316L和2205異種不銹鋼等離子弧焊接頭的微觀組織和性能

張堯成， 范孜耘， 王 振， 仲加文， 孟 濤

1. 常熟理工學院 江蘇省機電產(chǎn)品循環(huán)利用技術(shù)重點建設(shè)實驗室，江蘇 常熟 215500

2. 常熟理工學院 汽車工程學院，江蘇 常熟 215500

0 引言

等離子弧焊是采用等離子弧高能量密度束流作為焊接熱源、鎢棒作為電極的焊接方法，因其焊接組織質(zhì)量穩(wěn)定、焊接速度快、焊縫成形美觀等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于不銹鋼的焊接［1］。2205雙相不銹鋼與316L奧氏體不銹鋼具有較好的耐腐蝕性能，但因其冶金性能和熱物化理性能等方面存在較大的差異，在焊接過程中容易產(chǎn)生焊接裂紋、焊縫組織不均勻及焊接性能不穩(wěn)定［2］。大電流等離子弧焊接會在接頭熔合區(qū)產(chǎn)生滲透、裂紋等缺陷［3］，可嚴格控制焊接熱輸入量，采用“低強匹配”方案使焊縫呈彎曲狀從熔合區(qū)域向熔合線擴展［4-5］。多種焊接方法打底充氬氣的方式可減少焊接過程中易產(chǎn)生的背面氧化問題，得到組織和性能優(yōu)良的焊縫，或改善焊條成分焊縫金屬化學成分和最終微觀結(jié)構(gòu)。在相同的工作環(huán)境下，316L 和2205 不銹鋼表面均存在點蝕風險，導(dǎo)致焊接質(zhì)量和耐腐蝕性不滿足焊接要求。選擇合適的焊接參數(shù)和焊接方法，控制合理的焊接電流，可使焊縫具有良好的力學性能和耐腐蝕性［6］。

本文采用等離子弧焊對316L 奧氏體不銹鋼和2205 不銹鋼進行焊接，并對異種鋼接頭的焊縫組織、力學性能和電化學腐蝕性能進行了表征。

1 試驗材料和方法

試驗材料為316L奧氏體不銹鋼和2205雙相不銹鋼板，尺寸150 mm×100 mm×3 mm，化學成分如表1所示。采用PTA-400E2-ST-3型等離子弧焊機進行316L/2205 對接焊，焊接前對焊接處表面進行機械清理后用丙酮清洗吹干后備用。焊接參數(shù)為：等離子弧焊接的轉(zhuǎn)弧電流為75～95 A，焊接速度為120 mm/min，保護氣流量為10 L/min，離子氣流量為13 L/min，衰減流量為0.6 L/min，焊槍鎢棒與母材表面距離為12 mm。

表1 316L鋼和2205鋼的化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）Table 1 Chemical composition of 316L and 2205 stainless steels （wt.%）

從焊接接頭上取金相試樣，研磨拋光后用王水腐蝕，采用OLYMPUS GX51 型金相顯微鏡對橫截面各區(qū)域組織進行觀察。采用HV-1000 型維氏硬度計對焊縫硬度分布進行測量，加載載荷98 N，保載時間15 s。采用UTM5035 型電子萬能拉伸試驗機對焊縫力學性能進行測試，拉伸速度1.6 mm/min，每組焊縫測試3 次取平均值。切割拉伸試樣時，應(yīng)使試樣平行段垂直于焊縫，試樣平行段尺寸為3 mm（厚）×10 mm（寬）。試驗根據(jù)GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗：室溫試驗方法》進行，采用RST型電化學工作站對異種不銹鋼接頭電化學性能進行測試，測試面為打磨平整的焊縫表面，尺寸為5 mm×5 mm。腐蝕介質(zhì)為0.1 mol/L 的NaCl 水溶液，腐蝕時間為216 h。試驗過程參考GB/T 17848—1999《犧牲陽極電化學性能試驗方法》進行。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 接頭微觀組織

