鐵素體/奧氏體雙相不銹鋼高能量密度焊接研究現狀

張志強，徐譽桐，張天剛，張宇航，王 浩，楊 凡

(中國民航大學1.航空工程學院, 2.中歐航空工程師學院, 天津 300300；3.天津職業技術師范大學機械工程學院, 天津 300222)

0 引 言

鐵素體(δ)/奧氏體(γ)雙相不銹鋼結合了奧氏體不銹鋼良好的塑韌性和耐均勻腐蝕性能以及鐵素體不銹鋼的高強度和耐氯化物應力腐蝕性能，且與奧氏體不銹鋼和鎳基合金相比節約了稀缺資源鎳，在海洋工程、石油化工等多個國家重點領域具有廣闊的應用前景[1-3]。焊接是雙相不銹鋼應用推廣中不可或缺的加工制造環節[4]。以前雙相不銹鋼通常采用低能量密度電弧熔焊的方法進行焊接，如手工電弧焊(shielded metal arc welding，SMAW)、鎢極氬弧焊(gas tungsten arc welding，GTAW)、藥芯焊絲電弧焊(flux cored arc welding，FCAW)等。SMAW適用于全位置焊接，是雙相不銹鋼早期使用的焊接技術，缺點是焊條利用率低、焊工勞動強度大。GTAW的主要優點是焊接質量高、接頭綜合力學性能優異，缺點是單道熔覆量少、焊接效率低。MAKHDOOM等[5]研究表明，雙相不銹鋼SMAW焊縫的力學性能和耐腐蝕性能均低于GTAW焊縫。包曄峰等[6]研究表明，UNS S32205雙相不銹鋼GTAW焊縫的耐點蝕性能與母材相當。與GTAW相比，FCAW可顯著提高雙相不銹鋼的焊接效率，但是焊縫中易引入夾雜，從而降低其韌性和耐點蝕性能[7-10]。

在采用低能量密度焊接方法焊接雙相不銹鋼厚板時，最突出的問題是焊前需開設坡口以及焊接過程中需要多個道次及焊條或焊絲填充才能完成連接。與SMAW和GTAW相比，雖然FCAW顯著提高了焊接效率，但其焊接效率仍然較低。低能量密度焊接接頭組織的主要缺陷是高溫熱影響區中含有過量的鐵素體和大量的氮化物，這會顯著惡化其低溫韌性和耐局部腐蝕性能。此外，在雙相不銹鋼厚板多層多道焊接過程中，多次熱循環導致貧鉻和鉬元素的二次奧氏體(γ2)產生[11]。與一次奧氏體(γ1)和鐵素體相比，γ2具有較低的耐點蝕指數，因此γ2優先發生選擇性腐蝕，這會削弱焊接接頭的耐局部腐蝕性能。激光焊(laser beam welding，LBW)、等離子弧焊(plasma arc welding，PAW)、電子束焊(electron beam welding，EBW)等高能量密度焊接技術非常適合厚板的一次焊接成形且不需要填充金屬，同時還具有焊接速度快、生產效率高、焊縫深寬比大、焊接變形小、殘余應力低等優點，近年來引起了各國研究學者和生產企業的高度關注[12-13]。RAMKUMAR等[14]、MOURAD等[15]研究發現，雙相不銹鋼LBW、EBW接頭具有比母材更高的強度。王子龍等[16]研究發現，相比GTAW，PAW可極大提高雙相不銹鋼的焊接效率。然而，與低能量密度電弧熔焊方法相比，LBW、PAW和EBW等高能量密度焊接技術的熱輸入低、焊后冷卻速率快，會導致焊縫中極易出現過量的鐵素體組織并析出有害的二次相，進而惡化雙相不銹鋼的韌性和耐局部腐蝕性能。目前，雙相不銹鋼高能量密度焊接研究的熱點是通過優化焊接工藝、改變焊接特性(如散焦和離焦焊)、添加富鎳或氮元素的焊材、應用復合焊接等方法改善接頭組織，進而提高其力學性能和耐局部腐蝕性能。為了給相關研究人員提供參考，作者綜述了雙相不銹鋼高能量密度焊接技術的研究進展，重點論述了高能量密度焊接和焊后熱處理對焊接接頭組織和性能的影響，并提出了目前存在的問題與未來的研究方向。

