固溶處理對大厚度321不銹鋼焊縫組織和性能的影響

段莉蕾

（一重集團大連核電石化有限公司技術中心，遼寧 大連 116113）

321 不銹鋼為穩定化奧氏體不銹鋼，在304不銹鋼基礎上加入強碳化物元素Ti，抑制了Cr與C 形成碳化物導致的貧鉻問題，從而提高321不銹鋼的耐蝕性能，廣泛應用于石油、化工、造紙等領域[1-3]。通常，在不銹鋼焊接完成后，很少對焊縫進行固溶處理，但對于焊后殘余應力要求很低，或者在低溫、高溫、特殊腐蝕等應用場合，焊縫固溶處理就很有必要，可以較大降低焊接殘余應力，提高焊縫的塑性、韌性、耐蝕性能[4-5]。本研究分析了200 mm 大厚度321 不銹鋼焊接件固溶處理后的焊縫組織和性能變化，為不銹鋼焊縫固溶處理提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料及制備

本焊接試驗用321 不銹鋼鍛件，符合NB/T 47010—2010 標準要求，鋼號為S32168 Ⅳ，交貨態為固溶熱處理。S32168 Ⅳ級不銹鋼鍛件尺寸為200 mm×200 mm×400 mm。考慮到321不銹鋼含有Ti 元素，焊接時Ti 的燒損比較嚴重且難以控制，因此匹配填充材料選用含Nb元素的347 型穩定化奧氏體不銹鋼實芯焊絲，牌號為SFA-5.9 ER347，焊絲直徑為1.2 mm。試驗用S32168 Ⅳ不銹鋼母材和焊絲化學成分見表1。

表1 S32168 Ⅳ不銹鋼鍛件和焊絲化學成分

焊接試板采用不對稱雙U 形坡口，坡口形式及尺寸如圖1 所示。正面坡口深度110 mm，背面坡口深度90 mm，根部間隙0～2 mm，鈍邊1.5 mm。采用脈沖TIG焊接方法進行正面、背面交替焊接，保證焊接變形均勻。RT 探傷檢測合格后沿試板長度方向均分2 塊，一塊為焊態，一塊固溶處理。

圖1 對接焊雙U形坡口形式及尺寸

本次試驗固溶處理工藝如圖2所示，將焊接件加熱到1 060 ℃±10 ℃，保溫3 h 后水冷。固溶處理的目的是將之前產生的合金碳化物如（FeCr）23C6、σ 相等固溶到奧氏體中，依靠快冷將碳呈固溶狀態的奧氏體保持到室溫，以獲得良好的力學性能和耐蝕性能[6]。

圖2 S32168 Ⅳ不銹鋼焊接件固溶處理工藝

1.2 試驗方法

制備金相試樣時采用10%草酸溶液進行電解腐蝕，觀察焊態和固溶處理后的焊縫、熱影響區、母材的三區金相組織。采用磁性鐵素體儀測定焊態焊縫和固溶處理焊縫的鐵素體含量。室溫拉伸試驗執行GB/T 228 標準，試樣尺寸為Φ5 mm，取樣位置為焊縫和母材的表面、t/4、t/2 位置，平行焊接方向取樣，試樣狀態包括焊態和固溶處理態。高溫拉伸試驗執行GB/T 4338 標準，試驗溫度454 ℃，取樣位置為焊接接頭的表面、t/4、t/2 位置，垂直于焊接方向取樣。沖擊試驗執行GB/T 229 標準，試驗溫度-196 ℃，試驗介質為液氮，試樣尺寸10 mm×10 mm×55 mm，沖擊試驗采用V 形缺口，取樣位置包括焊縫、熱影響區和母材。晶間腐蝕試驗執行GB/T 4334 E 法和GB/T 15260 A 法。

2 結果與討論

2.1 金相組織

圖3 是焊態和固溶處理后的焊縫、熱影響區、母材的低倍組織形貌，可以看出，焊態下的焊縫呈鑄造組織形態，焊縫晶粒沿熔合線散熱的反方向生長，結晶方向性明顯，焊縫和母材的熔合區界限清晰（圖3（a））。固溶處理后，焊縫柱狀結晶方向特征消失，與母材的交界線不明顯（圖3（b））。

