2205双相不锈钢埋弧焊焊缝组织与硬度关系的研究_罗键

2205双相不锈钢埋弧焊焊缝组织

与硬度关系的研究

罗键1 刘德佳1 冉汉权2

(1. 重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆，400030

2. 川东造船厂，重庆涪陵，408102)

摘 要：采用光学显微镜和显微硬度仪分析了埋弧焊接2205双相不锈钢所得接头的金相组织及焊接接头的显微硬度。研究表明：在本试验工艺条件下，接头焊缝区奥氏体含量在55%-60%之间；接头中的显微硬度值最高处在热影响区为280HV，在焊缝区硬度有一个由低到高再到低的过程，在焊缝中心处达到一个极大值约为275HV，其形成原因与成分偏析有关。

关键字：埋弧焊，双相不锈钢，组织，硬度

1 序言

2205双相不锈钢兼有奥氏体钢和铁素体钢的特性。奥氏体的存在，能够防止晶粒长大倾向，降低高铬铁素体钢的脆性，提高其韧性和可焊性。铁素体的存在，提高了奥氏体钢的屈服强度，同时使其具有抗应力腐蚀及热裂倾向小等特点[1-3]。常用于海洋工程、石油天然气输送、发电行业、化学工业等领域[4]。

要得到性能良好的双相不锈钢接头，其主要的措施就是在焊缝区和热影响区保证得到铁素体和奥氏体之间的合适比例。目前，常用于焊接2205双相不锈钢的焊接方法有MIG焊、TIG焊、等离子弧焊[5-7]。由于氮是稳定奥氏体组织的元素，在不锈钢中加入氮可以提高强韧度和耐腐蚀性能，改善焊接性能，所以常用含有一定量的N2混合气体保护焊来焊接双相不锈钢[6,7]。虽然MIG焊等焊接方法在一定的条件能得到合格的2205双相不锈钢接头，但是也存在一定的缺点，如MIG焊工艺复杂，接头内N的含量不易控制，当N超过了一定量时，在一定条件下会生成六方晶的Cr2N脆性相组织[8]。用埋弧焊来焊接双相不锈钢较为鲜见，一般认为埋弧焊焊接双相不锈钢时，因稀释率较大、铁素体量增加，降低了接头的塑性和韧性，有可能使焊缝金属脆化[9]。而埋弧焊焊接工艺简单、生产效率高，研究埋弧焊焊接双相不锈钢具有广阔的研究意义和实用意义。Jerzy Nowacki报道称采用埋弧焊焊接双相不锈钢时热输入高于3.0 kJ/mm时能够减少咬边、裂纹等焊接缺陷的产生，提高焊接接头的性能[10]。

本文研究了埋弧焊焊接2205双相不锈钢接头的宏观和微观组织图，分析了接头的显微硬度，对2205双相不锈钢焊接具有一定的指导意义。

2 试验材料及方法

所用2205双相不锈钢的化学成分为：21.1%Cr，5.8%Ni，2.7%Mo，1.42%Mn，0.165%N，0.053%C，0.45%Si，S<0.020%，P<0.030%，余量Fe。采用双面埋弧焊工艺焊接2205双相不锈钢，焊丝为ER2209，

焊剂为805焊剂，焊丝ER2209的成分为：22.7%Cr，8.30%Ni，3.20%Mo，1.64%Mn，0.16%Mn，C<0.03%，余量Fe。

母材的厚度为10mm，开X坡口，夹角90°，钝边3mm，装配间隙2－3mm。焊接工艺如表1所示，层间温度控制在150℃以下。

表1 焊接工艺参数

Table 1Welding technology parameters of the joint

焊丝直径(mm) 电流

(A)

电压(V)焊接速度

(cm/min)

热输入

(kJ/mm)

4.0 600 32 36 2.6

取金相试样研磨、抛光，用王水腐蚀2~3分钟，使用光学显微和TESCAN Vega LMUSEM

Ⅱ电子扫描显微镜观察微观组织。利用MC010-HV-1000显微维氏硬度计检测接头硬度分布及变化特征，加载试验力9.80N（1000 gf），试验力保荷时间10s。