1 高能量密度焊接技術

1.1 焊接方法

雙相不銹鋼高能量密度焊接采用激光束(功率密度 1051012W·cm-2[17])、等離子弧(102104W·cm-2[18])、電子束(106108W·cm-2[19-20])等高能弧或束流對雙相不銹鋼待連接部位進行高能熱輻射和轟擊，使極小的區域發生瞬時熔化、再凝固、固態相變等一系列過程，進而實現永久連接的方法。高能量密度焊接技術在提高焊接效率、改善接頭成形質量和性能等方面具有顯著優勢，拓展了先進材料的連接方式。

1917年愛因斯坦提出受激輻射概念，1960年美國梅曼發明了第一臺紅寶石激光器；此后，紅寶石激光器成功應用于眼科臨床、厚膜組件生產等方面；1961年，長春光學精密機械研究所成功研制出我國第一臺紅寶石激光器[21-24]。1980年，英國學者STEEN[25]研究發現，電弧對激光束能量有增強作用，因而提出了激光與電弧復合焊的概念。TUSEK等[26]研究發現，激光與電弧復合焊縫質量優于普通激光焊縫。20世紀90年代，WALDUCK等[27]首次提出了激光-等離子弧復合焊接技術，并進行了相關的探索性工藝試驗研究。2002年，德國Meyer造船廠建成第一條激光-電弧復合焊接生產線[28]，主要用于船梯與加強筋的焊接。2004年，德國某造船廠采用了Nd…YAG激光-熔化極氣體保護復合焊系統[29]，加工得到12 m長龍門架焊縫。鄒江林等[30]研究發現，在光纖激光-鎢極氬弧復合焊接時，復合焊等離子體面積大于電弧焊，且焊接過程更加穩定。多名學者已成功實現雙相不銹鋼薄板和厚板的焊接。SARAVANAN等[31]實現了1.5 mm厚UNS S32750超級雙相不銹鋼板的脈沖激光焊接。SIVAKUMAR等[32]采用Nd…YAG激光焊接方法完成了2.5 mm厚LDX 2101雙相不銹鋼板的焊接。MUTHUPANDI等[33]成功進行了3 mm厚UNS S31803雙相不銹鋼的激光焊接。MOURAD等[15]和BOLUT等[34]運用光纖激光焊接技術分別實現了6.4 mm和6 mm厚UNS S32205雙相不銹鋼的連接。此外，激光雙光束焊[35]、激光-攪拌摩擦復合焊[36]、激光-電/磁復合焊[37]等復合焊接技術也逐漸引起廣大研究學者和企業的高度關注。近年來，隨著信息技術的高速發展，焊接過程數值仿真計算應運而生。賴睿等[38]利用Simufact Welding復合熱源模擬了6 mm厚UNS S32205雙相不銹鋼激光焊接過程，總結了激光離焦量對焊接溫度場分布規律的影響，并發現離焦量對焊縫成形質量和合金元素分布具有顯著影響。FREWIN等[39]研究發現，脈沖激光能量分布對焊接接頭形貌具有重要影響。萬海波等[40]通過“一體兩面”的復合焊接熱源模擬激光全熔透焊的熱輸入特征，得到呈“酒杯狀”和“沙漏狀”的焊縫。

