代绪成１,陈 强１,仝明磊２,张秀荷１
[１．海洋石油工程股份有限公司,青岛 ２６６５２０;２．海洋石油工程(青岛)有限公司,青岛 ２６６５２０]
摘 要:采用手工电弧焊(SMAW)对 UNS３１８０３双相不锈钢进行焊接,通过金相检验、力学性能试验、硬度测试、耐蚀性能试验等方法对 UNS３１８０３双相不锈钢手工电弧焊接接头的显微组织和性能进行了分析.结果表明:采用适当的焊接工艺参数进行焊接,所得到的焊缝显微组织为铁素体＋奥氏体,无 σ相析出;焊接接头具有优良的力学性能;焊缝和热影响区的铁素体含量均在３５％~６５％(体积分数)的合理范围内;在２２ ℃的６％(质量分数)FeCl３ 溶液中,焊接接头的不同区域均具有良好的耐蚀性能.
双相不锈钢是指组织中铁素体和奥氏体各占约 ５０％(体积分数)的不锈钢[１],兼有铁素体不锈钢和 奥氏体不锈钢的优点,其强度优于奥氏体不锈钢的, 韧性优于铁素体不锈钢的[２].
双相不锈钢由于具有 良好的力学性能、焊接性能和优异的耐蚀性能,广泛 应用于海洋工程、石油化工、特种船舶、核电和建筑等重要行业[３Ｇ５].双相不锈钢焊接的最大特点是在焊接热循环的作用下,焊接接头尤其是热影响区的显微组织会发生一系列复杂的变化[６],进而很大程度上影响焊接接头的力学性能和耐蚀性能。
因此双相不锈钢焊接需要解决的核心问题,一是使热影响区和焊缝中铁素体和奥氏体保持合适的 比例,二是要防止焊后冷却过程 中 碳 化 物 和 金 属 间 相 (主 要 是 σ 相)的 析出[７Ｇ８].笔者通过选取合理的手工电弧焊焊接工艺参数对 UNS３１８０３双相不锈钢进行焊接,并对焊接接头的显微组织和性能进行分析,为 UNS３１８０３双相不锈钢手工电弧焊的现场应用提供理论依据.
１ 试验材料与试验方法
１．１ 试验材料
试 验 材 料 为 ?３００ mm × ２５．４ mm 的UNS３１８０３ 双 相 不 锈 钢 管,选 用 ?２．６ mm 的E２２０９Ｇ１６焊条作为焊材,母材和焊条的化 学 成 分如表１所示.
采用手工电弧焊(SMAW)进行焊接,单边 V 形坡口,坡口角度６０°,钝边高度b＝１~２mm,根部间隙宽度c＝２~４mm.在焊接前仔细打磨坡口表面,并使用丙酮清理坡口表面的油污.
双相不锈钢焊接的关键在于如何保证相比例平衡,若热输 入 量 过 低,工 件 冷 却 速 度 过 快,不 利 于α→γ的二次相变,焊缝和热影响区会产生过多的铁素体和氮化物,从而降低焊接接头的耐蚀性能及韧性[９].若热输入量过高,工件冷却速度过慢,铁素体组织粗大,焊缝和热影响区可能析出σ相,也会使焊接接头的耐蚀性能及韧性降低[９].因此,焊接时热输入量控制在０．５~１．５kJ??mm－１,层间温度不超过１５０ ℃,具体焊接工艺参数如表２所示.
１．２ 金相检验及铁素体含量测定
根据 ASTM A９２３－１４«检测双相奥氏体———铁素体不锈钢中有害金属相的标准试验方法»中的方法 A 对金相试样进行粗磨、细磨、抛光,然后将试样放在９０~９３ ℃的铁氰化钾碱性溶液(３０gKOH＋３０gK３Fe(CN)６ ＋１００ mL H２O)中进行着色浸蚀,时间约为３min.着色浸蚀后采用 OLY MPUSＧGX５１金相显微镜分别观察焊缝、热影响区和母材的显微组织。
采用 ASTM E５６２－１１«用系统人工点计数法测定体积分数标准试验方法»中的标准结点法,通过人工数点 法 对 焊 缝、母 材 及 热 影 响 区 的 铁 素 体含量进行测量.测试网格包含２５个(５个×５个)等间距的点,每个区域共测试８个视场,合计２００个点。
１．３ 力学性能试验
１．３．１ 拉伸试验
根据 ASMEBPVCSection Ⅸ－２０１７«焊接、钎焊和粘结评定»要求,在 WAWＧ１０００C 型万能试验机上进行 ２ 件 拉 伸 试 验,拉 伸 试 样 形 状 及 尺 寸 如图１所示,试样数量为２件.
１．３．２ 弯曲试验
根 据 ASME BPVC Section Ⅸ － ２０１７,在WDWＧ３００E型万能试验机上进行弯曲试验(侧弯).弯曲压头直径为３８．１mm,弯曲角度为１８０°,弯曲试样形状及尺寸如图２所示,试样数量为４件.
１．３．３ 夏比冲击试验
按照 ASMEBPVCSection Ⅸ－２０１７,在焊接接头 的 焊 缝、热 影 响 区 和 母 材 分 别 取 １０ mm×１０mm×５５mm 的 V 型缺口冲击试样各一组(每组３件),在 JBWＧ３００B 型 屏 显 冲 击 试 验 机 上 进 行－５０ ℃低温冲击试验,冲击试样形状及尺寸如图３所示.
１．４ 硬度测试
采用 VHＧ５AC型维氏硬度计分别在距离试验件上下表面１mm 位置处测量焊缝、热影响区和母材３个区域的维氏硬度,其中焊缝和母材的测点间距为１mm,热影响区的测点间距为０．５mm.加载载荷为９８N(１０kgf),加载时间为１５s.
