焊接工艺对2205双相不锈钢接头组织与相比例的影响

  双相不锈钢具有优良的综合性能，如高强度、低温高韧性、良好的耐孔蚀性、对应力腐蚀裂纹不敏感等等，并且在-50℃～280℃范围内常常具有优良的力学性能、焊接性能和具有竞争力的价格。现代的双相不锈钢由于采用氮合金化等技术，焊接性能有很大改善，但与普通奥氏体不锈钢焊接相比还是有许多问题。

 近年来，对双相不锈钢焊接接头组织和相比例的研究越来越深入，如至德钢业将神经网络分析法与其它的分析方法用于比较测试双相不锈钢焊接过程中铁素体的形成；至德钢业用X射线观察研究2205双相不锈钢焊接过程中热影响区的铁素体/奥氏体的转变行为，也有专门针对钨极亚弧焊保护气体进行的研究，主要集中在保护气体氨气和氮气的混合比例，随着保护气体中氮气体积分数的增加，无论是接头热影响区还是焊缝金属区，铁素体体积分数都呈下降的趋势，当氮气体积分数达到3％以上时，接头热影响区内的铁素体含量等于或与母材相差很少。从以上研究可以看出在对焊接接头的研究方面焊缝中相比例的控制、焊接工艺参数对焊缝组织的影响一直是研究的主要内容。而双相不锈钢焊接要点就是要保证焊接接头具有同母材一样的优异抗腐蚀能力，而决定该指标的主要因素就是金相组织和相比例。但是，在对双相不锈钢进行焊接时，由于不均匀的加热和冷却会使双相不锈钢焊接接头的组织与性能发生很大变化。因此，浙江至德钢业有限公司将对GTAW和SMAW焊后接头进行金相组织观察和相比例分析测定，同时，对两种接头进行相关耐蚀性试验，以验证不同焊接工艺对2205双相不锈钢焊接接头组织与耐蚀性的影响。

一、对焊缝组织的影响

  图是GTAW焊缝金相组织，是SMAW焊缝金相组织。可以看出两种接头组织都具有不规则的条状特征和两相交织分布的块状特征，在块状组织中，奥氏体相被铁素体相包围在一起。双相不锈钢的焊缝组织一般有两种形态，即焊缝中心区组织形态如图，此形态组织相对较细，形态差别较大，具有不规则的条状组织特征和两相交织分布的块状特征，在块状组织中，γ相被α相包围在一起，且块状γ相中还有点状的α相。另一部分是焊缝靠近融合区的组织状态，如图此种形态焊缝组织一般比较粗大，主要为方位不一的条状组织形态，为γ相和α相相间，由于接近融合区，因此使得受焊接热循环影响较大，γ晶粒比焊缝中心区域γ较粗大且此区域γ组织明显大于α，γ相含量也相对较多。通过对比两种接头焊缝可知GTAW和SMAW焊接试样奥氏体相含量相差无几，但是GTAW组织要比SMAW组织稍细。主要是因为SMAW采用的线能量较大，焊缝的冷却时间延长，有利作用是会促进更多的奥氏体生成，但会使得组织相对粗大。而GTAW使用Ar+2％氮气作为保护气体，不仅可以避免表面层焊缝金属的氮损失，也可以进一步促进焊缝中奥氏体的生成，这样就保证了晶粒不会粗化的前提下提高奥氏体含量，由图中还可以看出，GTAW奥氏体组织在铁素体基体中的分布比较均匀，因此，GTAW组织形态相对SMAW组织形态较好。