1909年，德國學者SCHONNER首次發明了等離子弧系統[41]。美國學者GAGE在1953年最先將等離子弧應用于焊接技術，并于1957年獲得專利授權[18]。20世紀60年代初期，美國Thermal Dynamic公司首先采用直流反極性等離子弧進行焊接試驗，發現金屬焊接質量得到顯著改善且生產效率明顯提升。20世紀70年代，波音公司在西雅基公司制造的變極性方波電源基礎上發明了變極性等離子弧焊工藝方法[17,42]?，F今，等離子弧焊已經逐漸應用于包括雙相不銹鋼在內的多種金屬材料的焊接研究和實際生產。李國偉等[43]采用變極性等離子弧焊技術成功實現了10 mm厚7075高強鋁合金焊接。王國強[44]采取等離子弧焊接技術完成了10 mm厚304奧氏體不銹鋼焊接。ZHANG等[45]提出柔性變極性等離子弧焊方法并成功實現了8 mm厚鋁合金板的連接。PRAMOD等[46]和UREA等[47]采用等離子弧分別完成了1.6 mm和3 mm厚UNS S32205雙相不銹鋼鋼板的焊接。TAN等[48]完成了4 mm厚UNS S32304雙相不銹鋼的等離子弧焊接。TABAN等[49]采用等離子弧焊分別實現了6.5 mm厚UNS S31803和S32750雙相不銹鋼的連接。

1948年，前西德物理學家STEIGERWALD首次提出電子束高能焊接的概念[50]。1954年，法國STOHR博士運用電子束流實現了核反應堆燃料包殼的連接，此舉標志著電子束焊接金屬的成功應用。1957年，在法國巴黎舉辦的國際原子能燃料元件技術大會上，電子束焊作為全新的焊接方法被正式公布和大力推廣。20世紀60年代后，各國學者和研究團隊不斷開發出新的電子束熱源和新工藝，電子束焊接技術的應用更加廣泛，同時我國也開始進行電子束焊接的相關研究。1986年，航天科技集團成功研制出直線型局部真空電子束焊機[51]。隨著電子束焊接技術的發展，電子束釬焊、活性劑電子束焊、電子束-等離子弧復合焊、電子束填絲焊、局部真空電子束焊、電子束掃描焊等焊接方法逐漸引起研究人員及相關企業的高度關注。李少青等[52]對不銹鋼管進行電子束釬焊，獲得了均勻圓滑的釬縫。研究[53-54]發現，活性劑種類會對不銹鋼板電子束焊縫成形產生影響，其添加會增加聚焦電流和束流對焊縫熔深的影響。鎖紅波等[55]對1Cr18Ni9Ti不銹鋼板和Q235鋼進行電子束填絲焊接，獲得了內部無明顯缺陷的焊縫。作者及所在團隊[56-57]采用法國TECHMETA Medard48型真空電子束焊機成功制備了成形質量良好的14 mm厚UNS S31803雙相不銹鋼焊接接頭。

經過一個多世紀的發展，高能量密度焊接技術已經相對成熟，均可完成雙相不銹鋼的連接。但是，快的加熱和冷卻速率無法保證焊后接頭及整體結構的質量與性能，為滿足接頭服役所需的力學性能和耐腐蝕性能，仍需要對焊接工藝進行優化。

1.2 焊接工藝及其參數

通過調控工藝參數提高熱輸入可改變高能量密度焊接熱影響區和焊縫的峰值溫度以及焊后冷卻速率，進而改善其組織和性能。熱輸入主要與焊接功率、焊接速度以及焊接熱效率等參數相關。與SMAW、GTAW、FCAW等低能量密度焊接相比，高能量密度焊接最顯著的工藝特點是極低的熱輸入和較高的焊接效率。作者及所在團隊[56-57]比較了采用GTAW、FCAW和EBW 3種焊接技術完成的14 mm厚雙相不銹鋼焊接所需的熱輸入和焊接效率，發現EBW總熱輸入比多層多道GTAW和FCAW低一個數量級，焊接效率比GTAW和FCAW高兩個數量級。通常，熱輸入越低，焊后冷卻速率越快，形成的奧氏體含量越少。研究[57-61]表明，激光和電子束焊接獲得的雙相不銹鋼焊縫中奧氏體質量分數低于30%。但據NACE MR0175/ISO 15156標準，在石油和天然氣行業中雙相不銹鋼熔焊接頭的奧氏體質量分數應該維持在30%70%。NORSOK M-601標準推薦雙相不銹鋼管道焊接接頭的奧氏體質量分數不應低于30%。