圖3 焊態和固溶處理后母材、熱影響區、焊縫低倍組織形貌

圖4 是焊態和固溶處理后的焊縫、熱影響區、母材高倍顯微組織照片。焊態下，焊縫為奧氏體+鐵素體雙相組織，鐵素體呈枝晶狀、板條狀多種形態，如圖4（a）所示，是典型的鐵素體奧氏體（FA）凝固模式，鐵素體為凝固初始析出相，有利于防止焊縫產生熱裂紋。由于奧氏體冷卻時不發生相變，焊態下的熱影響區組織變化不明顯，靠近焊縫區的晶粒尺寸稍比母材細小，晶間碳化物析出極少，遠離熔合線的母材組織為奧氏體+少量的條狀鐵素體，基體上析出了少量的碳化物、TiN 化合物，如圖4（d）所示。固溶處理后，焊縫發生了變質反應，焊態焊縫中的鐵素體基本溶解到奧氏體基體中去，極少量粒化形態的鐵素體殘留，原凝固晶界少量保留，柱狀晶特征消失，如圖4（b）所示；焊縫心部因與母材熔合比大，C 含量高，出現了較多的孿晶奧氏體組織，如圖4（c）所示。固溶后焊縫組織為奧氏體、少量孿晶奧氏體、極少量未溶鐵素體的混合組織。固溶后的熱影響區未發現晶界析出傾向，靠近熔合線的母材晶粒稍粗大，母材中的條狀鐵素體和TiN顆粒形貌基本不變，如圖4（e）和圖4（f）所示。

圖4 焊態和固溶處理后母材、熱影響區、焊縫高倍組織形貌

2.2 鐵素體含量

采用磁性鐵素體儀測量焊態焊縫和固溶焊縫的鐵素體含量，測量結果見表2。焊態焊縫的鐵素體含量為8%左右，固溶后焊縫中的鐵素體含量小于0.5%，與金相組織觀察結果吻合。鐵素體在1 060 ℃溫度下固溶熱處理后基本都溶解到基體中，與文獻[7]的研究結論一致。

表2 焊縫鐵素體檢測結果

2.3 強度與塑性

焊縫和母材的室溫拉伸試驗結果見表3，可以看出，與母材相比，焊態焊縫的強度高，塑性低；固溶處理后焊縫強度下降，屈服強度下降更明顯，屈強比由焊態的0.8降為0.5左右，焊縫伸長率等塑性指標顯著提高，相比焊態提高了40%以上。固溶處理后的焊縫，其強度、屈強比和塑性指標與母材接近。從組織上看，焊態焊縫中形成一定比例的鐵素體，起到了第二相強化作用，提高了焊縫強度，由于增加了晶界面積，提高了變形抗力，屈服強度顯著高于母材，塑性低于母材。固溶處理后鐵素體大部分溶解到基體中，位錯密度、晶界數量降低，焊縫組織軟化，使得強度下降，塑性顯著提高。母材交貨態和隨焊縫固溶處理后的強度和塑性相差不大。

表3 焊縫和母材室溫拉伸性能

表4 是焊接接頭高溫（454 ℃）拉伸試驗結果。通過接頭試樣的斷裂位置可以判斷出，焊縫焊態高溫強度比母材高，固溶處理后焊縫高溫強度比母材低。固溶處理使焊縫的高溫強度產生較大幅度下降，其中屈服強度滿足指標要求，抗拉強度低于指標要求。焊縫固溶處理后的高溫強度顯著降低，一方面由于固溶處理后焊縫組織發生了質變，鐵素體大部分溶解到基體造成組織軟化，另一方面因選用w（C）=0.02%的超低碳347氬弧焊絲，含碳量較低與固溶處理組織軟化共同作用，導致了高溫強度低于母材。因此，當有高溫強度要求時，可選用碳含量高的不銹鋼焊材來彌補固溶處理帶來的強度損失。

表4 焊接接頭高溫（454 ℃）拉伸性能

綜上，焊態和固溶處理態焊縫心部（t/2）的室溫強度、高溫強度、室溫延伸率指標普遍高于表層。從焊縫形式來看，內層母材的熔合比大，母材中更多的C 溶入到焊縫，C 元素為奧氏體形成元素，可以穩定且強化奧氏體，提高了奧氏體的強度；同時也降低了鐵素體含量，提高了焊縫的塑性。