圖1 為轉(zhuǎn)弧電流75 A 時2205/316L 異種不銹鋼等離子弧焊接接頭各區(qū)域微觀組織。由圖1 可知，2205側(cè)熱影響區(qū)組織受輸入熱量的影響，熔合線附近母材中的奧氏體和鐵素體在熔池的熱作用下再結(jié)晶為等軸晶。焊縫區(qū)組織呈現(xiàn)一定方向性，主要原因是熔合線附近受母材散熱的作用，具有較大過冷度和溫度梯度，組織較為細小且呈現(xiàn)出一定取向，奧氏體和鐵素體的比例基本未受316L側(cè)成分的影響。焊縫區(qū)組織總體均勻細小，但不同區(qū)域組織的生長方向表明，焊縫組織的生長受到熔池熱量散失和紊流的共同影響［7］。焊縫中心的組織較粗大，主要是因為熔池內(nèi)液態(tài)金屬溫度高，散熱受到周邊凝固組織的約束，過冷度小且組織生長充分，所以焊縫區(qū)的奧氏體和鐵素體尺寸大于焊縫邊緣區(qū)域。在接頭的316L 側(cè)HAZ，316L 母材的奧氏體晶粒較為粗大，在焊縫內(nèi)組織也主要受到熱量散失的影響呈現(xiàn)方向性，且接近垂直于熔合線。由于316L的基體為奧氏體，靠近HAZ的焊縫中奧氏體含量較多。

當轉(zhuǎn)弧電流增大至95 A時，焊縫各區(qū)域的組織形態(tài)更為粗大，奧氏體含量增加，焊縫兩側(cè)HAZ 附近焊縫組織方向性更強［8］，如圖2 所示。主要原因是轉(zhuǎn)弧電流的增加使熱輸入量增加，焊縫在高溫下停留時間變長，焊縫及熱影響區(qū)均比小電流時受熔池熱量影響更為明顯，焊縫中奧氏體和鐵素體長大速度快，從而呈現(xiàn)相對粗大的組織。焊縫中的碳化物在奧氏體晶界形核并向晶內(nèi)生長，形成一定方向羽毛狀魏氏體（W），且其組織形態(tài)隨轉(zhuǎn)弧電流的增大而粗化。

圖2 等離子弧焊2205/316L異種不銹鋼接頭微觀組織（轉(zhuǎn)弧電流95 A）Fig.2 Microstructure of 2205/316L dissimilar stainless steel joint by plasma arc welding with arc current 95 A

2.2 接頭硬度分布

圖3 為等離子弧焊316L/2205 異種不銹鋼接頭硬度分布，焊接接頭的硬度值從316L 母材—316L側(cè)HAZ—焊縫區(qū)—2205 側(cè)HAZ—2205 母材有規(guī)律的依次增加，且各焊縫上部的硬度相對較高。316L和2205 熱傳導(dǎo)能力的差異導(dǎo)致焊縫兩側(cè)的組織粗化程度不同，2205側(cè)組織較316L側(cè)顯著細小，故焊縫2205側(cè)的硬度較高。兩種母材的成分差異（Cr含量）導(dǎo)致焊縫內(nèi)部發(fā)生碳遷移，使316L側(cè)HAZ形成脫碳層，而使316L 側(cè)硬度降低。316L 母材組織為等軸奧氏體晶粒和少量鐵素體［9］，而316L 側(cè)HAZ的鐵素體含量比母材高，且鐵素體的硬度高于奧氏體，所以316L 側(cè)HAZ 硬度較母材高。但2205 母材中鐵素體和奧氏體比例與焊縫相當，故2205側(cè)HAZ硬度總體與母材相當。

圖3 等離子弧焊異種不銹鋼接頭硬度分布Fig.3 Microhardness distribution of dissimilar stainless steel joints by plasma arc welding

轉(zhuǎn)弧電流較小時，焊接熱能量相對較小且冷卻速度較大，大量細小的晶粒分布在焊縫的下部和邊緣，焊縫呈現(xiàn)相對較高硬度。轉(zhuǎn)弧電流為85 A 時，焊縫中下部區(qū)域的硬度偏低，可能是焊接過程中轉(zhuǎn)弧的不穩(wěn)定影響焊縫的非平衡凝固過程，導(dǎo)致焊縫內(nèi)奧氏體和鐵素體比例偏差；而焊縫上層區(qū)域沿垂直于熔合線的溫度梯度最小，熔池對焊縫上層區(qū)域組織影響相對小，故其硬度與其他電流時相當。

