Super304H/T92異種鋼摩擦焊焊接接頭的顯微組織和力學性能

贠柯　魯　元　楊　旭　李鵬濤　丁　勇　王若虹（西安特種設備檢驗檢測院 西安 710065）

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Super304H/T92異種鋼摩擦焊焊接接頭的顯微組織和力學性能

贠柯魯元楊旭李鵬濤丁勇王若虹
（西安特種設備檢驗檢測院 西安 710065）

摘 要：本文利用連續驅動摩擦焊技術焊接Super304H/T92異種鋼鋼管，Super304H/T92焊接接頭有良好的顯微組織和力學性能?？疾炝四Σ習r間對焊接接頭的微觀組織和力學性能的影響，研究表明：隨著摩擦時間的延長，焊合區晶粒尺寸沒有明顯變化，熱影響區Cr23C6等碳化物析出相的數量逐漸增加，焊接接頭的顯微硬度逐漸增大，沖擊韌性逐漸降低，拉伸斷裂位置和拉伸強度不受影響。

關鍵詞：Super304H T92 摩擦焊 顯微組織 力學性能

隨著全球環境和溫室效應問題被提上議題，我國也提出了經濟發展和環境保護相協調的可持續發展戰略。為了滿足節能減排和保護環境的需要，發展高效能的超臨界、超超臨界蒸汽參數的蒸汽循環發電機組是重要的解決途徑。通過提高蒸汽參數，可以有效改善和提高發電機組的發電效率，為了保障蒸汽參數提高的工況下機組的長周期安全可靠運行，必須研究高溫耐熱鋼材焊接技術［1，2］。T92鋼是細晶強韌化馬氏體耐熱鋼，比T91等傳統馬氏體耐熱鋼具有更高的蠕變斷裂強度。Super304H鋼是細晶奧氏體不銹鋼，由于添加Cu、Nb、N合金元素，具有比傳統HR3C奧氏體不銹鋼具有更高的蠕變斷裂強度和抗高溫蒸汽氧化性能。在USC鍋爐過熱器各區域蒸汽溫度不同，對所用管材的抗腐蝕性、抗氧化性和高溫蠕變性能的要求也不同，因此，在機組過熱器管部件中會出現大量的T92和Super304H異種鋼焊接接頭［3-5］。T92和Super304H異種鋼焊接接頭性能的優劣將關系到機組的安全可靠運行，所以，T92和Super304H異種鋼焊接技術的研究具有重要的價值。

實際工程應用中，T92和Super304H異種鋼焊接通常采用手工氫弧焊（GTAW）打底，手工電弧焊（SMAW）對T92馬氏體鋼和Super304H奧氏體鋼進行異種鋼焊接。現有的焊接工藝具有焊接工藝成熟，適合現場安裝組焊，焊接條件要求低，焊接接頭性能優良等優點。但是，焊接時還存在以下問題：1）焊接時鄰近焊縫部位的母材受熱形成晶粒粗大的熱影響區，使得熱影響區材料的韌性降低，從而影響其高溫性能；2） 焊接時靠近熔合線的焊縫金屬會出現過渡層（熔合區），且成分沿著厚度方向是變化的。3）焊接時焊縫熔合線部位出現碳遷移，焊縫兩端分別會形成增碳層和脫碳層，降低焊接接頭的性能。連續驅動摩擦焊是在壓力下，利用被焊工件接觸面相互摩擦產生的摩擦熱，使被焊接面金屬達到熱塑化狀態，通過金屬間的擴散和再結晶實現連接的焊接方法。連續驅動摩擦焊技術是目前世界各國推廣應用的先進固態連接技術，通過扭矩和熱、壓力的綜合冶金作用，焊接接頭焊合區組織致密、晶粒細化、夾雜物彌散分布，因此焊接接頭的微觀組織和力學性能優良［6，7］。

摩擦時間是非常重要的摩擦焊焊接工藝參數，摩擦時間決定了焊接接頭的摩擦加熱過程，直接影響焊接接頭的加熱溫度和溫度分布，對于焊接接頭的焊接質量有重要的影響。本文作者利用連續驅動摩擦焊技術焊接Super304H奧氏體耐熱鋼和T92馬氏體耐熱鋼鋼管，考察摩擦時間對于鋼管焊接接頭的微觀組織和力學性能的影響，為Super304H/T92異種鋼摩擦焊焊接技術的進一步研究和應用提供了參考。

1 實驗

試驗用Super304H鋼管是由日本某公司生產，供貨狀態為固溶處理，T92鋼管是由德國某公司生產，供貨狀態為正火+回火，規格均為φ44.5mm×9mm。鋼管表面質量良好，其外觀形貌如圖1所示。

