲击韧性。WESTIN等[74-76]多次报道了双相不锈钢焊缝熔池中氮元素的烧损会致使过量的铁素体形成和富铬氮化物析出，最终降低接头耐点蚀性能。通常，可通过2种途径补偿焊接过程中氮元素的损失：一是在母材熔炼和焊丝制造过程中添加足量的氮元素[77-78]；二是在保护气体中添加适量的N2，高温下的N2会解离成氮原子，然后固溶到焊缝和高温热影响区内[60,75,79-81]。KESKITALO等[82]研究发现，在双相不锈钢LBW过程中，使用N2作为保护气体可显著促进接头中奥氏体的形成。LAI等[83]也发现N2作为保护气体可明显补偿LBW焊接过程中氮元素的烧损，促使焊缝中更多的奥氏体形成且对熔深没有明显影响。BOLUT等[34]研究发现，在N2保护下双相不锈钢LBW焊缝中奥氏体含量高于同工艺参数下Ar保护下的焊缝。研究[84]发现，保护气类型会对PAW焊缝形貌产生影响，当以纯Ar作为保护气体时，焊缝上宽下窄，而在Ar保护气体中添加体积分数0.5% O2后，焊缝形貌变为上窄下宽。EBW需维持真空环境，无法通过采用添加N2保护气体的方法提高奥氏体含量，因此有学者提出可通过预置镍箔/粉的方式增加焊缝中奥氏体稳定化元素镍的含量，进而促使焊缝中形成更多的奥氏体。MUTHUPANDI等[33,85]通过预置富镍焊丝的方式显著增加了双相不锈钢EBW焊缝的奥氏体含量。 研究[86]发现，镍的添加能促使UNS S32750双相不锈钢脉冲LBW焊缝中获得近相等含量的铁素体和奥氏体。综上可知，无论是保护气体中添加N2还是富镍焊丝的使用，均可促进高能量密度焊接接头中奥氏体相的形成。

2 高能量密度焊接头的组织与性能

2.1 焊接态的组织和性能

为了保证双相不锈钢焊接接头具备优异的力学性能和耐局部腐蚀性能，要求其焊接接头具有平衡的铁素体和奥氏体两相比例、两相近似相等的耐腐蚀性能、无二次相析出等特征。TABAN等[49]研究表明，UNS S31803和UNS S32750双相不锈钢LBW焊缝的硬度均匀且显著高于母材。MIRAKHORLI等[87]将脉冲Nd…YAG激光焊后的SAF 2205双相不锈钢接头焊缝截面分为脉冲激光束连续作用区域和单道脉冲激光束作用区域，熔池中心处的显微硬度最高。SIVAKUMAR等[32]指出Nd…YAG激光焊接冷却速率快，双相不锈钢焊接接头晶粒得到细化，接头的抗拉强度和显微硬度得到提高。SARAVANAN等[66]对UNS S32750超级双相不锈钢进行LBW数值模拟，发现接头的显微硬度和抗拉强度高于母材，拉伸断口为韧性断口，同时当热输入过高时会引起合金元素蒸发而使接头中形成大量孔隙，降低接头的抗拉强度。郭建超等[88]基于数值模拟技术研究了双相不锈钢LBW接头拉伸缩颈前非均匀变形的演变过程，发现接头各微区损伤过程与塑性变形有关。王治宇等[89]指出，激光-熔化极气体保护复合焊使UNS S32205双相不锈钢获得了铁素体/奥氏体两相比例均衡的焊接接头，且其显微硬度、抗拉强度均高于母材，耐点蚀性能与母材相当。MOURAD等[15]通过提高热输入获得了奥氏体质量分数为39%的双相不锈钢LBW焊缝，并且焊缝的耐腐蚀性能优于GTAW焊缝。QI等[90]对比研究SAF 2507超级双相不锈钢LBW和激光-熔化极气体保护复合焊接接头的组织特征和性能，发现LBW焊缝中奥氏体主要分布于晶界处，只有少量奥氏体在铁素体内部析出，复合焊缝中的奥氏体含量明显高于LBW焊缝，同时LBW接头热影响区中析出了大量的Cr2N，致使LBW接头的耐点蚀性能降低。焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能与铁素体/奥氏体两相比例紧密相关，在LBW过程中双相不锈钢焊缝中不可避免地形成过量的铁素体和析出大量的Cr2N等二次相，从而提高接头的硬度和强度，但是LBW过程中氮元素的烧毁和Cr2N析出又会降低接头的耐腐蚀性能。

