2507超级双相不锈钢

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2507超级双相不锈钢激光焊接接头组织和力学性能研究

2507超级双相不锈钢激光焊接接头组织和力学性能研究

来源:双相不锈钢发布:2020-05-28 03:47:26类别:2507不锈钢

使用氩气作为保护气,采用激光焊焊接2507超级双相不锈钢,获得成型良好的激光焊接接头,利用SEMEDS研究了接头不同区域奥氏体和主要合金元素的含量,并对接头进行室温拉伸、冲击和硬度测试.结果表明:由于激光焊接过程冷却速度较快,焊缝铁素体主要以垂直于熔合线的柱状晶的形态存在,晶内析出的奥氏体更加细化,接头焊缝区,特别是热影响区中铁素体的含量明显增多.与母材相比,焊缝中主要合金元素在两相中含量的差异明显减小.接头室温力学性能测试结果显示,由于铁素体的含量升高,并且以较为粗大的柱状晶形态存在,导致接头的拉伸强度和硬度升高,冲击韧性明显下降.

双相不锈钢室温组织由铁素体(α)和奥氏体(γ)组成(比例接近11),特殊的微观组织使得双相不锈钢兼具铁素体不锈钢的强度和抗应力腐蚀能力以及奥氏体不锈钢的韧性和抗点蚀能力.较之2205为代表的标准双相不锈钢,2507超级双相不锈钢的合金含量更高,特别是氮元素的加入,不但提高材料的抗点蚀能力,同时又利用其固溶强化效应,提高了材料的力学性能.优异的力学性能和抗腐蚀能使得2507双相不锈钢广泛应用于石油化工、海洋工程、军事工业等苛刻环境中.研究表明:2507双相不锈钢焊接过程中的重点在于避免焊缝中两相比例的失衡和脆性析出相的产生.利用常规的焊接方法,如手工电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊等所获得的焊接接头往往存在着晶粒粗化、双相比例失衡、金属间脆性相析出等问题,从而导致焊接接头的力学性能和抗腐蚀性能下降.同时利用常规的熔化焊方法,焊接时往往需要开较大的坡口以保证焊缝的熔合比保持在较小的水平,但较大的坡口会增加焊接接头的内应力,使焊接结构件的变形较大.

目前,国内外针对2507双相不锈钢激光焊接相关方面的研究并不多见,因此,借鉴2205双相不锈钢激光焊接方面的研究成果对于正确开展2507双相不锈钢激光焊接的研究工作有着重要的现实意义.文献进行了2205激光焊接和GTAW方面的对比研究工作,发现相比于GTAW,激光焊接接头焊缝中两相比例失衡现象更加严重,但接头却表现出更加优异的力学性能和耐蚀性能,原因在于:相比于平衡的两相比例,激光焊接过快的冷却速度造成的晶粒细化才是接头表现出优异性能的关键所在,但是晶粒细化提高接头耐蚀性能的相关机理研究却未见相关报道.文献通过在保护气中添加不同比例的氮气来研究2205双相不锈钢激光焊接接头焊缝中的氮元素对于接头微观组织和耐蚀性能的影响,结果表明即使使用氮气作为保护气,焊接过程中氮元素的损失仍然不可避免,焊缝中氮元素的含量仍然要低于母材.而焊缝中吸收的微量氮元素不但能够提高焊缝中奥氏体的含量,同时能够改变奥氏体的形态,促进晶界奥氏体和魏氏奥氏体的生长.为了解决激光焊接接头中相比例失衡和脆性相析出的问题,文献尝试在激光焊接过程后对焊缝进行连续激光表面热处理,发现焊缝表面短时激光热处理能够平衡焊缝的相比例,抑制脆性相的析出,促进二次奥氏体在铁素体和奥氏体的晶界处生长,力学性能方面表现为接头韧性提高,断口由准解理型转变为韧窝型.

同时利用激光焊接超级双相不锈钢中厚板还是有很多显而易见的优点:利用激光深熔焊接过程中产生的小孔效应可以获得具有大深宽比的焊接接头,中厚板可以一次成型;激光焊接速度较快,焊缝的热影响区较窄,焊缝的残余应力小以及激光设备柔性好、容易实现自动化等.目前,激光焊接2507双相不锈钢的研究报道并不多见,基于以上原因,文中着重研究2507双相不锈钢激光焊接接头的微观组织和力学性能,以期对实际生产起到指导作用.