采用SPECTROLAB定量光譜儀實測化學成分見表1。Super304H鋼在TP304H的基礎上添加Cu、Nb、N合金元素，有利于提高高溫蠕變斷裂強度和耐腐蝕性能。T92鋼是在T91鋼的基礎上利用W部分取代Mo得到的新型Cr-Mo低合金耐熱鋼，具有更高的許用應力、高溫強度和蠕變強度。Super304H和T92鋼的力學性能指標見表2。Super304H鋼和T92鋼母材的金相組織如圖2所示，Super304H鋼的基體為奧氏體組織，晶粒細小，金相組織有部分孿晶，晶內和晶界上分布有少量碳化物析出相。T92鋼的金相組織為回火馬氏體，馬氏體板條形狀清晰可見，部分馬氏體板條界已轉變為亞晶界，少量碳化物在原奧氏體晶界和馬氏體板條界形成。

表1　Super304H鋼及T92鋼化學成分 （Wt%）

表2　Super304H鋼及T92鋼的室溫力學性能

圖2　Super304H鋼和T92鋼金相組織

使用連續驅動摩擦焊機C320進行焊接，焊接工藝參數為：一級加壓階段，轉速為1500r/min，摩擦壓力為50MPa，摩擦時間為2s；二級加壓階段，轉速為1500r/min，摩擦壓力為150MPa，摩擦時間為工藝1（6s）、工藝2（10s）和工藝3（14s）；頂鍛階段，頂鍛壓力為200MPa， 頂鍛時間為5s。為了消除焊接接頭的焊接殘余應力進行焊后熱處理，加熱溫度960℃，保溫時間2h。焊接接頭經外觀檢查和X射線無損檢驗，沒有發現裂紋存在。利用RGM-4300電子萬能材料試驗機進行拉伸強度和彎曲實驗，拉伸和彎曲試樣加工尺寸參考承壓設備產品焊接試件的力學性能檢驗NB/T 47016—2011［8］，制備拉伸試樣6個，取平均值，制備面彎和背彎試樣各2個。利用GL-JBDW-300C沖擊試驗機進行沖擊韌性實驗，沖擊試樣加工尺寸參考金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法GB/T 229—2007［9］，焊接接頭焊合區、熱影響區和母材區各取3個標準試樣為一組，取平均值。利用數顯顯微硬度計MHVD-1000APS測量試樣的顯微硬度（試驗力范圍200gf，實驗載荷200g，加載時間15s），每個部位測量硬度6個點，取平均值。制備金相試樣，試樣拋光后，焊接接頭Super304H側用稀硝酸溶液進行腐蝕，焊接接頭T92側用硫酸銅溶液進行腐蝕，利用光學顯微鏡XJP6A觀察金相組織，利用JSM-6390A型掃描電子顯微鏡觀察試樣的斷口形貌。

2 結果與討論

2.1 Super304H/T92焊接接頭的顯微組織

圖3～圖5是不同摩擦時間的Super304H/T92鋼焊接接頭試樣的金相組織。焊接接頭的金相組織由焊合區和熱影響區組成。Super304H/T92鋼摩擦焊焊接過程中，焊合區產生粘合、體積塑形粘滯和剪切撕裂行為，導致焊合區晶粒發生變形，動態再結晶驅動力和晶格畸變能增大。因為熱塑性變形溫度降低，再結晶晶粒單位體積自由能隨之降低，產生大量均勻的再結晶形核，導致焊合區以動態再結晶的細晶組織為主。Super304H/T92鋼焊接接頭的焊合區包括焊接界面，焊接界面Super304H側或T92側30μm區域。焊合區中心為Super304H/T92焊接界面，界面清晰平直，局部因為焊接過程中粘合和剪切撕裂行為，Super304H側的焊合區中偶爾出現T92的夾層組織，夾層組織與焊接界面平行。焊接界面Super304H側30μm區域內，因為動態再結晶的細化晶粒作用，焊縫組織以細小的奧氏體等軸晶為主。焊接界面T92側30μm區域內，焊縫組織因為摩擦產生的高溫導致馬氏體組織奧氏體化，再加上動態再結晶的細化晶粒作用，形成細小的奧氏體等軸晶，隨著冷卻過程，奧氏體等軸晶轉化為回火馬氏體，部分馬氏體內部發生回火分解，板條狀不明顯［10］。因為，Super304H/T92鋼摩擦焊焊接接頭焊縫組織的Super304H/T92焊接界面結合良好，焊接界面兩側30μm區域內的奧氏體和回火馬氏體晶粒細小，所以焊合區具有較高的強度。

