浙江至德鋼業(yè)有限公司研究了25%鉻型超級雙相不銹鋼焊條焊縫組織，分析了合金成分及焊接工藝對焊縫組織的影響，結(jié)果表明，焊縫需要較高的鉻鎳當(dāng)量比值方可達(dá)到較理想的組織，手工電弧焊時(shí)，焊接熱輸入對焊縫組織的影響不顯著，后續(xù)焊道的退火作用可提高先焊道中奧氏體相的含量。

 鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼是近些年來快速發(fā)展起來的一類不銹鋼品種，因其具有優(yōu)異的耐點(diǎn)腐蝕性能，優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和焊接性能，在當(dāng)今石化領(lǐng)域、近海工程等項(xiàng)目中的應(yīng)用越來越廣泛。經(jīng)多年的發(fā)展，鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼已發(fā)展至第三代———超級雙相不銹鋼。超級雙相不銹鋼具有極其優(yōu)異的耐氯離子點(diǎn)蝕性能，可與鎳基合金相媲美，但相對的生產(chǎn)成本較低，因此在一些高氯腐蝕環(huán)境中可替代鎳基合金。鋼結(jié)構(gòu)的建造離不開配套焊接材料。作為整體結(jié)構(gòu)一部分的焊縫，必須達(dá)到與基材相當(dāng)?shù)男阅?，方可保證結(jié)構(gòu)整體的可靠性。雙相不銹鋼優(yōu)異的性能源于其比例恰當(dāng)?shù)蔫F素體-奧氏體兩相結(jié)構(gòu)，因此焊縫亦需具備合適比例的兩相組織。

 鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼的凝固過程為單一鐵素體凝固模式，即從液相凝固出全鐵素體相，隨著溫度降低，鐵素體相中再逐漸析出奧氏體相組織。

 鐵素體析出奧氏體的轉(zhuǎn)變過程為擴(kuò)散控制的形核與長大過程。因此影響雙相不銹鋼相比例的主要因素為合金成分與降溫速度。焊接過程的熔池金屬體積小、冷卻速度快，因此焊縫組織若要與基材達(dá)到相當(dāng)?shù)南啾壤?，其合金組分必與基材有所不同;同時(shí)焊接工藝直接影響焊縫金屬的冷卻速度，進(jìn)而影響焊縫組織。因此，本文擬對一種超級雙相不銹鋼進(jìn)行焊縫組織研究，以期為應(yīng)用提供理論依據(jù)。

一、試驗(yàn)材料與方法

 試驗(yàn)材料采用中船重工七二五所研制的25%鉻型超級雙相不銹鋼焊條，板材采用低合金鋼板。焊接前采用焊條在板材待焊面堆高不低于20mm，避免板材成分對焊縫成分的影響。焊接電流為140A，為避免有害相的析出，道間溫度不高于150℃。用化學(xué)分析方法檢測焊縫成分，用金相觀察的方法分析焊縫微觀組織，用定量金相分析法分析焊縫鐵素體的面積含量。

二、試驗(yàn)結(jié)果及分析

 1. 焊縫合金成分對組織的影響

  焊縫合金成分是影響組織最主要的因素。為確定焊態(tài)下焊縫中合金元素對焊縫組織的影響，至德鋼業(yè)技術(shù)人員對9個(gè)試驗(yàn)焊條焊縫進(jìn)行化學(xué)分析與金相觀察。焊縫化學(xué)分析結(jié)果見表，并利用公式計(jì)算鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量。1、3、5、9號試驗(yàn)焊條的金相觀察結(jié)果見圖，試驗(yàn)焊條焊縫中鐵素體的面積含量結(jié)果如表所示。

 ［Cr eq］=(Cr)+(Mo)+1.5w(Si)+0.5(Nb)

 ［Ni eq］=(Ni)+0.5（Mn）+30(C)+30(N)

  式中:［Cr eq］表示鉻當(dāng)量，［Ni eq］表示鎳當(dāng)量根據(jù)表1中鉻鎳當(dāng)量比值與鐵素體含量，建立了二者之間的對應(yīng)關(guān)系，如圖2所示。可以看出，隨著鉻鎳當(dāng)量比值的提高，研制焊條焊縫的鐵素體含量亦隨之增加。當(dāng)鉻鎳當(dāng)量比值達(dá)到1.8－1.9時(shí)，鐵素體含量接近50%，即鐵素體和奧氏體的比值接近最佳值1:1。一般25%鉻型雙相不銹鋼的鉻鎳當(dāng)量比值約為2.0。但焊縫組織的鉻鎳當(dāng)量比值接近2.0時(shí)，鐵素體的含量約為60%。工程應(yīng)用中一般希望奧氏體的含量稍占優(yōu)勢，因?yàn)殍F素體為脆性相，當(dāng)鐵素體含量較高時(shí)會影響焊縫的整體力學(xué)性能。