1实验材料与方法

实验材料为2507双相不锈钢,试板尺寸为100 mm×60 mm×5 mm,化学成分如表1

焊接设备为美国IPG公司生产的YLS6000光纤激光焊接系统,最大输出功率为6 kW,焦距为310 mm,焦点直径为0.29 mm.试板加工成Ⅰ坡口,端面采用磨床磨去线切割痕迹,焊前使用丙酮擦拭坡口及附近区域,采用无间隙平板对接的方式进行焊接,激光束垂直于试板表面,激光功率为2.5 kW,焊接速度为20 mm/s,离焦量为零,采用氩气作为保护气,流量为15 L/min

焊接实验完成后,采用标准金相制样法沿垂直焊接方向直接切取金相试样,尺寸为25 mm×10mm×5 mm.按照标准晶相制作方法水磨至2000#、抛光至1.5μm后用去离子水及酒精清洗、吹干,采用Behara腐蚀液进行侵蚀,侵蚀时间10 s左右.JSM6480扫描电子显微镜用于观察焊接接头显微组织,英国牛津INCA能谱仪用于测试焊缝中奥氏体和铁素体成分,Image-pro图像处理软件用于统计焊缝中奥氏体的含量,采取不同视场计算取平均值的方式减少误差.

参照GB/T 26512008《焊接接头拉伸试验》方法在SANS拉伸试验机上对焊接接头进行室温拉伸试验,拉伸速率为5 mm/min.参照GB/T 26502008《焊接接头冲击试验方法》在室温条件下对焊缝进行冲击试验,冲击式样采用V型缺口,缺口位于焊缝中间,为保证试验数据的准确性,拉伸与冲击试验每组做2个试样取平均值.参照GB/T26542008《焊接接头硬度试验方法》在MH5显微维氏硬度试验机上测量焊缝各区域的硬度,加载载荷为500 gf,加载时间为10 s

2实验结果与分析

2.1焊缝微观组织及成分分析

激光焊接2507双相不锈钢焊缝表面及接头的宏观形貌见图1.焊缝整体均匀美观、无飞溅、咬边等现象产生,切向焊缝微观照片显示焊缝完全熔透,焊缝整体呈现Ⅰ字型,焊接热影响区狭窄.焊接接头宏观上可以分为焊缝区、热影响区和母材区.焊缝区中部沿垂直于熔合线向内部生长的柱状晶清晰可见,焊缝区上部和底部的柱状晶同样垂直于熔合线生长,在柱状晶接合处形成等轴晶.

对焊缝进行成分面扫描,得出焊缝成分,计算出NieqCreq后在舍弗勒相图中的位置,见图2a点.由图2可知a点落在A+F区域可知,初步推测焊缝由铁素体和奥氏体构成,其中铁素体的含量大概在60%70%.值得注意的是,由于舍弗勒相图是根据手工电弧焊焊缝成分和相组成之间的关系绘制而成,而且并未考虑焊缝实际的结晶条件和元素具体的存在形态,所以由舍弗勒相图估算出来的铁素体的含量与实际含量会有一定的出入,焊缝铁素体实际的含量可以利用微观分析的方法准确测算.

母材及焊接接头各区域的微观相貌如图3,扫描电镜下母材和焊缝微观组织均由铁素体和奥氏体组成,并未发现其他析出相的出现,其中浅灰色的为奥氏体,深灰色的基体相为铁素体.图3(a)为母材的微观组织相貌,母材中奥氏体沿轧制方向呈长条状或圆块状均匀分布,由此形成的奥氏体和铁素体的界面对于保持母材的强度和韧性至关重要.

与母材相比,焊缝区和热影响区中两相的形貌和分布发生很大的变化,图3(b)为焊缝区的微观组织形貌,焊缝区中奥氏体多以晶界奥氏体的形态分布,同时可以看到在铁素体晶粒内部析出的条块状的晶内奥氏体和沿着向铁素体晶粒内部生长的魏氏形态的奥氏体,原因在于双相不锈钢都是以铁素体的模式凝固,焊缝金属凝固后,一直保持铁素体组织,温度低于铁素体转变曲线温度后,部分铁素体通过相变转变成为奥氏体[9].晶界处由于元素的偏析和晶格的畸变,导致晶界处能量较高,晶界铁素体发生相变所需要的驱动力较小,因此焊缝中奥氏体多以晶界奥氏体的形式存在.晶界奥氏体的存在表征了铁素体晶粒的形态,可以看到焊缝内铁素体主要以垂直于熔合线方向呈现长条状的形态分布.

3(c)为热影响区的微观组织形貌,热影响区(特别是高温热影响区),由于最靠近熔合线,经历的峰值温度高于奥氏体的转变温度,焊接升温阶段奥氏体转变为铁素体,同时伴随着晶粒的长大,随后冷却过程奥氏体由铁素体晶界或晶内析出.热影响非常狭窄,宽度不足100μm,在热影响区内,奥氏体多以不规则的条块状的形式存在,同时奥氏体的含量要低于焊缝熔合区奥氏体的含量,具体的统计结果为母材区奥氏体的含量约为45%,焊缝区奥氏体的含量约为40%,热影响区奥氏体的含量约为30%左右.可以看到激光焊接2507双相不锈钢,即使采用较大的热输入来保证焊缝背面成型良好,但焊缝区中奥氏体的含量与母材中奥氏体的含量相比仍有一定下降,特别是热影响区中奥氏体的含量只有30%左右,已经接近双相不锈钢在使用中所要求奥氏体含量的最低值,由此可以预见,2507双相不锈钢激光焊接接头的热影响区将会成为制约接头性能的薄弱区,特别是对焊接接头的耐腐蚀性能有较大影响.