  双相不锈钢的焊缝组织为铸态组织，其在高温下铁素体相的高扩散率得以使合金化元素快速均匀化，容易消除凝固偏析，即使少量镍、钼元素显微偏析对于奥氏体相的形成也没有比较大的影响。当焊缝金属冷却铁素体转变成二次奥氏体时，伴随着铁素体和奥氏体之间铬、镍、钼和氮等合金元素的重新分配，将引起因合金元素的重新分配致使焊缝和热影响区金属的化学成分发生变化，合金元素分配的程度主要取决于焊接热循环。而在熔池金属冷却过程中，铁素体作为奥氏体非均质形核的核心，同时又对奥氏体的长大产生阻力，阻止奥氏体晶粒的长大，打乱了柱状晶的方向性，这有利于双相组织的形成，以及奥氏体和铁素体相的均匀分布。两相的平衡数量和α/γ比值的大小无论对焊缝的力学性能，还是耐试性能都有重要影响。

二、对热影响区组织的影响

  图是GTAW和SMAW焊接热影响区金相组织，从图中可以看出焊接热影响区组织也是两种形态，一种是靠近熔合线的热影响区组织形态如图所示，因受热循环影响较大，此种形态组织明显粗大，α相的晶粒比γ相粗大，α相相对含量也要高于γ相；另一种是靠近母材的热影响区组织形态如图，这部分热影响区组织较细，受热循环影响较小，温度相对较低，因此，主要组织特征为条状的γ相。一般来说在焊接2205双相不锈钢时，通过采用多道焊，合理控制热输入以及层间温度，这样后一道焊接对前一道起到了固溶处理的作用，可以析出更多的奥氏体，保证焊接接头的性能。 

  一般认为，在焊接热循环的作用下，双相不锈钢热影响区的组织变化较大，其相比例直接影响接头性能。按照焊接热循环的峰值温度高低，双相不锈钢的热影响区可划分为高温区，固溶区，中温区和低温区。低温区（低于400℃）的组织不发生变化；中温区400～950℃有析出物析出，如σ相、碳化物等；固溶区950～1200℃的铁素体相虽然随峰值温度增高而增多，但两相比例变化不大。高温区1200℃至熔点之间，起始阶段晶粒开始长大，奥氏体还有一定数量，脆性析出物少，当温度达到过热区时（高于1300℃），该区组织发生急剧变化，即使时间很短，也会形成等轴纯铁素体组织，晶粒粗大，在冷却过程中则发生铁素体向奥氏体转变。在焊接热循环的冷却过程中，由于从过热区峰值温度到400℃的时间很短，手工电弧焊通常只有20～30秒，而在铁素体向奥氏体转变的高温区和固熔区停留时间还不到10秒，因此相变过程难以达到平衡，相对于母材的固熔态来说，奥氏体组织的比例要减少。研究表明：在热影响区，必须有一定量的奥氏体才能将铁素体包围，形成奥氏体与铁素体的晶界，而且奥氏体还要在铁素体的晶内析出才能获得满意的性能。一般来说，过热区粗大的铁素体晶粒边界和晶粒内部均析出了羽毛状和条块状的奥氏体，数量可达20%～30%。

三、定量金相计算

  采用网格测点法得到不同焊接接头的铁素体相含量如图所示。可知两种焊接工艺接头焊缝区铁素体相含量较少，而热影响区和母材铁素体含量则较多，但GTAW和SMAW焊接工艺所得到的焊缝和热影响区中的铁素体含量均能满足单相约占40%～60%的比例，因此可以认定只要焊接工艺和参数选择适当，双相不锈钢焊接接头组织中相比例是可以满足要求的。对比GTAW和SMAW焊接接头铁素体含量可知，GTAW的焊缝和热影响区铁素体相要更少一些，并且GTAW接头相比例更接近于1:1，即GTAW接头组织相比例比SMAW接头组织相比例更好。

