固溶處理對S31803鋼TIG 焊縫組織與腐蝕性能的影響

叢發敏,夏春智,劉鵬

(1.江蘇科技大學,江蘇鎮江212003；2.山東建筑大學,濟南250101)

0 前言

雙相不銹鋼又稱為奧氏體—鐵素體型不銹鋼,它是由體積分數為60%～40%的鐵素體加體積分數為40%～60%奧氏體組成的,一般較少相的含量最少也需要達到30%[1]。它具有優良的強度、韌性及良好的耐腐蝕性,廣泛應用于能源、船舶、化工、石油等領域[2]。S31803雙相不銹鋼屬中型不銹鋼,在進行焊接時會導致焊縫和熱影響區雙相比例不理想,影響其耐腐蝕性能。近年來,一些研究者采用常規熔焊方法對該雙相不銹鋼接頭的微觀組織與耐腐蝕性能等進行了一定的研究,其中多數依據現有理論中提到的固定固溶溫度對接頭進行處理,研究其對組織與耐腐蝕性能的影響。

高戰起等人[3]采用兩種不同保護氣的鎢極氬弧焊對2507雙相不銹鋼進行多層多道焊,試驗結果表明,在保護氣中加入氮氣可以增加奧氏體的生成量,從而降低腐蝕電流密度,使其耐腐蝕能力優于保護氣體為純Ar時的焊縫。鄒德寧等人[4]對S31803雙相不銹鋼采用焊條電弧焊多層多道次焊接,對焊接接頭進行1 050℃固溶處理并分析其組織及力學性能。試驗結果表明,在固溶處理后熱影響區兩相分布均勻,焊縫奧氏體相含量較高。程東亮等人[5]對S31803雙相不銹鋼薄板采用TIG焊接,對焊接接頭進行了1 050℃的固溶處理,發現1 050℃固溶處理后的焊接接頭奧氏體相和鐵素體相接近1∶1,雖然硬度降低,但耐腐蝕性能優異。而目前對于不同的固溶溫度對該雙相不銹鋼熔焊接頭顯微組織,尤其是多層焊縫不同區域的組織與耐腐蝕性能的研究還不夠充分。

文中采用填絲TIG對S31803鋼厚板進行多層多道焊接,分析不同固溶溫度對TIG焊縫的微觀組織與性能(硬度和電化學腐蝕)的影響,獲得固溶溫度與組織及性能之間的關系。為獲得高質量的S31803雙相不銹鋼焊接接頭提供重要的研究基礎。

1 試驗材料及工藝

試驗材料為S31803雙相不銹鋼,板厚24 mm；焊接材料為φ2.4 mm的ER2209焊絲,母材和焊絲的主要化學成分見表1。采用填絲TIG進行多層多道焊接,為避免脆性σ相的析出,層間溫度應小于150℃[6]。保護氣體為98%Ar+2%N2,氣體流量為10～20 L/min,鎢極采用直徑為2.4 mm釷鎢極(EWTh-2)。焊接工藝參數見表2。焊前需對母材及焊絲進行嚴格的除油除銹處理,采用單邊V形坡口,如圖1所示。焊后,垂直焊接方向切取獲得焊縫截面,然后以焊縫中心點切成4塊分析試樣,如圖2所示,把每一區域試樣分別進行950℃,1 000℃和1 050℃固溶處理,保溫1 h后進行水冷。

采用金相顯微鏡分析焊縫顯微組織特征,利用HV-1000維氏硬度計對焊縫各區域硬度分布進行測試與分析,加載力為200 g,加載時間10 s。采用CHI604E型電化學分析儀,對不同固溶溫度下的焊縫進行電化學腐蝕試驗。

表1 母材和焊絲的主要化學成分(質量分數,%)

表2 焊接工藝參數

圖1 焊接接頭坡口形式

圖2 焊接接頭截面切割示意圖

2 結果與討論

2.1 顯微組織分析

焊后固溶處理可以改善焊縫組織,促使奧氏體相和鐵素體相的比例更加合理,同時可以消除焊縫由于冷卻速度過慢而產生的二次奧氏體和σ相[7-8]。圖3是1號試樣焊縫不同固溶處理狀態下顯微組織,其中淺色組織為典型奧氏體,深色為鐵素體,且奧氏體分布于鐵素體基體上。