为了研究激光焊接过程对焊缝中主要合金元素扩散、分配的影响,利用EDAX对接头不同区域、不同相进行成分分析,结果如表2

从母材两相中主要合金元素含量的统计结果可以看到,Cr在两相中的含量相差不多,铁素体中Cr元素含量比奥氏体中Cr元素含量稍高,Mo元素在铁素体中的含量要明显高于其在奥氏体中的含量,而Ni在奥氏体中的含量要明显高于其在铁素体中的含量,原因在于CrMo属于铁素体形成元素,而Ni属于奥氏体形成元素,母材经过长时间高温固溶处理,CrMo更多集中于铁素体中,而Ni元素则更多集中于奥氏体中,即主要合金元素在两相中的分布呈现较大差异.与母材相比,焊缝和热影响区中Cr元素在两相中的含量差距不大,主要差异体现在Mo元素和Ni元素在两相中的含量,在焊缝区内,铁素体中Mo元素的含量降低而Ni元素的含量提高,而奥氏体中则呈现相反的变化,这就导致了焊缝中主要合金元素在两相中的含量差异缩小,原因是相比于其他常规熔化焊方法,激光焊接的速度更快,热输入量相对较小,并且焊缝一次成型,没有后续热输入量的持续作用,焊接熔池凝固速度较快,合金元素没有足够的时间充分扩散至相应的相中,使得焊缝区内合金元素在两相中含量的差异与母材相比较小.在热影响区内,主要的变化体现在Mo元素在两相中含量都有所下降,原因在于热影响区中铁素体的含量过高,Mo元素在铁素体中的含量被“稀释”,而Ni元素在两相中的分布呈现与焊缝中相同的情况,即在铁素体中的含量升高、在奥氏体中的含量降低.通常用点蚀当量PE=%Cr+3.3%Mo+16%N来表示合金元素对点蚀性能的影响,需要说明的是由于N元素的含量过低,EDX无法准确检测含量.热影响区中铁素体含量过高,同时Mo元素的含量降低,使得热影响区中铁素体容易成为焊缝耐点蚀性能的薄弱区域.

2焊接接头力学性能分析

激光焊接接头的室温拉伸和冲击试验结果如表3,拉伸试验结果显示断裂位置均出现在母材区,表明2507双相不锈钢激光焊接接头的抗拉强度要强于母材,原因是焊缝熔合区内铁素体的含量有所升高,且柱状晶生长方向与拉伸方向平行,同时有研究表明焊缝区内N元素固溶在铁素体中,形成固溶强化效应,使得焊缝的拉伸强度要比母材高.焊缝室温冲击韧度较高,达到了77.5 J/cm 2,但是与母材的102.5 J/cm 2相比,焊缝的冲击韧性下降了接近25%,主要原因是焊缝中铁素体的数量过多以及铁素体以近似平行的柱状晶形态存在,使得铁素体和奥氏体之间的界面较为平直,冲击试验中裂纹的扩张更加顺利,造成焊缝的冲击韧性要明显低于母材.

焊接接头横向显微硬度测量结果如图4,结果显示,焊缝和热影响区的显微硬度明显高于母材的显微硬度,原因在于焊缝和热影响区内铁素体的含量更高,并且焊缝和热影响区中析出的奥氏体更加细小,同时激光快速焊接过程使得主要合金元素在两相中的分布更加均匀,特别是氮元素在铁素体中的含量增加,过量的氮元素固溶于铁素体中形成固溶强化效应,使得铁素体的强度和硬度都有所增加.焊接接头硬度测量的结果验证了室温拉伸和冲击实验结果,即2507双相不锈钢激光焊接接头的硬度和强度有所增加,而韧性下降较为明显.

3结论

(1)利用光纤激光焊接5 mm2507双相不锈钢,功率2.5 kW,速度20 mm/s,使用氩气作为保护气,得到表面成型美观、变形小的焊接接头.

(2)激光焊接过程热输入较小,冷却速度快使得焊缝中铁素体的含量过高,特别是热影响区中铁素体的含量甚至接近70%

(3)焊缝不同区域元素含量分析表明,与母材相比,合金元素的分布更加均匀,原因在于激光焊接接头冷却速度过快,元素没有足够的时间富集至相应的铁素体或者奥氏体中.

(4)焊接接头力学性能测试结果表明由于焊缝中铁素体含量的增加,以及铁素体以垂直于熔合线的柱状晶形态存在,使得焊接接头的强度、硬度升高,而韧性明显下降.

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