  焊縫鉻鎳當(dāng)量比值低于母材的，其原因與焊接工藝特點(diǎn)有關(guān)。焊接過程一般在開放的環(huán)境下進(jìn)行，焊縫冷卻速度較快，鐵素體析出奧氏體的時(shí)間短，轉(zhuǎn)變不完全。當(dāng)鉻鎳當(dāng)量較高時(shí)，就會造成焊縫鐵素體含量的過高，降低焊縫的整體可靠性。因此工程實(shí)際中，雙相不銹鋼的焊接材料都適當(dāng)提高鎳當(dāng)量，以保證在焊接狀態(tài)下焊縫中鐵素體和奧氏體比值適當(dāng)，進(jìn)而保證焊縫具備優(yōu)良的綜合性能。

 2. 焊接工藝對組織結(jié)構(gòu)的影響

  焊接工藝對組織結(jié)構(gòu)的影響有兩方面:一是焊接熱輸入變化，二是焊道布置。前已述及，鐵素體—奧氏體雙相不銹鋼由液相首先凝固出全鐵素體相，繼續(xù)冷卻，通過擴(kuò)散作用奧氏體相在鐵素體中形核長大，最終形成鐵素體－奧氏體兩相結(jié)構(gòu)。擴(kuò)散過程需要一定溫度和時(shí)間，調(diào)整焊接熱輸入會對擴(kuò)散過程產(chǎn)生影響。焊道布置分為單道焊與多道焊，二者最大的不同是:多道焊接時(shí)后序焊道對先焊焊道有退火熱處理的作用，對先焊焊道組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

  a. 焊接熱輸入的影響

   焊接熱輸入指熔焊時(shí)，由焊接能源輸入單位長度焊縫上的熱能。其計(jì)算公式為:

   Q=η×I×U/v(3)

    式中Q———單位長度焊縫的熱輸入(J/cm)，

           I———焊接電流(A)，

           U———電弧電壓(V)，

           v———焊接速度(cm/s)，

           η———熱效率系數(shù)，

          焊條電弧焊為0.7－0.8。

   由式可知，影響焊接熱輸入的有焊接電流、電弧電壓和焊接速度。作者通過固定電弧電壓和焊接速度，調(diào)整焊接電流的方法實(shí)現(xiàn)焊接熱輸入的變化。試驗(yàn)用雙相不銹鋼焊條的正常焊接電流為140A，試驗(yàn)中分別采用110A、160A和180A的焊接電流進(jìn)行焊接，焊后對焊縫的鐵素體含量進(jìn)行了測試，結(jié)果如表所示。

   由表可知，焊接電流的變化對焊縫組織的影響不大。分析認(rèn)為:焊接熔池相對基體金屬體積小，金屬基體又具有極佳的導(dǎo)熱性能，同時(shí)又在開放的環(huán)境中，因此熔池冷卻速度很快，手工電弧焊的焊接熱輸入相對較低，相對焊接過程的高冷卻速度難以對焊縫組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的影響。

 b. 單道焊與多道焊

   圖3為試驗(yàn)焊條單道焊與多道焊組織結(jié)構(gòu)金相觀察結(jié)果，可以看出，多道焊道和單道焊道的金相組織明顯的區(qū)別在于，多道焊內(nèi)部焊道在大塊的針狀奧氏體組織中還有更為細(xì)小的奧氏體，而在單道焊道中僅有針狀奧氏體組織的存在。

   分析原因，單道焊焊接情況下，鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變由于時(shí)間短，轉(zhuǎn)變不完全，而多道焊接時(shí)，后續(xù)焊道對先焊道有類似退火熱處理作用，促使鐵素體繼續(xù)向奧氏體轉(zhuǎn)變?？芍哞F素體的含量存在約10%的差別。

   由單道焊與多道焊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，對于雙相不銹鋼焊縫，可采用焊后熱處理的方式對其組織進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到需要的鐵素體與奧氏體相比例。

三、結(jié)論

  1. 25%鉻型超級雙相不銹鋼焊縫中鉻鎳當(dāng)量比值為1.8-1.9時(shí)，在焊態(tài)下焊縫具有理想的鐵素體與奧氏體比值。

  2. 手工電弧焊情況下，焊接熱輸入對焊縫組織的影響不明顯。

  3. 多道焊焊縫比單道焊焊縫中的奧氏體含量高，這是由于后續(xù)焊道的退火作用的結(jié)果。