通過調控工藝參數提高熱輸入可促使焊縫中形成更多的奧氏體。研究[58,61-62]發現，LBW熱輸入越高，焊后冷卻速率越慢，焊縫中奧氏體含量越高。作者及所在團隊[57]前期也發現了類似的結論，隨著LBW熱輸入的提高，雙相不銹鋼晶界奧氏體和晶粒內奧氏體含量均增加。通過改變焊接模式、降低焊接速度、縮短噴嘴與工件距離、增加焊接功率、延緩冷卻速率等工藝措施均可增加熱輸入，延長高溫停留時間，降低焊后冷卻速率，促使更多的鐵素體通過固態相變轉變為奧氏體，進而增加接頭中奧氏體含量[63]。RAMKUMAR等[14]指出通過改變焊接速度、加速電壓等方法調控EBW熱輸入，能夠對UNS S32750雙相不銹鋼的焊縫熔深、顯微組織等產生顯著影響。MOURAD等[15]通過優化焊接速度、功率、離焦量、保護氣流量等LBW工藝參數獲得了奧氏體質量分數為39%的焊縫。PEKKARINEN等[64]研究表明，傳熱模式LBW較匙孔模式LBW更易于通過改變焊接速度、焦點位置調控熱輸入和冷卻速率，獲得具有平衡鐵素體/奧氏體兩相組織的雙相不銹鋼焊接接頭。BOLUT等[34]指出，隨著激光焊接速度從1.5 m·min-1降低到1 m·min-1，雙相不銹鋼焊縫中奧氏體質量分數增加5%。王維東等[65]研究了PAW后冷卻方式對雙相不銹鋼接頭奧氏體含量的影響，發現焊后空冷比水冷形成的奧氏體含量高。

SARAVANAN等[66]通過減小焊接速度、提高激光功率的方式增加UNS S32750雙相不銹鋼傳熱模式LBW的熱輸入，發現焊縫熔深、頂部熔寬均隨熱輸入的增加而增大。UREA等[47]通過調控焊接速度、噴嘴與工件距離、焊接電流和焊接電壓等工藝參數，研究了熱輸入對3 mm厚2205型雙相不銹鋼PAW接頭焊縫熔寬和熔深的影響規律，發現PAW焊縫熔寬和熔深隨熱輸入的增加呈不同速率增長。吳向陽等[67]通過構建激光-熔化極惰性氣體保護復合焊接的流體模型，模擬了激光與電弧復合焊接熔池傳熱和流動規律，指出激光與電弧前后位置會影響熔池傳熱和流動的規律。杜偉哲等[68]研究發現，無氣體保護下雙相不銹鋼焊縫表面寬度的均勻程度受功率影響。LI等[69]研究發現，高電流、低功率使脈沖激光-熔化極電弧復合焊接過程更加穩定，同時電弧電流反相調制獲得的焊縫熔深更大、孔隙率更低并且焊接過程更穩定。LEI等[70]指出在激光-冷金屬過渡復合焊接過程中，高能激光加速了焊絲的熔化，提高了焊接效率。

研究[57，71]發現，在UNS S32205雙相不銹鋼的EBW過程中，由于焊后冷卻速率極快且奧氏體穩定化元素氮嚴重燒損，致使接頭組織中的鐵素體過量。ZHANG等[57]研究發現，在保證焊透且避免熔池坍陷的前提下，電子束熱輸入的可調窗口非常有限，通過優化工藝參數來提高EBW熱輸入對于改善其焊縫組織的效果不明顯。因此，眾多學者引入了新型電子束焊接技術以改善焊縫質量。KRASNORUTSKYI等[72]采用多道EBW方法增加總熱輸入，降低焊后冷卻速率，促使焊縫中獲得的奧氏體質量分數達到30%。BRTA等[73]通過電子束旋轉和往復掃描的非聚焦方式增加焊接熱輸入，結果表明電子束旋轉模式下所得焊接接頭中奧氏體含量更高。

