節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接接頭組織及性能分析

杜榮臻，劉西洋，馬一鳴，李偉，徐亦楠，宋南

1.中機焊業(yè)科技（福建）有限公司 福建三明 365500

2.上海電機學院 上海 201306

3.哈爾濱焊接研究院有限公司 黑龍江哈爾濱 150028

4.北京金威焊材有限公司 天津 301906

1 序言

傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼合金元素主要為Cr和Ni，具有優(yōu)良的抗腐蝕性能，廣泛應用于航空航天、核電裝備、海洋工程、化工機械及生物醫(yī)學等領域[1，2]。但因其消耗鎳資源、成本高，20世紀初國外學者就已經(jīng)開始研究用氮代鎳來穩(wěn)定奧氏體，提高鋼的強度和耐腐蝕性能[3，4]。目前，國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼：QN1803，氮含量在2000ppm（1ppm=10-6）以上，相對于傳統(tǒng)304奧氏體不銹鋼節(jié)鎳約60%，點蝕當量PREN在19.0以上，抗拉強度≥650MPa，成本降低1/4[5]。

雖然節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼具有價格低、強度高、耐蝕性好等優(yōu)勢，但固溶氮容易在焊接過程中逸出，使節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接接頭性能下降，進而限制了其推廣和應用[6，7]。

文中采用MAG和SAW兩種焊接方法，研究了節(jié)鎳奧氏體不銹鋼焊接接頭組織和力學性能，對比分析了兩種焊接方法對焊接接頭宏觀形貌、顯微硬度、力學性能、微觀組織及晶粒度的影響規(guī)律，對節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼工程化應用具有一定的指導意義和參考價值。

2 試驗方法

2.1 試驗材料

試驗母材選用0 8 C r 1 9 M n N i 3 C u 2 N節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼，試板尺寸規(guī)格為300mm×150mm×12mm，如圖1所示。試驗用明弧焊絲選用ER307Si，直徑為1.2mm；埋弧焊絲選用SAW308L，直徑為3.2mm，焊劑選用堿性SJ601A。選用的試驗材料成分和力學性能見表1、表2。

表1 試驗材料成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表2 試驗材料力學性能

圖1 對接試板坡口尺寸

2.2 試驗方法

M A G弧焊電源型號為T P S4000，保護氣為95%Ar+5%CO2，試驗焊接參數(shù)見表3；SAW電源型號為DC-1000，試驗焊接參數(shù)見表4。

表3 MAG試驗焊接參數(shù)

表4 SAW試驗焊接參數(shù)

2.3 檢測設備

焊縫組織形貌采用Olympus光學顯微鏡（OM）觀察；焊縫中鐵素體含量采用菲希爾FMP鐵素體測量儀測量；焊縫組織顯微硬度采用HV-1000型顯微硬度計測量；焊縫相組成及含量、奧氏體晶粒度采用XRD-6000型X射線衍射儀測量；點蝕試驗按GB/T 17897—2016中B法進行。

3 試驗結果分析

3.1 焊接接頭宏觀質(zhì)量

圖2為采用MAG和SAW焊接的節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接接頭宏觀金相形貌。從圖2可看出，兩種焊接方法的焊接接頭均結合良好，未見氣孔、裂紋、夾渣等焊接缺陷，射線和滲透檢測結果均為Ⅰ級。

圖2 焊接接頭宏觀金相形貌

3.2 焊接接頭顯微硬度

圖3為采用MAG和SAW焊接的低鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接接頭顯微硬度。

由圖3可知，兩種焊接方法的焊接接頭熱影響區(qū)硬度略高于母材，焊縫區(qū)的顯微硬度略低于母材，接頭的顯微硬度無顯著變化。這是因為焊接時焊縫區(qū)發(fā)生了氮的逸出，氮的固溶強化作用下降，導致焊縫區(qū)的顯微硬度降低；而熱影響區(qū)有脆硬的碳化物析出，提升了其顯微硬度。說明采用兩種焊接方法焊接節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼，其焊接接頭不存在明顯軟化區(qū)。