3 试验结果及分析

3.1 显微组织分析

图1 接头试样宏观照片

Fig.1 The macroscopic picture of welded joint

图2 焊接接头光学显微组织图 (a)母材区；(b)熔合区与焊缝接合区；(c)焊缝区组织；

Fig.2 The pictures of optical microstructure of welded joint (a)base metal zone; (b)fusion zone and weld metal area; (c)weld metal

area

采用埋弧焊焊接2205双相不锈钢接头的宏观照片如图1所示，可以看到接头熔合良好，没有气孔、裂纹、夹杂等焊接缺陷。从熔合线到焊缝中心的组织分别是靠近熔合线的是较为细小的树枝晶，然后是粗大的柱状晶，柱状晶一直生长到焊缝中心。接头的光学显微组织如图2所示，图2(a)为母材组织，是δ铁素体与γ奥氏体组成的带状组织。图2(b)是熔合区与焊缝区的接合区，组织比较复杂，既存在着δ铁素体与γ

奥氏体，也可能存在着脆性的σ相和二次奥氏体γ2相。图2 (c)为焊缝区在不同倍数下的金相照片，从图中可以看到焊缝区是由羽毛状的γ奥氏体组织与条状、块状的δ铁素体组织组成。从图中可以看出，在焊缝区γ奥氏体组织含量很多。

一般接头中铁素体相含量没有严格的要求，但是一旦铁素体相的含量超过60%，就可能产生如焊缝脆化等问题[9]。如果接头内的铬和镍当量满足以下关系式时：

[][11.59]7eq eq q Cr Ni =−+> (1)

%% 1.5%0.5%eq Cr Cr Mo Si Nb =++×+ (2)

%30()%0.5%eq Ni Ni C N Mn =+×++× (3)

接头中将会出现单一的铁素体组织[11]。根据本实验中焊缝的化学元素含量，可以算出q 为5.08，所以接头中的两相比例比较合适。又根据Gooch 等人用Q 值可以预测焊缝金属的奥氏体数量，其关系式为[9]：

12

Q Q Q = (4) 1% 1.5%2%0.25%Q Cr Mo Mn Si =+×+×+× (5)

22%12()%Q Ni C N =×+×+ (6)

把焊缝区的化学成分代入式(4)－(6)可以算出Q 的值为1.787，从Q 值与焊缝金属的奥氏体数量的关系图可以查出，焊缝中奥氏体含量在55%-60%之间。这与焊缝区的显微组织图中奥氏体含量较多相吻合。

焊缝中的奥氏体含量较多，一方面是由于本试验采用埋弧焊焊接工艺，较大的热输入降低了焊缝区的冷却速度，使得处于奥氏体转变温度以上的时间较长，有利于奥氏体形成，提高了焊缝区的塑性和韧性。另一个原因是由于采用双相不锈钢焊丝ER2209，ER2209中Ni 、Mn 、N 元素等奥氏体形成元素较多，有利于扩大奥氏体相的区域，有利于在焊缝区形成较多的奥氏体组织，这与Yuan XJ 等人报道了采用含Ni 量较高的填充金属来焊接双相不锈钢有利于形成更多的奥氏体组织[12]的结论相一致。

3.2 显微硬度结果与分析

图3为2205双相不锈钢焊接接头的显微硬度分布曲线，从接头上显微硬度分布曲线图可以看出其分布和变化趋势存在三个特征区域：A ，母材区；B ，热影响区；C ，焊缝区。母材硬度较低，在240－250HV 之间；而热影响区硬度值最高，在275－280HV 之间，一方面是由于热影响区在焊接过程中受热循环的作用，使得晶粒粗大，导致硬度值升高；另一个原因是由于在热影响区是一个母材区和焊缝区的交界处，晶粒分布不均匀，容易在焊接过程中形成焊接残余应力，导致其显微硬度升高。