在高能量密度焊接過程中，焊縫熔池和高溫熱影響區中氮元素的燒損是不可避免的，會導致過量的鐵素體形成并惡化接頭耐點蝕性能，增加氫脆敏感性，降低力學性能特別是低溫沖擊韌性。WESTIN等[74-76]多次報道了雙相不銹鋼焊縫熔池中氮元素的燒損會致使過量的鐵素體形成和富鉻氮化物析出，最終降低接頭耐點蝕性能。通常，可通過2種途徑補償焊接過程中氮元素的損失：一是在母材熔煉和焊絲制造過程中添加足量的氮元素[77-78]；二是在保護氣體中添加適量的N2，高溫下的N2會解離成氮原子，然后固溶到焊縫和高溫熱影響區內[60,75,79-81]。KESKITALO等[82]研究發現，在雙相不銹鋼LBW過程中，使用N2作為保護氣體可顯著促進接頭中奧氏體的形成。LAI等[83]也發現N2作為保護氣體可明顯補償LBW焊接過程中氮元素的燒損，促使焊縫中更多的奧氏體形成且對熔深沒有明顯影響。BOLUT等[34]研究發現，在N2保護下雙相不銹鋼LBW焊縫中奧氏體含量高于同工藝參數下Ar保護下的焊縫。研究[84]發現，保護氣類型會對PAW焊縫形貌產生影響，當以純Ar作為保護氣體時，焊縫上寬下窄，而在Ar保護氣體中添加體積分數0.5% O2后，焊縫形貌變為上窄下寬。EBW需維持真空環境，無法通過采用添加N2保護氣體的方法提高奧氏體含量，因此有學者提出可通過預置鎳箔/粉的方式增加焊縫中奧氏體穩定化元素鎳的含量，進而促使焊縫中形成更多的奧氏體。MUTHUPANDI等[33,85]通過預置富鎳焊絲的方式顯著增加了雙相不銹鋼EBW焊縫的奧氏體含量。 研究[86]發現，鎳的添加能促使UNS S32750雙相不銹鋼脈沖LBW焊縫中獲得近相等含量的鐵素體和奧氏體。綜上可知，無論是保護氣體中添加N2還是富鎳焊絲的使用，均可促進高能量密度焊接接頭中奧氏體相的形成。

2 高能量密度焊接頭的組織與性能

2.1 焊接態的組織和性能

為了保證雙相不銹鋼焊接接頭具備優異的力學性能和耐局部腐蝕性能，要求其焊接接頭具有平衡的鐵素體和奧氏體兩相比例、兩相近似相等的耐腐蝕性能、無二次相析出等特征。TABAN等[49]研究表明，UNS S31803和UNS S32750雙相不銹鋼LBW焊縫的硬度均勻且顯著高于母材。MIRAKHORLI等[87]將脈沖Nd…YAG激光焊后的SAF 2205雙相不銹鋼接頭焊縫截面分為脈沖激光束連續作用區域和單道脈沖激光束作用區域，熔池中心處的顯微硬度最高。SIVAKUMAR等[32]指出Nd…YAG激光焊接冷卻速率快，雙相不銹鋼焊接接頭晶粒得到細化，接頭的抗拉強度和顯微硬度得到提高。SARAVANAN等[66]對UNS S32750超級雙相不銹鋼進行LBW數值模擬，發現接頭的顯微硬度和抗拉強度高于母材，拉伸斷口為韌性斷口，同時當熱輸入過高時會引起合金元素蒸發而使接頭中形成大量孔隙，降低接頭的抗拉強度。郭建超等[88]基于數值模擬技術研究了雙相不銹鋼LBW接頭拉伸縮頸前非均勻變形的演變過程，發現接頭各微區損傷過程與塑性變形有關。王治宇等[89]指出，激光-熔化極氣體保護復合焊使UNS S32205雙相不銹鋼獲得了鐵素體/奧氏體兩相比例均衡的焊接接頭，且其顯微硬度、抗拉強度均高于母材，耐點蝕性能與母材相當。MOURAD等[15]通過提高熱輸入獲得了奧氏體質量分數為39%的雙相不銹鋼LBW焊縫，并且焊縫的耐腐蝕性能優于GTAW焊縫。QI等[90]對比研究SAF 2507超級雙相不銹鋼LBW和激光-熔化極氣體保護復合焊接接頭的組織特征和性能，發現LBW焊縫中奧氏體主要分布于晶界處，只有少量奧氏體在鐵素體內部析出，復合焊縫中的奧氏體含量明顯高于LBW焊縫，同時LBW接頭熱影響區中析出了大量的Cr2N，致使LBW接頭的耐點蝕性能降低。焊接接頭的力學性能和耐腐蝕性能與鐵素體/奧氏體兩相比例緊密相關，在LBW過程中雙相不銹鋼焊縫中不可避免地形成過量的鐵素體和析出大量的Cr2N等二次相，從而提高接頭的硬度和強度，但是LBW過程中氮元素的燒毀和Cr2N析出又會降低接頭的耐腐蝕性能。