2.3 拉伸性能

圖4 為等離子弧焊316L/2205 異種不銹鋼接頭拉伸強度，且不同轉(zhuǎn)弧電流下焊接的焊縫均斷裂在316L 側(cè)靠近焊縫的母材處。根據(jù)焊縫微觀組織可知，等離子弧焊異種不銹鋼接頭的焊縫組織總體較為均勻細小，即有更多的鐵素體和奧氏體的相界面能有效抑制位錯運動，以保證焊縫的拉伸強度；同時焊縫中的Cr 和Mo 等元素與碳形成高熔點碳化物，可阻礙焊縫組織粗化［9］。故焊縫的平均抗拉強度可達到533～571 MPa。但等離子弧焊異種鋼接頭的316L 側(cè)組織均較為粗大，即焊縫HAZ 在等離子熱源的作用下發(fā)生軟化，在拉伸應(yīng)力的作用下，裂紋會優(yōu)先在性能薄弱的HAZ形核與長大，故拉伸斷裂均出現(xiàn)在316L側(cè)。同時兩種母材的碳含量低，Cr和Mo等碳化物的形成弱化了碳元素對鐵素體和奧氏體的固溶強化作用，故各焊縫的強度均低于兩種母材。

圖4 異種不銹鋼接頭及母材的抗拉強度Fig.4 Tensile strength of dissimilar stainless steel joints and base materials

當轉(zhuǎn)弧電流為75 A時，在焊縫金屬中鐵素體和奧氏體相互交錯，且晶粒方向各異且較為細小。焊接接頭存在的大量鐵素體對合金元素有較大的溶解度，所以鐵素體可抑制奧氏體的粗化程度，故其焊接接頭強度越高。

2.4 電化學性能

圖5 為等離子弧焊316L/2205 異種不銹鋼接頭的塔菲爾極化曲線，可見兩種母材和焊縫的自腐蝕電位從高至低為75 A 焊縫>85 A 焊縫>316L 母材>2205 母材>95 A 焊縫。2205 中Cr 含量高而Ni 含量低，在含氯化物的環(huán)境抗應(yīng)力開裂能力強，故2205的耐蝕性較316L 好。而等離子弧焊異種鋼接頭的自腐蝕電位，隨焊接轉(zhuǎn)弧電流的增加而增大。隨焊接接頭和母材的在腐蝕溶液中浸泡時間的延長，各焊接接頭和母材的點蝕程度均不斷增加，經(jīng)過一段時間后便會緩慢下降。焊接接頭在NaCl電解液中，Cl-離子可穿透接頭表面鈍化膜內(nèi)細小的孔隙，并與基體之間發(fā)生腐蝕［10］。

圖5 等離子弧焊異種鋼接頭及母材極化曲線Fig.5 Polarization curves of plasma arc welded dissimilar steel joint and base metal

轉(zhuǎn)弧電流增大使焊縫中奧氏體含量增加且過大的電流破壞晶界，而焊縫中碳化鉻在奧氏體中的分布影響晶間腐蝕速率。碳化鉻的析出會使奧氏體/鐵素體相界面出現(xiàn)貧鉻區(qū)，且在焊縫溫度經(jīng)過敏化溫度區(qū)時在晶界上析出的碳化鉻會使晶界抗腐蝕性能降低，從而降低了接頭的抗腐蝕性能［6，11］。故通過控制等離子弧焊接電流等工藝可獲得性能合適的異種鋼焊接接頭。

3 結(jié)論

（1）等離子弧焊316L/2205異種不銹鋼接頭2205側(cè)HAZ區(qū)的組織呈現(xiàn)為等軸晶，焊縫組織總體均勻細小但具有一定方向性，焊縫區(qū)的奧氏體和鐵素體的尺寸大于焊縫邊緣區(qū)域。焊縫組織隨電流增大而粗化，焊縫兩側(cè)HAZ焊縫組織方向性較強。

（2）不同電流下的異種不銹鋼接頭的顯微硬度分布總體的變化趨勢相一致。轉(zhuǎn)弧電流較小時，焊縫組織較細小均勻且呈現(xiàn)較高硬度。較為均勻的焊縫組織保證其平均抗拉強度達到533～571 MPa，316L 側(cè)的粗大組織促使焊縫的斷裂。焊縫金屬中方向各異且較為細小的鐵素體和奧氏體相互交錯，使小電流下接頭強度較高。

（3）兩種母材和焊縫的自腐蝕電位從高至低為自腐蝕電位從高至低為75 A 焊縫>85 A 焊縫>316L母材>2205 母材>95 A 焊縫。等離子弧焊異種鋼接頭的自腐蝕電位，隨焊接轉(zhuǎn)弧電流的增加而增大。轉(zhuǎn)弧電流增大使焊縫中奧氏體含量增加且過大的電流破壞晶界，焊縫中碳化鉻在奧氏體中的分布影響晶間腐蝕速率。