１．５ 耐蚀性能试验
采用线切割法平行于焊接接头剖面进行切割,加工出１５mm×２５mm×５０mm 的试样３件,并用１０００号砂纸对试样的６个加工面进行抛光.根据ASTM G４８－１５«使用三氯化铁溶液做不锈钢及其合金的耐点蚀和抗裂口腐蚀试验的标准方法»中的方法 A 进行耐蚀性能试验,腐蚀液为１０００ mL 质量分数 为 ６％ 的 FeCl３ 溶 液,试 验 温 度 为 (２２±２)℃,腐蚀时间为７２h.
２ 试验结果与分析
２．１ 组织形貌
２．１．１ 低倍组织
UNS３１８０３双相不锈钢焊接接头的宏观形貌如图４所示,可见焊缝表面形貌良好,无明显气孔、夹渣、未熔合、裂纹等缺陷.
２．１．２ 显微组织
图５ 为 母 材 的 显 微 组 织 形 貌,由 体 积 比 接 近１∶１的奥氏体(白色)和铁素体(黑色)双相组成,且两相沿钢管轧制方向呈带状交替分布.
焊缝的显微组织形貌如图６所示,图６a)为焊缝盖面位置组织形貌,图６b)为焊缝根部位置组织形貌.由图６可知,焊缝的显微组织由奥氏体和铁素体两相组成,无脆性σ相析出.奥氏体在铁素体基体上呈针状分布,奥氏体较为粗大,并有少量碎块状奥氏体.比较盖面和根部处的显微组织形貌,可见根部的奥氏体含量多于盖面处的,这是因为采用了多层多道焊的工艺,后续焊道对前层焊道有热处理作用,促使前层焊道金属中的铁素体进一步转变成奥氏体[１０Ｇ１１],使奥氏体含量增多.
热影响区的显微组织形貌如图７所示,可见其由奥氏体和铁素体两相组成.奥氏体组织依然保留轧制态的带状组织特征,但带状奥氏体在厚度上有所增长,且在靠近焊缝位置出现细碎的块状奥氏体.相比焊缝区域,热影响区的奥氏体含量相对较低.这是因为在热影响区冷却阶段,高温区的铁素体相向奥氏体相的转变是不平衡的,奥氏体相大幅减少[６]
２．２ 铁素体含量
采用 ASTM E５６２－１１中的标准结点法,通过人工数点对各区域进行铁素体含量测定,各区域测定结果见表３.由表３可知,母材、焊缝和热影响区的铁素体平均含量分别为４６．５％、４４．５％和５２．５％,各区域的铁素体含量均在３５％~６５％合理范围内,这样的两相比例有效地保证了焊接接头具有和母材相近的各项优异性能.
２．３ 力学性能
２．３．１ 拉伸性能
焊接接头的抗拉强度为７７０ MPa和７５３MPa, 均高于母材标准规定最低值６２０MPa.断裂位置均位于母材,说明焊缝的抗拉强度高于母材的.
２．３．２ 弯曲性能
焊接接头弯曲试验为侧弯,弯曲试样的受拉面无肉眼可见缺陷,且没有裂纹产生,表明焊接接头具有良好的延塑性.
２．３．３ 冲击性能
夏比冲击试验结果如表４所示,焊缝和热影响区的冲击吸收能量均低于母材的.一是由于奥氏体具有优良韧性,母材中奥氏体所占比例高,其冲击韧性相应增加;二是焊缝中奥氏体虽与母材含量较为接近,但焊缝中奥氏体呈针状、颗粒状分布,对铁素体基体的割裂作用增大,导致冲击韧性降低.
２．４ 硬度
图８为焊接接头各区域维氏硬度测试结果,各区域硬度值维持在２５０~２８０ HV１０.热影响区的硬度均大于母材和焊缝的,这是因为热影响区中铁素体含量大于母材和焊缝的,由于铁素体的硬度大于奥氏体的,因而热影响区的硬度也随之升高.
单位面积质量损失为０．９７５１g??m－２,远低于技术要求的最大单位面积质量损失４．０g??m－２.点蚀试验后试样在放大２００倍光学显微镜下观察无明显点蚀坑,如图９所示.试样腐蚀前后质量基本无变化,且不存在点蚀坑,表明焊接接头具有良好的耐蚀性能.
２．５ 耐蚀性能
三 氯化铁点蚀试验结果见表５,３个试样的平均单位面积质量损失为０．９７５１g??m－２,远低于技术要求的最大单位面积质量损失４．０g??m－２.点蚀试验后试样在放大２００倍光学显微镜下观察无明显点蚀坑,如图９所示.试样腐蚀前后质量基本无变化,且不存在点蚀坑,表明焊接接头具有良好的耐蚀性能.
３ 结论
(１)采用SMAW 焊接工艺对 UNS３１８０３双相不锈钢管进行焊接,所得焊缝外观质量优异,并可获得力学性能优良的焊接接头.
(２)通过对焊接接头各区域显微组织进行分析发现,母材和热影响区的奥氏体组织呈带状分布,而焊缝的奥氏体组织呈针状分布,且晶粒较为粗大.母材、焊缝和热影响区的铁素体含量分别为４６．５％、４４．５％和５２．５％,铁素体和奥氏体两相比例合理.
(３)双相不锈钢焊接接头的硬度和冲击韧性与奥氏体含量存在一定关系,奥氏体含量高,其冲击韧性好,但硬度也相应降低.
(４)焊接接头的平均点蚀单位面积质量损失为０．９７５１g??m－２,试样腐蚀前后的质量基本没有发生变化,说明该焊接接头具有良好的耐蚀性能.
（文章来源-材料与测试网-理化检验-物理分册）