Super304H/T92鋼摩擦焊焊接工藝屬于固相焊接，焊合區未發生焊材和局部母材金屬熔化，焊接過程中熱影響區的熱輸入遠遠小于氬弧焊熱影響區的熱輸入。所以，Super304H側和T92側熱影響區寬度遠遠小于氬弧焊熱影響區寬度，沒有氬弧焊T92側熱影響區通常存在的以塊狀δ鐵素體相為主的過熱區。此外，摩擦焊熱影響區的晶粒長大趨勢沒有氬弧焊熱影響區的晶粒長大趨勢明顯，晶粒尺寸相對較小。Super304H側熱影響區的粗大奧氏體晶粒隨著與焊接界面距離逐漸增大，晶粒尺寸逐漸減小，直到與母材區晶粒尺寸一樣［11］。T92側熱影響區的馬氏體板條束和板條尺寸明顯增大，隨著與焊接界面的距離逐漸增大，馬氏體板條束和板條尺寸逐漸減小，直到與母材區尺寸一樣。Super304H側和T92側熱影響區寬度較窄，沒有過熱區存在，所以熱影響區組織具有較高的強度。

圖3　工藝1的焊接接頭金相組織

圖4　工藝2的焊接接頭金相組織

圖5　工藝3的焊接接頭金相組織

Super304H/T92摩擦焊表面溫度與摩擦焊接熱源溫度相同，直接影響焊接接頭的加熱溫度、溫度分布、接頭金屬的變形與擴散，對于Super304H/T92焊接接頭的微觀組織有很大影響。在焊接焊件時，摩擦焊熱源被認為是一個線性傳播的連續均布的面狀熱源。如果不考慮向周圍空間的散熱，根據焊接熱過程計算公式，金屬摩擦焊表面的溫度為［12］：

式中：

T（t）——摩擦焊接表面溫度；

t——摩擦加熱時間；

q——摩擦加熱功率（焊接熱源的功率）；

λ——熱導率；

C——熱容量。

摩擦加熱功率為［12］：

式中：

q—摩擦加熱功率；

T—摩擦轉矩；

n—轉速。

摩擦轉矩主要取決于摩擦壓力和摩擦因數，摩擦因數主要由焊接材料，轉速和摩擦壓力，焊接表面狀況等決定。因此，Super304H/T92摩擦焊焊接過程中，當焊接材料，轉速和摩擦壓力，焊接表面狀況等一定，摩擦轉矩和摩擦加熱功率不變，隨著摩擦加熱時間增加，摩擦焊接表面溫度增加。所以，焊縫區域焊接溫度升高，焊接接頭溫度分布變寬。因為焊合區持續的動態再結晶過程，雖然摩擦時間延長導致焊合區焊接溫度升高，但是焊接界面兩側30μm內的焊合區組織晶粒尺寸沒有發生明顯變化。隨著摩擦時間延長，焊接過程中熱影響區的熱輸入增加，導致熱影響區的溫度升高，Super304H側熱影響區的奧氏體晶粒尺寸和T92側熱影響區的馬氏體板條束和板條尺寸略微增大，Super304H側區域的Cr23C6、Nb（C，N）析出相和T92側區域的Cr23C6、（Nb，V） C析出相數量增加［13］。

2.2 Super304H/T92焊接接頭的力學性能

2.2.1彎曲和拉伸性能

Super304H/T92鋼摩擦焊焊接接頭的抗拉強度見表3，拉伸試樣的斷裂位置和斷口形貌如圖6所示，拉伸試樣斷裂位置為Super304H母材區，斷口形貌呈典型的韌性斷裂特征，斷口呈現細密的韌窩結構，韌窩尺寸大小不一，韌窩內可觀察到顆粒狀的析出相。焊接接頭的抗拉強度高于Super304H母材的抗拉強度，因此焊接接頭的強度滿足工程使用要求。制備的面彎和背彎試樣，進行彎曲試驗后，彎曲試樣的表面良好，沒有發現裂紋，因此符合使用要求。

