双相不锈钢焊接热影响区的组织转变影响因素及焊接特点

 双相不锈钢的焊接HAZ按承受的焊接热循环峰值温度的高低通常分为高温区(HTHAZ)和低温区(LTHAZ)，前者位于铁素体溶解度曲线至固相线这一温度范围（对大多数商业牌号为1250℃～熔点），几乎为单相铁素体组织，后者基本处于两相的平衡区。

 双相不锈钢焊接时焊接HAZ所受到的峰值温度从焊缝熔合线的固相线温度到室温是连续变化的，焊接HAZ的组织也是由与之相对应的连续渐变的显微组织梯度所组成，尤其在单相铁素体的高温段HTHAZ宽度极窄的情况下，要研究其重要的组织转变特征和作出性能评定是相当困难的，因此，往往采用焊接热模拟试验。在模拟的试样上再现焊接HAZ某处的焊接热循环，复制该处的组织以及进行一些性能试验来进行研究。采用一次焊接热模拟试验来再现单道焊接的焊接HAZ的组织，采用二次焊接热模拟试验以期再现多层焊接的焊接HAZ组织。图1-2示出00Cr25Mo3NiN型双相不锈钢的焊接热模拟循环曲线，曲线1为手工单道电弧焊热循环曲线，模拟的焊接HAZ简称为HAZ1，曲线1+2（曲线2）模拟多层焊接HAZ的组织，简称HAZ2。经检验，HAZ2的组织与多层焊HAZ的组织吻合[25]。

 影响焊接热影响区组织转变的因素主要有三个：

一、母材的铬、镍当量关系

 钢的P值越大，焊接HAZ的α铁素体量越高。有文献指出：B＜7时，焊接HAZ为理想的α+γ两相组织。

 近年来至德钢业对P值又作了进一步的修订，以Q值表示，并作出Q值与焊缝和焊接HAZ的奥氏体数量的线解图。从图中Q值可以预测焊缝金属的奥氏体数量，奥氏体量为50%时，误差约为12%。

二、母材的相比例和氮元素的作用

 焊接HAZ的组织和性能也与母材的相比例直接有关，而母材的相比例与铬镍当量之间是有关联的。

 当母材的α/γ≈70/30时，孔蚀率高，焊接HAZ内奥氏体量少且有纯铁素体晶界，铁素体晶内还会析出较多的氮化物（特别在表层与焊缝毗邻的HTHAZ内），这都导致焊接HAZ的韧性和耐腐蚀性下降。当母材的α/γ≈60/40时，HAZ1还不能确保无纯铁素体晶界，也就是说在单道焊时焊接HAZ组织还不理想，其性能低于母材。当母材的α/γ≈50/50时，焊接HAZ组织为理想的双相组织，母材和焊接HAZ的性能优良，可满足焊接结构用材的要求。当母材的α/γ≈40/60时，虽焊接HAZ的孔蚀率低，但韧性略有下降，母材的韧性也略有下降，孔蚀率也略有提高，热加工性能也将下降。此外，值得注意的是，当含氮双相不锈钢相比例失调，即在焊接HAZ出现单相铁素体或奥氏体相极少时，由于氮在铁素体相中溶解度很低，导致大量的氮化物析出，性能也急剧下降。因此，生产双相不锈钢时，除保证化学成分外，还应对相比例进行控制，即控制镍、铬当量。

 母材的相比例与B值有一定的内在联系，即B值越低，奥氏体量越高，但同一B值的钢材在固溶处理制度不同时，其两相比例还有差异。例如采用不同固溶温度处理的具有不同原始相比例的00Cr18Ni5Mo3Si2(0.06%N)双相不锈钢材料，经焊接热循环作用后其组织有如下的差别：α/γ≈55/45（950℃固溶）比值小的试验料加热时，奥氏体相转变成铁素体相的速度变慢，铁素体晶粒长大亦较少，冷却时再转变成奥氏体相的数量也较多；α/γ≈70/30（1050℃固溶）比值大的试验料加热时，奥氏体相很快消失，铁素体晶粒长大也严重，冷却时再转变成奥氏体相的数量也少；纯铁素体晶界有晶间腐蚀倾向，冷却时再次转变的奥氏体如果包围了铁素体晶界，则无晶间腐蚀倾向。

 综上所述，通过控制双相不锈钢的铬、镍当量值和加入适量的氮元素来控制两相比例是有效的，同时针对各个炉次的具体成分选择固溶温度对相比例进行微调也是可行的。这些对改善和提高双相不锈钢焊接HAZ的性能都是关键性问题。

三、 焊接参数的影响

 双相不锈钢的焊接HAZ所承受的焊接热循环温度范围包括从室温直至近焊缝区的熔点温度，而且冷却和加热速度与热输入（又称线能量或弧能）、构件尺寸和与焊缝的距离位置密切关联，至于多层焊接，由于重复加热和冷却，情况更是复杂，其速度还受层间温度的影响。

 为了保持理想的两相组织和满意的性能，双相不锈钢要求遵守一定的焊接工艺规程，选择合适的焊接参数。过高的铁素体量会造成焊件脆化，而过低的铁素体量又能引起应力腐蚀破裂。为了避免过高的铁素体量，不能采用过快的冷却速度，因线能量与冷却速度有一定关系，也就是说不能采用过低的线能量。当然，也要避免采用过慢的冷却速度即过高的线能量，它会导致焊接HAZ粗晶和金属间相的析出。近年来又常采用1200～800℃或800～500℃温度区间的冷却时间来表示，前者接近于奥氏体形成的温度范围。

 综上所述，双相不锈钢焊接HAZ的特点可以归纳为以下几点：

 1.  双相不锈钢焊接HAZ的问题主要集中在高温区。该区在焊接热循环作用下，组织发生了较大的变化。热循环的加热段虽然只有数秒钟，高温区的奥氏体相仍能溶解于铁素体中，转变完全。在热循环的冷却段，高温区的铁素体相向奥氏体相的转变却是不平衡的，奥氏体相大幅度下降。这种组织的焊接接头防碍了双相不锈钢的应用和推广。第一代的双相不锈钢往往就是这种情况。

 2. HTHAZ的奥氏体相减少是不可避免的，但析出部分奥氏体相却是可能的。当奥氏体相的数量能布满铁素体相晶界，消除了α-α晶界，形成了α-γ晶界时，这样的组织的焊接接头性能是满意的。相比例达到50/50的双相不锈钢，HTHAZ的组织虽然发生奥氏体量数量下降，但仍能有15%～30%γ相析出，其两相组织是“健全”的，没有纯铁素体晶界。当然，要使钢材获得稳定且一定比例的两相组织是有一定难度的，但为了满足焊接的需要却是必须。第二代双相不锈钢中的不少牌号，尤其是含氮双相不锈钢和第三代超级双相不锈钢都具备了这样的条件。

 3. 焊接工艺中的焊接线能量和多层焊（可使焊接HAZ二次受热）对焊接HAZ组织影响较大。相对而言，线能量影响的程度有限，而多层焊对组织的改善却是明显的。采用多层焊时一般均要对线能量进行限制。