  众所周知，双相不锈钢的组织与相比例直接影响其焊接接头性能，因此，使用合适的焊接工艺和参数，保证合适的相比例和组织形态是十分必要的。除了不同元素的组成及比例影响相比例外，冷却工艺也在一定程度上影响其中两相的比例和组织形态。当焊接热输入高时，冷却时间得到延长提升了转变稳定了相平衡。但是，这种条件也可能使组织产生粗晶沉淀、宽的热影响区以及组织中可能出现的脆性金属间相。。热输入低，冷却速度快能防止有害的沉淀物，但奥氏体转变不完全，所以控制焊接热输入确保冷却速度足够慢以保证奥氏体充分形成是值得研究的。至德钢业利用神经网络结构模型，通过大量的试验建立了包含冷却速度这一重要因素的预测相比例的公式，预测结果与实际测定值能很好的吻合 。也有研究者从理论入手借助于热力学、相变动力学和扩散等经典理论来研究冷却速度对组织转变的影响，在这方面浙江至德钢业有限公司作出了卓有成效的研究，他们通过研究不同冷却速度对CD3MN 和CD3MWCuN 组织转变的影响，借助于理论，得到了与试验测定结果有很好一致性的数学模型。从过去的研究结果来看,冷却速度慢，组织粗大，可能有金属间化合物析出，但可提高δ/γ相比例；冷却速度快，组织细小，晶界面积大，但相比例不稳定。 双相不锈钢在高温下(1300℃以上)呈现单一的高温铁素体组织δ相。但冷却过程中粗大的δ相会转变成常温铁素体相(α相)和奥氏体相(γ相)，由于α相与γ相的生成条件和速度不同，因而不同的冷却起点温度及冷却方式(速度)会使α相与γ相有不同的最终比例，而且其组织特征也不同，当冷却速度较高时，γ相的析出温度较低，其形状以针状为主；当冷却速度较低时，γ相的析出温度较高，其形状以片状为主；双相不锈钢中δ相向γ相转变中γ的长大方式受冷却速度的影响也较大，当冷却速度较高时，γ相的长大以端面长大为主，侧面长大不明显；当冷却速度较低时，γ相的长大以端面长大为主，同时也伴随着侧面长大。

四、焊接接头析出相的检验 

  1. 正常的焊接接头金相组织

  图是正常的双相不锈钢基体和接头金相组织，主要为铁素体基体上分布条块状的奥氏体组织；图是经过850℃时效1小时的非正常双相不锈钢基体和接头金相组织，可以看出在奥氏体晶界上出现的黑色块状物，即为金属间析出相，其中主要以σ相为主。

  2. 有害相检验

  从双相不锈钢二次相的TTP图中可以看出，双相不锈钢在300℃以上时组织会产生二次相，从而使其耐蚀性和机械性能受到损害，这是双相不锈钢生产和使用过程中遇到的一个普遍问题。从图中还可以看出，当Cr、Mo含量较高或双相不锈钢中含有Cu、W时，二次相将在很短的时间内析出，表明析出倾向敏感，σ相、χ相、二次奥氏体及氮化铬等在650℃以上形成的二次相析出都比较快。

  2205同其他双相不锈钢一样经热处理、焊接或经长期在300℃～1000℃温度范围使用后，钢材内部会产生许多不同的析出物，包括σ相、γ相、α相、χ相、R相、π相以及氮化物、碳化物等等，一般而言这些析出相对材料机械性能、耐腐蚀性能皆有不同程度的不良影响。尤其是σ相不仅属于脆性相，而且析出速度极快，是影响钢的力学性能和耐蚀性能的主要有害相，因此在热加工过程中需要避免它们的析出。所以说双相不锈钢除了化学成分和相比例外，金属间相的析出也对钢的性能有很大的影响。这就有必要检测一下焊接后的双相不锈钢接头中是否存在析出的有害相（主要是σ相）。这些不希望出现的析出相，它们的析出倾向既受温度范围、冷却速度等因素的影响，但主要受合金元素含量的影响。在双相不锈钢中，铬、钼可促进σ相的析出。随铬、钼含量的增加，σ相的C曲线左移。在HAZ区，σ相沿δ/γ晶界析出，含铬、钼高的焊缝中还会有二次奥氏体析出，加速了σ相的析出。本文所使用的GTAW和SMAW焊接工艺及参数所焊接的双相不锈钢接头中均未发现有σ相的析出，说明只要选用合理的焊接工艺和焊接工艺参数，接头中一般是不会出现有害相析出的。