16Cr奧氏體不銹鋼高頻焊接參數對焊縫組織性能的影響

畢宗岳，嚴培林，余 晗，汪海濤

(1.西安石油大學 材料科學與工程學院，西安710065；2.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；3.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞721008)

16Cr奧氏體不銹鋼高頻焊接參數對焊縫組織性能的影響

畢宗岳1,2,3，嚴培林1，余 晗2,3，汪海濤2,3

(1.西安石油大學 材料科學與工程學院，西安710065；2.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；3.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞721008)

為了分析16Cr不銹鋼高頻焊接參數對焊縫組織性能的影響，通過光學顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)和拉伸、彎曲試驗，分析了不同高頻焊接參數下1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼(以下簡稱16Cr不銹鋼)焊縫組織與性能的變化情況。結果表明：16Cr奧氏體不銹鋼高頻焊隨著焊接速度的增加，焊縫成形性能變好；焊縫中δ鐵素體的含量隨焊接熱輸入的增加先增后減，同時伴隨σ脆性相析出；對于壁厚3.4mm的16Cr奧氏體不銹鋼，當焊接速度為10m/min、焊接熱輸入為2.9 kJ/cm、并配以適當的擠壓力和開口角時，焊縫成形及焊接接頭硬度匹配良好，且焊縫抗拉強度接近母材抗拉強度，焊縫顯微組織以奧氏體+δ鐵素體為主，但由于焊縫存在大量氧化物夾雜，焊接接頭韌性較差。

16Cr不銹鋼；高頻焊接；焊接工藝；顯微組織；力學性能

隨著油氣田腐蝕問題的日益嚴重，不銹鋼以其良好的耐蝕性、優異的力學性能而備受青睞，特別在油氣管道和油井管材、汽車尾氣排放管等方面得到了廣泛應用[1-5]。高頻焊主要用于生產直縫焊管，因為不銹鋼具有導熱系數小、線膨脹系數大等特點。目前，我國不銹鋼高頻焊主要用于生產薄壁不銹鋼直縫焊管，且主要用途為裝飾管件、非承壓或低壓管道[6-7]，厚壁和承壓管材方面的不銹鋼管高頻焊工藝和技術仍在不斷研究中。筆者通過研究3.4mm厚16Cr不銹鋼在不同焊接參數下焊縫顯微組織及力學性能的變化規律，為厚壁不銹鋼的焊接和承壓焊管的生產提供參考。

1 試驗材料及方法

試驗選用壁厚3.4mm的16Cr不銹鋼卷板，其主要化學成分見表1，微觀組織如圖1所示。由圖1可以看出，其顯微組織為奧氏體組織。

表1 16Cr不銹鋼的化學成分％

圖1 16Cr不銹鋼顯微組織

采用THERMATOOL高頻焊機進行板-板對焊試驗，板材寬度為12cm，采用3種工藝進行焊接，焊接參數見表2。焊接完成后，從焊接試樣焊縫處截取金相試樣，用三氯化鐵和鹽酸混合溶液侵蝕后，采用Leica金相顯微鏡觀察焊縫的顯微組織，并采用Durascan-70硬度計對焊接接頭處的顯微硬度進行測量。依據ASTM A370標準，采用ZWICK Z1200萬能材料試驗機對焊接試樣進行拉伸和彎曲性能測試，并通過日立S-3700N型掃描電鏡對彎曲斷口進行分析。為保證試驗數據準確，試樣均在焊接參數穩定的區域中央取樣。

表2 3種高頻焊接工藝參數

2 試驗結果與討論

2.1 焊縫顯微組織分析

不同高頻焊接參數下焊接接頭的宏觀照片如圖2所示。由圖2可看出，工藝1下焊縫成形不穩定，擠出的毛刺雖然連續但大小不一，且由于焊接熱輸入過大，焊縫寬度最寬，焊接接頭熱影響區表面發黑嚴重；工藝2下焊縫成形情況雖有所改善，但擠出的毛刺仍然不均勻，由于焊接熱輸入的降低，焊縫寬度變窄，焊接熱影響區表面發黑情況顯著改善；工藝3下焊縫成形穩定，擠出的毛刺均勻連續，焊縫寬度最小，且焊接熱影響區表面無過熱發黑現象。