氮、鎳具有與γ-Fe相同的面心立方(FCC)結構，作為奧氏體穩定化元素添加到雙相不銹鋼中能促進更多的奧氏體形成并改善雙相不銹鋼的低溫韌性和耐腐蝕性能[91]。研究[33,85]發現，在LBW過程中使用富鎳焊材可使焊縫中形成更多的奧氏體，奧氏體含量和形態、殘余應力對接頭低溫(-40 ℃)韌性具有顯著影響，但對室溫韌性無明顯影響。MIRAKHORLI等[87]研究發現，鎳箔的添加促使雙相不銹鋼LBW焊縫中形成更多的奧氏體，焊縫中仿晶型、針狀以及魏氏奧氏體含量明顯增多，同時焊縫的塑韌性明顯提高。研究[84]表明，N2作為保護氣體可以補充LBW熔池中氮的燒損，促使焊縫頂部和底部的奧氏體質量分數達到40%，同時顯著改善了接頭的耐腐蝕性能。

等離子弧能量密度略低于激光和電子束流，因此PAW熱輸入較高，焊后冷卻速率較慢，形成的奧氏體含量較高。與低能量密度焊接技術相比，PAW可抑制部分有害相的析出，改善接頭耐腐蝕性能。TABAN等[49]研究表明，與UNS S31803和UNS S32750雙相不銹鋼PAW接頭相比，LBW接頭更易于獲得兩相平衡的鐵素體/奧氏體組織。PRAMOD等[46]研究發現，SAF 2205雙相不銹鋼PAW焊縫中奧氏體質量分數為45%，與母材相比顯微硬度提高但可加工性能降低。UREA等[47]研究發現，傳熱模式下UNS S32205雙相不銹鋼PAW接頭中鐵素體含量低于匙孔模式，且匙孔模式下的魏氏奧氏體和柱狀鐵素體晶粒生長被抑制，且當熱輸入高于3 100 J·cm-1時，焊縫中有金屬間化合物σ相的析出。王子龍等[16]對比研究了UNS S32205雙相不銹鋼PAW和GTAW接頭的組織和耐點蝕性能，結果表明PAW接頭的晶粒更細小且組織中無γ2相析出，耐點蝕性能更好。