圖3 HV5 顯微硬度分布曲線

3.3 焊接接頭拉伸性能

表5為采用MAG和SAW焊接的節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接接頭拉伸試驗結果。由表5可知，MAG和SAW焊接接頭抗拉強度無顯著差別，均略低于母材，接頭斷在焊縫。兩種焊接方法的焊接接頭抗拉強度明顯高于焊材，尤其是SAW接頭，這是因為焊接時母材中固溶氮發(fā)生逸出，部分逸出的氮又重新固溶到焊縫中，提升了焊縫的抗拉強度。

表5 拉伸試驗結果

3.4 焊接接頭沖擊性能

表6為采用MAG和SAW焊接的節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接接頭沖擊性能試驗結果。由表6可知，MAG和SAW焊接接頭都具有良好的低溫沖擊性能，兩種焊接方法的焊接接頭沖擊性能無明顯差別。

表6 焊接接頭沖擊性能

3.5 焊接接頭金相組織及晶粒度

圖4、圖5分別為采用MAG和SAW兩種焊接方法焊接的節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接接頭微觀組織。

由圖4a、圖5a可知，兩種焊接方法焊接的節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接接頭焊縫組織均為奧氏體+δ-鐵素體，隨機選取5個視場依次測得MAG和SAW焊接接頭的鐵素體含量分別為10.0%和10.1%。

由圖4b、圖5b可知，兩種焊接方法焊接的節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接接頭熔合區(qū)沒有明顯的熔合線，熔合區(qū)在晶粒內(nèi)部連續(xù)過渡，說明母材和焊縫熔合良好。

由圖4c、圖5c可知，兩種焊接方法焊接的節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接接頭過熱區(qū)組織均為奧氏體+δ-鐵素體，晶粒度都在7級以上，均未產(chǎn)生晶粒明顯長大的現(xiàn)象，對接頭性能影響較小。由此說明，采用MAG和SAW焊接節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼均可獲得理想的焊縫組織和力學性能。

圖4 MAG焊接接頭微觀組織

圖5 SAW焊接接頭微觀組織

3.6 焊接接頭點蝕性能

圖6、圖7為采用MAG和SAW兩種焊接方法焊接的節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接接頭點蝕形貌。表7為試樣失重數(shù)據(jù)、尺寸以及計算獲得的腐蝕速率。由表7數(shù)據(jù)可知，MAG和SAW兩種焊接方法焊接的點蝕試樣腐蝕均較為嚴重，這是因為焊絲中鎳含量較低，降低了其耐點蝕性能；另外，從組織構成分析可知，兩種接頭均由奧氏體和δ-鐵素體雙相組織構成，存在大量的γ-δ晶界，故兩種接頭的抗點蝕能力較差。

圖6 MAG焊接接頭點蝕試樣

圖7 SAW焊接接頭點蝕試樣

表7 焊接接頭點蝕試驗數(shù)據(jù)

4 結束語

本文針對節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接問題，采用MAG和SAW兩種焊接方法，分析了其焊接接頭的組織和性能。

1）08Cr19MnNi3Cu2N節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼兩種焊接接頭中焊縫與母材熔合良好，未見氣孔、裂紋、夾渣等缺陷，射線和滲透檢測結果均為Ⅰ級。

2）兩種焊接接頭熱影響區(qū)顯微硬度略高于母材，焊縫區(qū)的顯微硬度略低于母材，接頭的顯微硬度無顯著變化，不存在軟化區(qū)。

3）兩種焊接接頭焊縫和熱影響區(qū)組織均由奧氏體+δ鐵素體組成，晶粒沒有明顯的粗化現(xiàn)象，晶粒度均在7級以上，具有良好的拉伸和沖擊性能，但抗點蝕能力較差。

4）兩種焊接方法均適用于08Cr19MnNi3Cu2N節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接，在需要抗點蝕的工況條件下，可以考慮選擇鎳含量較高的焊絲進行焊接。