固溶處理溫度對2507 不銹鋼焊接接頭組織與性能的影響

馮玉蘭， 吳志生， 李 巖， 李亞杰， 王瑞森

（1. 太原科技大學 材料科學與工程學院， 太原030024；2. 中鋼不銹鋼管業科技有限公司， 山西 晉中030600）

0 前 言

近年來， 石化行業為解決Cl-腐蝕問題， 超級雙相不銹鋼被廣泛研究及應用。 2507 超級雙相不銹鋼由奧氏體和鐵素體兩相組成， 奧氏體含量約占40%～60%， 使其兼具奧氏體不銹鋼良好的力學性能和鐵素體不銹鋼良好的耐腐蝕性。 與具有典型代表的2205 雙相不銹鋼相比， 2507 是一種節鎳型超級雙相不銹鋼， 在2205 的基礎上增加了Cr、 Mo、 Ni 含量， 同時添加了少量的Cu元素， 使得2507 超級雙相不銹鋼具有優異的力學和耐腐蝕性能[1-4]。 2507 超級雙相不銹鋼焊接后， 接頭存在組織不均勻的問題， 為滿足特定環境下的使用要求， 在實際生產中需要通過增加焊后熱處理工藝來改善焊縫的組織以提高其使用性能。

本研究以2507 超級雙相不銹鋼為研究對象，分析焊后熱處理工藝對焊縫組織與性能的影響，通過試驗得出較合理的熱處理工藝， 為今后2507 超級雙相不銹鋼焊管的生產工藝制定提供技術支持。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料采用山西太鋼不銹鋼股份有限公司生產的2507 超級雙相不銹鋼熱軋鋼板， 其化學成分及力學性能見表1 和表2。

表1 2507 超級雙相不銹鋼化學成分 %

表2 2507 超級雙相不銹鋼的力學性能

1.2 焊接工藝及材料

將2507 超級雙相熱軋不銹鋼板加工成尺寸為450 mm×150 mm×14 mm 的焊接試板， 焊縫采用Y 形坡口， 如圖1 （a） 所示， 鈍邊尺寸4 mm， 單邊坡口角度為37.5°。 焊接采用等離子焊 （PAW） 打底+鎢極氬弧焊 （GTAW）多層多道填充蓋面焊接， 填充焊絲采用Φ1.2 mm實芯焊絲ER2594， 其化學成分見表3， 焊接道次分布如圖1 （b） 所示。

圖1 2507 不銹鋼焊接坡口及焊接順序示意圖

表3 ER2594 實芯焊絲化學成分 %

焊接試驗在邊梁雙槍P+T 縱環縫焊接系統TETRIX 522D-P、 ETRIX 521 TIG 上完成， 電源為AC/DC 1000， 焊接位置為平焊。 焊接工藝參數見表4。 試板焊接完成后， 進行目視及X 射線實時成像檢測。 檢測結果表明， 焊縫無缺陷， 質量滿足Ⅰ級標準。

表4 2507 不銹鋼試板焊接工藝參數

2 固溶熱處理及性能測試

焊接后對試板進行固溶處理， 固溶處理溫度分別為1 050 ℃和1 100 ℃， 保溫15 min 后快速水冷。 經固溶處理后， 試板分別按GB/T 228.1[5]和GB/T 232[6]加工成拉伸和彎曲試樣。 拉伸性能測試在鋼研納克檢測技術有限公司生產的GNT300電子拉伸試驗機上完成， 加載速率5 mm/min。 彎曲試驗的彎軸直徑為40 mm， 彎曲角度180°。

3 試驗結果及分析

3.1 力學性能

表5 給出了2507 不銹鋼板焊接接頭拉伸試驗結果， 圖2 為拉伸斷裂試樣宏觀照片。 經1 050 ℃固溶處理后， 拉伸斷裂出現在焊縫金屬熔合線處（圖2 （a））， 延伸率幾乎為零， 其斷裂應力也較低， RP0.2測試結果為0。 而經1 100 ℃固溶處理后， 拉伸斷裂在母材， 其屈服強度、 抗拉強度及延伸率均滿足GB/T 3527 要求 （RP0.2≥550 MPa，Rm≥795 MPa， A≥15%）。

表5 2507 不銹鋼板焊縫拉伸試驗結果

圖2 不同固溶處理工藝下的2507 不銹鋼焊接接頭拉伸試樣宏觀照片

對比圖2 不同固溶處理的試樣外表顏色可知， 圖2 （a） 試樣熱處理溫度及保溫時間不夠充分， 顏色較淺， 與原熱軋板材顏色接近， 幾乎無氧化皮生成； 圖2 （b） 試樣顏色為正常熱處理表面顏色。 且由表5 試驗結果可知， 圖2 （b）試樣屈服強度、 抗拉強度及延伸率均滿足要求，而圖2 （a） 試樣無延伸即斷裂， 表明韌性差。