表3　Super304H奧氏體耐熱鋼焊接接頭的力學性能

圖6　Super304H/T92拉伸試樣的斷口位置和形貌

2.2.2 沖擊性能

不同摩擦時間的Super304H/T92鋼摩擦焊焊接接頭各區域的沖擊性能見表3，沖擊試樣的斷口形貌見圖7～圖9。Super304H/T92鋼焊接接頭各區域沖擊試樣的斷口都呈現延性纖維撕裂狀，具有明顯的撕裂形態。焊合區細小的奧氏體晶粒組織和回火馬氏體組織有利于提高焊合區的沖擊韌性，焊合區沖擊試樣的斷口形貌是以小韌窩為主的形態，斷裂方式以韌窩斷裂為主，韌窩的底部有顆粒狀的析出相，晶界上有明顯的撕裂棱，熱影響區斷口形貌的韌窩尺寸較大，斷口局部較平整。因為熱影響區奧氏體晶粒和馬氏體板條尺寸增大，熱影響區的沖擊韌性略低于焊合區的沖擊韌性。隨著摩擦時間延長，焊合區的奧氏體晶粒和回火馬氏體晶粒尺寸沒有明顯變化，但是，焊合區位錯密度和晶格畸變能增加，所以沖擊韌性略微下降。因為熱影響區的奧氏體晶粒尺寸和馬氏體板條尺寸隨著摩擦時間增加而增大，以及熱影響區的Cr23C6等析出相數量逐漸增加，所以熱影響區的沖擊韌性下降比較明顯。

圖7　工藝1的沖擊斷口形貌

圖8　工藝2的沖擊斷口形貌

圖9　工藝3的沖擊斷口形貌

2.2.3 顯微硬度

不同摩擦時間的Super304H/T92奧氏體耐熱鋼摩擦焊焊接接頭各區域的顯微硬度見表3，因為焊合區位錯密度和晶格畸變能最大，T92熱影響區的馬氏體組織本身顯微硬度較高，Cr23C6、（Nb，V） C析出相也提高了顯微硬度，所以焊合區和T92熱影響區的顯微硬度較高。雖然Super304H熱影響區的奧氏體晶粒尺寸較大，Cr23C6和Nb（C，N）析出相數量也較多，但是，Super304H熱影響區的顯微硬度與其它區域相比較低。隨著摩擦時間延長，焊合區位錯密度和晶格畸變能增加，焊合區的顯微硬度逐漸增加，熱影響區的奧氏體晶粒尺寸和馬氏體板條尺寸增大，以及熱影響區的Cr23C6等析出相數量增加，導致熱影響區的顯微硬度也逐漸增加。

實際工業應用中，異種鋼摩擦焊技術因為是固相焊接，與傳統的熔焊工藝相比有以下優點，熱影響區晶粒相對細小，不存在熔合區，也不存在熔合線部位的碳遷移現象，焊接過程全部自動化，焊接成本低，焊接過程無污染，不需要焊材，焊接接頭性能優良。因此，異種鋼摩擦焊技術在電站鍋爐、石油化工、航空航天、汽車工業等領域具有廣闊的應用前景。但是，異種鋼摩擦焊技術也存在焊接工藝不成熟，焊接接頭性能不穩定，現場焊接困難等問題，需要進行進一步的研究。

3 結論

本文利用連續驅動摩擦焊工藝制備性能優良的Super304H/T92奧氏體耐熱鋼焊接接頭。焊接接頭的焊接界面結合良好，焊合區的奧氏體晶粒和馬氏體板條尺寸細小，有利于改善焊合區的力學性能。拉伸試樣的斷裂位置位于Super304H母材區，拉伸強度高于Super304H母材強度，各項力學性能滿足使用要求。摩擦時間對于Super304H/T92焊接接頭的微觀組織和力學性能有一定影響，隨著摩擦時間增加，熱影響區的奧氏體晶粒和馬氏體板條增大，Cr23C6等析出相數量增加，導致焊接接頭各區域的沖擊韌性下降，顯微硬度增加，焊接接頭的抗拉強度不受摩擦時間影響。

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Microstructures and Mechanical Properties of Friction Welded T92/Super304H Dissimilar Steel Weld Joints

Yun Ke Lu Yuan Yang Xu Li Pengtao Ding Yong Wang Ruohong
（ Xi'an Special Equipment Inspection Institute Xi'an 710065）

AbstractIn this paper， T92/Super304H dissimilar steel were welded by friction welded welding process. The friction welded joint of Super304H/T92 exhibited good mechanical and metallurgical properties. The influence of friction time on the structure and properties of T92/Super304H dissimilar steel joints was investigated. With the increase in the friction time， the grains of weld zone didn’t grow up and the number of second-phase particles precipitates increased； meanwhile the microhardness increased， the impact toughness decreased， the tensile fracture and fracture location didn’t change.

KeywordsSuper304H T92 Friction welding Microstructure Mechanical properties

中圖分類號：X942

文獻標識碼：B

文章編號：1673-257X（2016）05-0018-05

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.05.003

作者簡介：贠柯（1985～），男，碩士，副主任，工程師，從事特種設備檢驗和研發工作。

收稿日期：（2015-09-09）