由圖3可以看出,固溶處理前,奧氏體主要呈現魚骨狀,少量條塊狀,而且兩相之間較難以分辨。而固溶處理后,奧氏體含量明顯增多,由魚骨狀向塊狀及橢圓狀組織轉變,隨著固溶溫度升高,奧氏體所占比例增加,鐵素體含量降低,此時可能會因為鐵素體中Cr,Mo的減少,進而造成晶界σ相的減少[9],而此時與固溶處理前相比,兩相組織的界限更加清晰、圓滑。

圖4是3號試樣焊縫在不同固溶處理狀態下顯微組織。對比圖3和圖4可知,固溶處理前3號試樣奧氏體略少于1號試樣,且3號區域的奧氏體組織晶粒略小于1號試樣,這是可能由于下層金屬受到多層熱循環而造成的。

總之,經過固溶處理后,焊縫上下層的組織差異有所減小,且隨著固溶溫度升高,兩區域組織結構更接近。這是因為固溶處理時兩區域同時被重新加熱,σ相中的Cr,Mo等元素重新回到奧氏體和鐵素體中,抑制了σ相的析出,尤其是在1 050℃保溫1 h后,焊縫組織全部轉變為單相鐵素體,水冷后大量鐵素體轉變為奧氏體,σ相來不及析出,焊縫只有兩相組織,且同時水冷冷卻,導致兩區域相比例接近。而且在固溶溫度為950℃時,σ相仍有殘余；固溶溫度為1 000℃時,σ相已經不容易看出；在1 050℃時,σ相被完全消除。

圖3 1號試樣焊縫在不同固溶處理下的顯微組織

圖4 3號試樣焊縫在不同固溶處理下的顯微組織

2.2 顯微硬度分析

對固溶處理前后不同區域試樣進行硬度分布測試,試驗結果如圖5所示。

圖5 固溶處理溫度與焊縫硬度關系曲線

由圖5可以看出,熱處理前,焊縫1號試樣的硬度略低于3號試樣,但整體相差不大,這是由于下部熱輸入低,導致鐵素體向奧氏體轉化的少,冷卻后含有的鐵素體多,硬度較大,而上層含有σ相等,所以硬度相差不大。固溶處理后,兩區域硬度接近,且在950℃熱處理后,硬度略有增加,而且在1 050℃時,硬度值最低。

2.3 電化學腐蝕分析

圖6為S31803雙相不銹鋼焊縫經過不同固溶處理后,在3.5%NaCl溶液中的電化學恒電位極化曲線。金屬的耐腐蝕性能可以用腐蝕電流密度和自腐蝕電位來表示,腐蝕電流密度反映腐蝕速度,自腐蝕電位反映腐蝕的難易程度[10]。腐蝕電流密度和自腐蝕電位分析結果見表3。

圖6 不同固溶溫度下焊縫的電化學腐蝕極化曲線

表3 不同固溶溫度下焊縫電化學腐蝕分析結果

由圖6可知,隨著固溶溫度的升高,焊縫自腐蝕電位明顯提高,所以焊縫越不易被腐蝕。由表3可知,隨著固溶溫度的提高,焊縫腐蝕電流密度明顯下降,所以焊縫腐蝕的速度下降。總的來說,隨著固溶溫度的提高,焊縫金屬的耐腐蝕性越好。這是因為在1 050℃固溶處理后,焊縫金屬的奧氏體含量較多,而此時σ相消失,進而耐腐蝕性能顯著提高。

3 結論

(1)S31803雙相不銹鋼采用填絲TIG進行多層多道焊接,焊縫出現少量σ相,焊縫下層奧氏體含量少于上層。固溶處理后,兩相比例接近,σ相在1 050℃消失,且隨固溶溫度的提高,奧氏體相所占比例增大。固溶處理使焊縫上下區域硬度接近,且在950℃固溶熱處理后,硬度略有增加,當采用1 050℃固溶處理時,硬度值最小。

(2)隨固溶溫度的升高,焊縫金屬的耐腐蝕性能增強,固溶溫度為1 050℃時,耐腐蝕性能最佳。固溶溫度為1 000℃的腐蝕電流密度只是950℃的16.7%,1 050℃僅是950℃的9.7%,但是如果考慮硬度以及對耐腐蝕性能需求不是很嚴格時,為節約能源,可以考慮固溶溫度為1 000℃。