2.4 沖擊韌性

焊縫、熱影響區和母材的-196 ℃低溫沖擊韌性見表5。固溶處理后，焊縫的-196 ℃低溫沖擊韌性顯著提高，沖擊功由焊態焊縫的平均81 J提高至148 J，提高幅度達40%左右，與母材沖擊韌性相當。因為鐵素體相為體心立方晶體結構，溫度降低，表現為低溫脆性狀態[8-10]，降低材料的韌性塑性[10-11]。在1 060 ℃溫度下固溶處理，鐵素體含量由原始態的8%降低至0.5%以下，焊態焊縫中的鐵素體基本溶解到基體中，由于鐵素體的溶解，焊縫低溫沖擊韌性顯著提高。固溶處理前、后的熱影響區-196 ℃低溫沖擊韌性優良，變化不大，均在110 J以上。

表5 低溫沖擊韌性

2.5 晶間腐蝕

奧氏體不銹鋼加熱到500～850 ℃會發生敏化，產生晶間腐蝕。一種是在650 ℃左右過飽和固溶的碳向晶粒邊界擴散，與晶界附近的鉻形成鉻的碳化物導致晶界區貧鉻而形成晶間腐蝕，這是敏化晶間腐蝕的主要形式；另一種是在850 ℃左右晶間析出高鉻σ 相，使周圍產生貧鉻區或在強氧化性介質中σ 相的溶解導致晶間腐蝕[12-13]。本研究分別采用GB/T 4334 E 方法和GB/T 15260 A 方法進行晶間腐蝕試驗，敏化條件為650 ℃+保溫2 h。

按照GB/T 4334 E 進行硫酸-硫酸銅腐蝕試驗，腐蝕時間24 h，測定由于碳化鉻析出引起貧鉻而導致的晶間腐蝕傾向。彎曲試驗后均未發現裂紋，具體試驗結果見表6。

表6 晶間腐蝕試驗結果（GB/T 4334—2008 E法）

按照GB/T 15260 A 法進行硫酸鐵（Ⅲ）-硫酸腐蝕試驗，腐蝕時間120 h，測定因碳化鉻析出以及亞顯微σ 相析出導致的晶間腐蝕傾向，通過質量法計算敏化后試樣腐蝕速率與固溶狀態試樣腐蝕速率的比值，評價晶間腐蝕傾向。GB/T 15260 A法晶間腐蝕試驗結果見表7。從表7 腐蝕速率結果可以看出，焊態和固溶處理后焊縫抗晶間腐蝕能力比母材更好。母材、焊態焊縫和固溶焊縫在敏化前、敏化后的腐蝕率均滿足≤ 1.1 g/（m2·h）技術要求；敏化態與未敏化態的腐蝕速率比值均滿足≤ 1.5 技術要求。固溶處理后焊縫敏化前、后腐蝕速率比為1.03，與焊態焊縫相比更接近1，說明固溶焊縫敏化后的晶間腐蝕比焊態焊縫更具有免疫力。這是因為焊縫固溶處理后，Cr 的碳化物、σ 相全部溶解到基體中，而Nb 的碳化物因固溶熱處理更加充分的析出，提高了敏化腐蝕抗力。

表7 晶間腐蝕試驗結果（GB/T 15260 A法）

經650 ℃+保溫2 h 敏化，按照GB/T 15260 A法腐蝕試驗后，母材和焊縫的腐蝕片斷面顯微組織形貌如圖5所示，結果未發現晶間碳化物析出的腐蝕傾向。

圖5 腐蝕后試樣微觀組織形貌

3 結 論

（1）321 不銹鋼TIG 焊縫經固溶處理后，焊縫室溫抗拉強度和屈服強度呈下降趨勢，屈強比由0.8下降至0.5；焊縫伸長率顯著提高，達到了50%以上，相比焊態提高了40%。除高溫抗拉強度下降幅度較大不滿足指標要求外，室溫強度和塑性指標更加接近母材鍛件的性能。

（2）固溶處理后，焊縫-196 ℃低溫沖擊功由平均81 J 提高至148 J，提高40%左右，與母材沖擊韌性相當。

（3）固溶處理后的焊縫敏化前、后的腐蝕速率比為1.03，比焊態焊縫更接近1，敏化晶間腐蝕比焊態焊縫更具有免疫力。

（4）焊縫固溶處理后，其室溫強度、塑性、低溫韌性、耐蝕性等綜合性能指標與母材相當，提高了焊接接頭性能的均勻性。但同時也要考慮固溶水淬帶來的變形及形體大、結構復雜、焊件水淬受限等問題，除非要求很高的場合，如低溫服役、無磁應用、高溫或特殊腐蝕工況，焊后固溶處理需根據具體情況謹慎選擇。