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双相不锈钢焊接接头不同区域合金元素的含量及焊缝区物相观察
发布者: 发布时间:2020/7/31 阅读:97

 双相不锈钢焊接时加热速度和冷却速度都很快,板材的合金元素和焊材的合金元素混合会对焊缝区组织形成产生严重影响,造成这个区域的组织形态含量、晶粒尺寸等与母材的轧制态有显著区别。相比双相不锈钢母材合金元素含量,焊条的合金元素含量更高,对组织形态影响更大。试验采用多层多道焊,每一层的焊道又会对上一层焊道中合金元素的迁移产生影响,在焊缝的纵深方向上每一层焊道的合金元素含量也不相同。不同区域焊道次数不同对热影响区页造成影响,接头下方的热影响区接受热循环次数较多,接头上方的热影响区接受热循环次数较少,热影响区虽然没有焊条的合金元素参与,但热循环次数不同合金元素的扩散迁移程度也不同。为此对接头不同区域铁素体相和奥氏体相中主要合金元素的含量进行EDS测试,铁素体相主要测试铬、钼两种元素,奥氏体相主要测试镍元素,测试位置如图所示。图中A位置为母材,B位置为焊缝上部,C位置为焊缝下部,D位置和E位置为热影响区上部和下部。


 
 表为不同焊条焊接后接头不同位置的EDS测试结果。接头中不同位置铬、钼、镍含量与母材之间存在显著差异。对B、C位置的测试结果,通过两个表都可以看出焊缝上层位置和下层位置的α中铬元素含量都发生一定程度的下降,而γ中铬元素的含量变化并没有表现出一定的规律,其中焊缝上层的α中铬元素含量相比下层含量略高一些,母材和焊材中含量均较少的钼元素沿着焊缝自上而下逐渐降低,这是由于焊缝下层接受多次热循环作用,每次热循环的结果都是使奥氏体不断地从铁素体晶界或晶内析出,下层的铁素体含量逐渐下降。焊缝中镍元素的总体含量明显相比母材增加不少,但在γ中镍元素含量反而下降了,这是由于不断反复地加热、冷却循环,使合金元素迁移扩散更加均匀,从而减少了合金元素偏聚的可能,焊缝中也会析出大量的奥氏体,奥氏体晶粒也会表现出Ni元素含量呈下降的现象。热影响区的中合金元素的含量整体偏低,但铬元素含量较高,热循环过程使奥氏体不断溶解为铁素体,不平衡的相变使得奥氏体含量降低,这也影响了合金元素的含量,不均匀分布的合金元素导致组织分布不均匀,再加之冷却速度极快,原先分布不均的组织其形态在也会产生很大变化。对比两个表中的数据,可以看出采用焊条309MoL的接头焊缝中镍元素含量总体偏高,在焊缝的纵深方向上,由于焊材中合金元素较母材的含量高,其中焊条309MoL中镍元素含量大约为12%,远远高于母材和焊条E2209-16。焊接时形成的熔池来不及合金元素均匀分布即凝固,这就使得焊缝上层与下层镍元素含量形成差别,焊缝下层镍元素总含量高于上层,但单独的奥氏体组织中却是上层的镍元素含量高于下层。

 

 浙江宏盛特钢有限公司结合Fe-Cr-Ni伪二元相图可知,接头在热循环作用下不同区域发生不同的相变,由于焊缝区有焊材的添加,合金元素在加热与冷却过程迁移、扩散、聚集会对新相的形成产生严重影响,易使焊缝析出金属间相、碳氮化合物等,这些二次相均会影响接头性能,其中的脆性相ζ相是危害最大的一种次生相。关于γ相的析出,相关科研人员已经做了充足的研究工作,现在可知这是双相不锈钢里边最主要也是危害最大的次生相。γ相的危害主要体现在两个方面,一是由于硬脆的特性会大大降低接头的塑韧性,成为裂纹的起源;二是γ相主要由铬、钼合金元素组成,而这些合金元素又是形成铁素体相的主要元素,γ相析出后就会使其周围出现“贫铬区”,这直接导致接头的耐腐性降低。但是这种硬脆相也会在位错滑移时起到钉扎作用,增强接头硬度和强度,除了位错钉扎外,它还可以阻碍晶粒生长。根据2205双相不锈钢TTT曲线,可以看出随着温度降低到1000-600°C区间时,γ相析出可能性最大。在焊接接头的热影响区、多层多道焊的打底焊层以及板材中温回火处理过程最易出现。对于γ相的形成学界通常认为来源于铁素体相的共析反应,即ɑ→γ+γ2,其中γ相主要由铬、钼等合金元素构成,是一种硬脆的金属间次生相。但是也有学者认为γ相会直接从奥氏体相的亚晶界中析出。

 

 双相不锈钢焊接接头中γ相析出的同时往往会有二次奥氏体形成,这种相与母材中的轧制奥氏体相以及冷却时初次固溶奥氏体相之间存在显著差异。通常双相不锈钢焊接采用多层多道焊的工艺时在焊缝、热影响区都不可避免的会出现,但这并不表示这些后析出的二次奥氏体对性能是有害的,在多次热作用下,铁素体晶内不断析出γ2,且在铁素体内均匀析出,由于晶界和晶内合金化元素含量的限制,析出的这些相并未长大,而是颗粒细小,并没有造成铁素体或奥氏体相形成元素在某一区域贫乏,元素没有偏析,导致形成的组织也不存在危害。二次奥氏体相(γ2)通常有两种析出方式,第一种是伴随着γ相的产生而形成;第二种方式是多层多道焊的焊接过程,伴随着焊接析出的奥氏体都是二次奥氏体。这种二次奥氏体与共析反应得到的二次奥氏体不同,共析反应得到二次奥氏体同时会有危害最大的γ相伴随产生,而多层多道焊后得到的二次奥氏体增加了接头奥氏体含量,从而提高了接头性能。浙江宏盛特钢有限公司对双相不锈钢母材及焊缝进行XRD试验,结果如图所示。据图可知母材及焊缝区都只有铁素体(α)和奥氏体(γ)两相,没有有害相生成。从图中测试结果显示,焊缝区并没有有害相生成,从母材XRD分析曲线显示可看出奥氏体相和铁素体相的衍射强度接近,则可以表明母材中这两种相的含量接近,这与金相观察的结果一致。图中奥氏体相的衍射强度高于铁素体相,表明焊缝主要以奥氏体相为主。
 

 
 

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