氮、镍具有与γ-Fe相同的面心立方(FCC)结构，作为奥氏体稳定化元素添加到双相不锈钢中能促进更多的奥氏体形成并改善双相不锈钢的低温韧性和耐腐蚀性能[91]。研究[33,85]发现，在LBW过程中使用富镍焊材可使焊缝中形成更多的奥氏体，奥氏体含量和形态、残余应力对接头低温(-40 ℃)韧性具有显著影响，但对室温韧性无明显影响。MIRAKHORLI等[87]研究发现，镍箔的添加促使双相不锈钢LBW焊缝中形成更多的奥氏体，焊缝中仿晶型、针状以及魏氏奥氏体含量明显增多，同时焊缝的塑韧性明显提高。研究[84]表明，N2作为保护气体可以补充LBW熔池中氮的烧损，促使焊缝顶部和底部的奥氏体质量分数达到40%，同时显著改善了接头的耐腐蚀性能。

等离子弧能量密度略低于激光和电子束流，因此PAW热输入较高，焊后冷却速率较慢，形成的奥氏体含量较高。与低能量密度焊接技术相比，PAW可抑制部分有害相的析出，改善接头耐腐蚀性能。TABAN等[49]研究表明，与UNS S31803和UNS S32750双相不锈钢PAW接头相比，LBW接头更易于获得两相平衡的铁素体/奥氏体组织。PRAMOD等[46]研究发现，SAF 2205双相不锈钢PAW焊缝中奥氏体质量分数为45%，与母材相比显微硬度提高但可加工性能降低。UREA等[47]研究发现，传热模式下UNS S32205双相不锈钢PAW接头中铁素体含量低于匙孔模式，且匙孔模式下的魏氏奥氏体和柱状铁素体晶粒生长被抑制，且当热输入高于3 100 J·cm-1时，焊缝中有金属间化合物σ相的析出。王子龙等[16]对比研究了UNS S32205双相不锈钢PAW和GTAW接头的组织和耐点蚀性能，结果表明PAW接头的晶粒更细小且组织中无γ2相析出，耐点蚀性能更好。

与激光和等离子弧相比，电子束流的能量密度更高，具有极低的热输入和更快的冷却速率，焊接效率更高，但会导致焊缝中形成细小的奥氏体、过量的铁素体和有害的二次相，从而降低接头的低温韧性和耐局部腐蚀性能。研究[33,85]发现，EBW过程中的冷却速率高于LBW，焊缝中晶界奥氏体更细小并且无魏氏奥氏体析出。研究[59,92-93]发现，UNS S32205双相不锈钢EBW焊缝中奥氏体尺寸受热输入影响，但未发现奥氏体尺寸对接头硬度有显著影响。优化热输入能够减小双相不锈钢EBW焊缝中铁素体织构强度，但无法将其彻底消除[57]。KU等[94]研究发现，SAF 2205双相不锈钢EBW接头中晶界处富集奥氏体稳定化元素，奥氏体多在此处析出，通过降低焊接速度或者选择更高奥氏体稳定化元素(如氮)含量的双相不锈钢进行焊接可促使接头中更多的奥氏体形成。作者及所在团队[57]通过断口形貌观察发现，双相不锈钢EBW焊缝的冲击韧性低于母材，主要归因于母材中奥氏体含量高且奥氏体可延缓解理台阶的扩展。SCHMIGALLA等[72]采用多道次的非聚焦电子束预热技术研究了预热温度对17 mm厚UNS S32205双相不锈钢板EBW焊缝中奥氏体含量的影响规律，结果表明当预热温度由200 ℃升高到400 ℃时，奥氏体质量分数由21%增加到27%，同时由于预热时间短，氮元素扩散不充分，导致焊缝中奥氏体形成不足以及大量Cr2N相的析出。作者及所在团队[57]借助透射电镜发现，双相不锈钢EBW焊缝中析出大量蠕虫状和短棍状Cr2N二次相，这些二次相主要分布于铁素体内和铁素体晶界处，Cr2N相的析出会明显促进点蚀的发生，因此EBW过程严重恶化了接头的耐点蚀性能。虽然通过使用高镍的焊材可使双相不锈钢EBW焊缝的铁素体质量分数降低至61%[33]，但这会显著地增加成本。近几年发展的多束流EBW技术在不使用填充金属的前提下可使EBW焊缝中铁素体质量分数降至70%[86]，但焊接工艺复杂且不稳定。