圖3 給出了彎曲試驗后試樣的宏觀照片。 當固溶溫度為1 050 ℃時， 彎曲試驗幾乎沒有變形就發生斷裂， 斷裂沿熔合線金屬邊緣斷裂。 相反， 當固溶溫度為1 100 ℃時， 經180°彎曲變形后， 試樣內、 外表面均無裂紋出現， 表現出良好的塑性。

圖3 不同固溶處理工藝下的2507 不銹鋼焊接接頭彎曲試樣宏觀照片

3.2 焊接接頭顯微組織分析

圖4 為2507 焊接接頭顯微組織。 圖4 （a） 為固溶溫度在1 050 ℃時的焊接接頭熔合區、 熱影響區及母材顯微組織， 觀察可知， 熔合區組織特征明顯， 說明固溶處理不到位， 未使焊接接頭組織均勻化。 母材區組織由奧氏體和鐵素體組成， 奧氏體整體呈帶狀分布在鐵素體基體上， 兩相組織均勻一致， 約各占50%； 熱影響區組織除奧氏體與鐵素體外， 局部區域沿奧氏體晶界有σ 相存在（圖4 （a） 右上角部位）， 熱處理未能使σ 相完全消失； 熔合區半熔化半凝固態組織雖由奧氏體和鐵素體組成， 但兩相組織不均勻， 且在晶界處有σ 相析出， 因此其塑韌性較差。 圖4 （b） 為固溶處理溫度在1 050 ℃時的焊縫組織， 可明顯觀察到粗大的鐵素體與片層狀的奧氏體， 因此其塑韌性較差。 綜合圖4 （a） 與圖4 （b） 可知， 焊接接頭的熱影響區及焊縫塑韌性較差， 是拉伸試驗試樣斷裂在熱影響區的主要原因。 圖4 （c） 為1 100 ℃固溶處理焊縫顯微組織， 奧氏體呈條塊狀分布于鐵素體基體內， 焊縫中奧氏體的占比增大且組織均勻一致， 因此其塑韌性較好。 圖4 （c） 組織得到改善的原因是固溶溫度的升高加快了鐵素體向奧氏體的轉變， 使焊縫在焊后冷卻時來不及析出的奧氏體在焊后固溶處理過程中轉變析出， 且使焊縫組織均勻化， 兩相中鐵素體含量約占40%，因此其在拉伸試驗過程表現出良好的塑韌性[7-10]。

圖4 不同固溶處理工藝下的2507 不銹鋼焊接接頭顯微組織

3.3 熱影響區顯微組織

為進一步分析焊接接頭顯微組織與力學性能間的關系， 本研究再次對不同固溶處理工藝下的熱影響區組織進行了對比分析。 圖5 （a）為1 050 ℃固溶處理后焊接接頭熱影響區顯微組織， 可以看出島狀的奧氏體分布在鐵素體基體上， 熱軋帶狀組織明顯， 第三相沿著奧氏體晶界呈連續網狀分布， 造成其脆性增加； 圖5 （b）為1 100 ℃固溶處理后焊接接頭熱影響區顯微組織， 可以看出奧氏體分布在鐵素體基體上， 奧氏體與鐵素體兩相比例均勻， 這是由于焊縫熔敷金屬和母材中N 元素含量都較高， 在焊縫及熱影響區， N 元素提高了δ 相向γ 相的相變溫度而使得晶粒粗化的時間縮短[2]， 從而阻止了鐵素體的晶粒粗化， 使熱影響區獲得晶粒較細小的微觀組織。 另外， 1 100 ℃固溶處理溫度下， 明顯消除了一部分σ 相， 1 050 ℃不能完全消除σ 相， 在拉伸過程試樣發生塑性變形時， 硬脆σ 相存在于奧氏體與鐵素體晶界處， 阻礙晶界處的位錯運動， 因此在晶界處產生位錯塞積， 位錯聚集在σ相周圍產生應力集中， 從而使焊接接頭在拉伸試驗過程中表現出較差的塑韌性[11-12]。

圖5 不同固溶處理工藝下的2507 不銹鋼焊接熱影響區顯微組織

4 結 論

（1） 等離子焊打底、 鎢極氬弧焊多層焊接可實現2507 超級雙相不銹鋼焊接， 且接頭無缺陷。

（2） 1 050 ℃固溶處理， 保溫時間15 min， 未能完全消除焊接接頭熔合區及熱影響區奧氏體晶界處的σ 相且奧氏體與鐵素體分布不均勻是2507焊接接頭力學性能較差的主要原因。

（3） 1 100 ℃固溶處理、 保溫時間15 min，完全消除焊接接頭區域σ 相， 焊縫組織較均勻，兩相中鐵素體含量約占40%， 表現出良好的力學性能， 此工藝可以作為2507 超級雙相不銹鋼焊后固溶處理工藝。