與激光和等離子弧相比，電子束流的能量密度更高，具有極低的熱輸入和更快的冷卻速率，焊接效率更高，但會導致焊縫中形成細小的奧氏體、過量的鐵素體和有害的二次相，從而降低接頭的低溫韌性和耐局部腐蝕性能。研究[33,85]發現，EBW過程中的冷卻速率高于LBW，焊縫中晶界奧氏體更細小并且無魏氏奧氏體析出。研究[59,92-93]發現，UNS S32205雙相不銹鋼EBW焊縫中奧氏體尺寸受熱輸入影響，但未發現奧氏體尺寸對接頭硬度有顯著影響。優化熱輸入能夠減小雙相不銹鋼EBW焊縫中鐵素體織構強度，但無法將其徹底消除[57]。KU等[94]研究發現，SAF 2205雙相不銹鋼EBW接頭中晶界處富集奧氏體穩定化元素，奧氏體多在此處析出，通過降低焊接速度或者選擇更高奧氏體穩定化元素(如氮)含量的雙相不銹鋼進行焊接可促使接頭中更多的奧氏體形成。作者及所在團隊[57]通過斷口形貌觀察發現，雙相不銹鋼EBW焊縫的沖擊韌性低于母材，主要歸因于母材中奧氏體含量高且奧氏體可延緩解理臺階的擴展。SCHMIGALLA等[72]采用多道次的非聚焦電子束預熱技術研究了預熱溫度對17 mm厚UNS S32205雙相不銹鋼板EBW焊縫中奧氏體含量的影響規律，結果表明當預熱溫度由200 ℃升高到400 ℃時，奧氏體質量分數由21%增加到27%，同時由于預熱時間短，氮元素擴散不充分，導致焊縫中奧氏體形成不足以及大量Cr2N相的析出。作者及所在團隊[57]借助透射電鏡發現，雙相不銹鋼EBW焊縫中析出大量蠕蟲狀和短棍狀Cr2N二次相，這些二次相主要分布于鐵素體內和鐵素體晶界處，Cr2N相的析出會明顯促進點蝕的發生，因此EBW過程嚴重惡化了接頭的耐點蝕性能。雖然通過使用高鎳的焊材可使雙相不銹鋼EBW焊縫的鐵素體質量分數降低至61%[33]，但這會顯著地增加成本。近幾年發展的多束流EBW技術在不使用填充金屬的前提下可使EBW焊縫中鐵素體質量分數降至70%[86]，但焊接工藝復雜且不穩定。

2.2 焊后熱處理態的組織與性能

在高能量密度焊接過程中，焊接熱輸入低、焊后冷卻速率快使雙相不銹鋼焊縫中鐵素體和奧氏體兩相比例失衡、鐵素體織構明顯、大量Cr2N相的析出以及枝晶偏析顯著，嚴重惡化了焊接接頭的低溫韌性和耐點蝕性能。優化熱輸入只能有限地增加高能量密度焊接接頭焊縫中的奧氏體含量、減小枝晶偏析和鐵素體織構的程度，但無法抑制Cr2N析出以及細化鐵素體晶粒尺寸[95-96]。目前，主要通過選擇合適的固溶溫度進行焊后熱處理來消除有害組織進而改善焊接接頭的性能[97]。KHAFAGY等[98]研究發現，850 ℃等溫焊后熱處理后SAF 2205雙相不銹鋼母材和EBW接頭熔合區中析出σ和γ2相，且析出量隨熱處理保溫時間的延長而增大。ZHANG等[99]研究表明，UNS S32750雙相不銹鋼EBW焊接接頭經1 050 ℃和1 080 ℃固溶處理后均獲得近似相等含量的鐵素體和奧氏體。SARAVANAN等[31]研究發現，脈沖LBW使UNS S32750雙相不銹鋼焊縫中形成了過量的鐵素體(質量分數大于75%)，經過1 050 ℃×2 h的焊后熱處理，焊縫中奧氏體質量分數達到近50%，從而提高了接頭的耐腐蝕性能。YOUNG等[61]研究發現，LBW使2205型雙相不銹鋼接頭中形成過量鐵素體，但是當焊后1 050 ℃固溶處理保溫時間從15 min增至60 min，接頭熔合區的奧氏體質量分數從47%增大至55%，同時沖擊韌性也顯著提高。ZHANG等[92-93]研究發現，1 050,1 080,1 110 ℃保溫15 min的焊后熱處理完全消除了14 mm厚雙相不銹鋼板EBW焊縫和熱影響區中形成的Cr2N和γ2相，明顯改善了接頭的耐點蝕性能。TAN等[48]研究發現，經過1 0201 120 ℃保溫4 min焊后固溶處理后，UNS S32304雙相不銹鋼PAW接頭中析出的Cr2N相溶解，且最佳固溶溫度為1 080 ℃。YANG等[58]研究表明，UNS S31803雙相不銹鋼LBW接頭中有大量Cr2N相在鐵素體處析出，嚴重惡化了接頭的耐點蝕性能，但經1 080 ℃×3 min固溶處理后，接頭獲得了與母材近似相近的耐點蝕性能。ZHANG等[92]研究發現，焊后熱處理不會顯著影響雙相不銹鋼EBW焊縫中鐵素體晶粒的取向分布，但會影響奧氏體的形貌。在固溶溫度一定的條件下，通常隨著保溫時間的延長，雙相不銹鋼高能量密度焊接頭中奧氏體的含量增多，從而改善了接頭的韌性和耐腐蝕性能。