2.2 焊后热处理态的组织与性能

在高能量密度焊接过程中，焊接热输入低、焊后冷却速率快使双相不锈钢焊缝中铁素体和奥氏体两相比例失衡、铁素体织构明显、大量Cr2N相的析出以及枝晶偏析显著，严重恶化了焊接接头的低温韧性和耐点蚀性能。优化热输入只能有限地增加高能量密度焊接接头焊缝中的奥氏体含量、减小枝晶偏析和铁素体织构的程度，但无法抑制Cr2N析出以及细化铁素体晶粒尺寸[95-96]。目前，主要通过选择合适的固溶温度进行焊后热处理来消除有害组织进而改善焊接接头的性能[97]。KHAFAGY等[98]研究发现，850 ℃等温焊后热处理后SAF 2205双相不锈钢母材和EBW接头熔合区中析出σ和γ2相，且析出量随热处理保温时间的延长而增大。ZHANG等[99]研究表明，UNS S32750双相不锈钢EBW焊接接头经1 050 ℃和1 080 ℃固溶处理后均获得近似相等含量的铁素体和奥氏体。SARAVANAN等[31]研究发现，脉冲LBW使UNS S32750双相不锈钢焊缝中形成了过量的铁素体(质量分数大于75%)，经过1 050 ℃×2 h的焊后热处理，焊缝中奥氏体质量分数达到近50%，从而提高了接头的耐腐蚀性能。YOUNG等[61]研究发现，LBW使2205型双相不锈钢接头中形成过量铁素体，但是当焊后1 050 ℃固溶处理保温时间从15 min增至60 min，接头熔合区的奥氏体质量分数从47%增大至55%，同时冲击韧性也显著提高。ZHANG等[92-93]研究发现，1 050,1 080,1 110 ℃保温15 min的焊后热处理完全消除了14 mm厚双相不锈钢板EBW焊缝和热影响区中形成的Cr2N和γ2相，明显改善了接头的耐点蚀性能。TAN等[48]研究发现，经过1 0201 120 ℃保温4 min焊后固溶处理后，UNS S32304双相不锈钢PAW接头中析出的Cr2N相溶解，且最佳固溶温度为1 080 ℃。YANG等[58]研究表明，UNS S31803双相不锈钢LBW接头中有大量Cr2N相在铁素体处析出，严重恶化了接头的耐点蚀性能，但经1 080 ℃×3 min固溶处理后，接头获得了与母材近似相近的耐点蚀性能。ZHANG等[92]研究发现，焊后热处理不会显著影响双相不锈钢EBW焊缝中铁素体晶粒的取向分布，但会影响奥氏体的形貌。在固溶温度一定的条件下，通常随着保温时间的延长，双相不锈钢高能量密度焊接头中奥氏体的含量增多，从而改善了接头的韧性和耐腐蚀性能。

由于传统的焊后热处理耗能费时，因此激光、电子束、感应加热等先进热处理技术逐渐应用于焊后热处理上。BRTA等[73]采用六道12 mm·s-1、100 mA非聚焦电子束对SAF 2205双相不锈钢EBW焊缝进行热处理后，焊缝局部区域铁素体质量分数由热处理前的83%变为53%，并且晶粒更加细小。CHAN等[100]先对UNS S32950双相不锈钢焊缝进行800 ℃等温热处理来模拟敏化过程，然后再进行激光表面处理，获得了平衡的铁素体/奥氏体两相比例并完全消除了M23C6、σ、γ2等二次相，进而改善了焊缝的耐腐蚀性能。LIU等[101]对SAF 2205双相不锈钢LBW接头进行连续激光热处理，发现有大量γ2相析出，且其析出机制由位错机制和扩散机制共同作用。虽然电子束和激光束已应用于焊接接头的焊后热处理方面，但有关双相不锈钢高能量密度焊接头的研究较少，尚未阐明热处理工艺参数与组织特征、力学性能和耐腐蚀性能的内在关联性。

3 结束语

在单一高能量密度焊接技术中，主要通过改变焊接速度、功率、电压、电流等工艺参数来调控热输入进而改变接头的组织与优化接头性能。但是，在保证焊透且避免熔池坍陷的前提下，高能量密度焊接工艺参数的可调窗口有限，通过此方法改善双相不锈钢焊接接头冲击韧性和耐腐蚀性能的效果不明显。通过高能量密度与低能量密度复合的焊接技术有望得到铁素体和奥氏体相均衡、无二次相析出且性能显著提升的焊接接头，但复合焊接工序较复杂且繁琐，目前急需开发便携、高效的复合焊接设备。高能量密度焊接的焊后冷却速率快、合金元素烧损严重，导致焊缝中极易形成过量的铁素体和析出有害的氮化物，进而恶化接头的低温韧性和耐局部腐蚀性能。研究高能量密度焊接温度梯度模型、显微组织生长规律、焊接工艺参数-熔滴过渡行为-显微组织-性能的内在关联性具有重要的意义。传统热处理费时、耗能、效率低、成本高，且在某些复杂工况下难以实施。随着高能量密度束流技术的发展，激光束、电子束、等离子弧等可用于焊后热处理。此外，借助电场、磁场、超声波等辅助技术，也能在焊接过程中以及焊后改善接头组织、抑制有害相析出。因此，开发新型、高效、方便的热处理技术有望提高焊后热处理的效率，为改善高能量密度焊接头组织和性能助力。双相不锈钢高能量密度焊接方法与焊接工艺对焊缝质量具有显著影响。随着人工智能的发展，焊接工艺数据收集、共享将不断推进技术的革新。因此，优化双相不锈钢高能量密度焊接工艺参数、完善焊接接头质量及性能评定标准，进而构建焊接数据库，将会为相关工程技术人员提供极大便利。