由于傳統的焊后熱處理耗能費時，因此激光、電子束、感應加熱等先進熱處理技術逐漸應用于焊后熱處理上。BRTA等[73]采用六道12 mm·s-1、100 mA非聚焦電子束對SAF 2205雙相不銹鋼EBW焊縫進行熱處理后，焊縫局部區域鐵素體質量分數由熱處理前的83%變為53%，并且晶粒更加細小。CHAN等[100]先對UNS S32950雙相不銹鋼焊縫進行800 ℃等溫熱處理來模擬敏化過程，然后再進行激光表面處理，獲得了平衡的鐵素體/奧氏體兩相比例并完全消除了M23C6、σ、γ2等二次相，進而改善了焊縫的耐腐蝕性能。LIU等[101]對SAF 2205雙相不銹鋼LBW接頭進行連續激光熱處理，發現有大量γ2相析出，且其析出機制由位錯機制和擴散機制共同作用。雖然電子束和激光束已應用于焊接接頭的焊后熱處理方面，但有關雙相不銹鋼高能量密度焊接頭的研究較少，尚未闡明熱處理工藝參數與組織特征、力學性能和耐腐蝕性能的內在關聯性。

3 結束語

在單一高能量密度焊接技術中，主要通過改變焊接速度、功率、電壓、電流等工藝參數來調控熱輸入進而改變接頭的組織與優化接頭性能。但是，在保證焊透且避免熔池坍陷的前提下，高能量密度焊接工藝參數的可調窗口有限，通過此方法改善雙相不銹鋼焊接接頭沖擊韌性和耐腐蝕性能的效果不明顯。通過高能量密度與低能量密度復合的焊接技術有望得到鐵素體和奧氏體相均衡、無二次相析出且性能顯著提升的焊接接頭，但復合焊接工序較復雜且繁瑣，目前急需開發便攜、高效的復合焊接設備。高能量密度焊接的焊后冷卻速率快、合金元素燒損嚴重，導致焊縫中極易形成過量的鐵素體和析出有害的氮化物，進而惡化接頭的低溫韌性和耐局部腐蝕性能。研究高能量密度焊接溫度梯度模型、顯微組織生長規律、焊接工藝參數-熔滴過渡行為-顯微組織-性能的內在關聯性具有重要的意義。傳統熱處理費時、耗能、效率低、成本高，且在某些復雜工況下難以實施。隨著高能量密度束流技術的發展，激光束、電子束、等離子弧等可用于焊后熱處理。此外，借助電場、磁場、超聲波等輔助技術，也能在焊接過程中以及焊后改善接頭組織、抑制有害相析出。因此，開發新型、高效、方便的熱處理技術有望提高焊后熱處理的效率，為改善高能量密度焊接頭組織和性能助力。雙相不銹鋼高能量密度焊接方法與焊接工藝對焊縫質量具有顯著影響。隨著人工智能的發展，焊接工藝數據收集、共享將不斷推進技術的革新。因此，優化雙相不銹鋼高能量密度焊接工藝參數、完善焊接接頭質量及性能評定標準，進而構建焊接數據庫，將會為相關工程技術人員提供極大便利。