圖2 焊接接頭宏觀照片

不同焊接參數下焊接接頭的顯微組織如圖3所示。高頻焊接時，加熱過程中的第二相粗大樹枝晶在擠壓輥擠壓力作用下，沿焊縫熔合線向兩側4個角度的方向變形伸長，如圖3(c)所示。這種較對稱的羽毛狀(或樹枝狀)結晶組織稱作金屬流線。通過測量金屬流線升角大小以及熔合線寬度，能夠很好地判斷焊接過程熱輸入、擠壓力和焊接速度等參數控制的穩定性，從而達到分析焊縫質量的目的[8-9]。文獻[8]提出，熔合線兩側金屬流線升角應控制在50°～80°，熔合線寬度應控制在 20～140μm。

圖3 焊接接頭顯微組織

由圖3(a)可以看出，當焊接速度為2m/min、焊接功率18～20kW時，由于焊速過低，焊接熱輸入過大，焊縫熔合線和金屬流線升角不明顯。焊縫出現了σ脆性相，σ相一般是δ鐵素體在高溫轉變下生成的，其會使焊縫的塑性和韌性顯著下降。它是一種體心正方結構的Fe-Cr化合物，750℃時在奧氏體-鐵素體焊縫金屬中形成最快，焊縫中Mo、Nb、Si、Ti等元素都會促進σ相的形成，另外過量的δ鐵素體也會促進σ相的析出[10-12]，其名義成分是FeCr，但實際上由于Ni、Mo等原子參與沉淀，該相的實際成分應為(Fe，Ni)x(Cr，Mo)y。該相首先在三晶粒交匯點處出現，其次是在晶界。在高溫下長時間加熱也會在非共格孿晶界及晶內夾雜物上形成。

由圖3(b)可以看出，當焊接速度為6m/min、焊接功率37～40kW時，由于焊接熱輸入稍大，焊縫處出現少量σ脆性相，且熔合線寬度較大(約為277μm)，由于加熱的不均勻性，兩側金屬流線升角出現明顯不一致，單側最大約為70°左右。

由圖3(c)可以看出，當焊接速度為10m/min、焊接功率為47～50kW并加大擠壓力至5t時，焊縫成形良好，測得其金屬流線升角分別為60°、62°、65°和67°；壁厚中部熔合線寬度為53μm左右，內、外兩側熔合線寬度分別為67μm和62μm。高頻焊接時，高頻電流的集膚效應會導致焊縫內外兩側熔合線寬度大于壁厚中部熔合線寬度。

圖4 焊縫顯微組織

焊縫顯微組織如圖4所示。由圖4可以看出，不銹鋼高頻焊縫顯微組織主要為奧氏體+δ鐵素體(或含有σ相)。奧氏體不銹鋼焊縫凝固時析出的初始相可以是奧氏體也可以是鐵素體，這兩種凝固初始相的分界線大約在Cr/Ni比值為18∶12處，Cr/Ni高于此比值，凝固初始相為δ鐵素體，而低于此比值則凝固初始相為奧氏體[12]。試驗用16Cr奧氏體不銹鋼其Cr/Ni高于此比值，因此凝固時初始析出相為δ鐵素體。在焊縫凝固過程中，奧氏體通過包晶-共晶反應在鐵素體胞晶界和枝晶界形成，由于Cr和Ni在奧氏體中的擴散系數比在δ鐵素體中小，加之奧氏體是通過消耗鐵素體而不斷生長，隨著相變的不斷進行，在殘留鐵素體中Cr和Mo等鐵素體生成元素不斷富集，Ni、C和N等奧氏體生成元素不斷貧化，直到這個過程使鐵素體在一個受到限制的較低溫度下變成穩定的殘余δ鐵素體而最終呈蠕蟲狀或骨架狀分布于奧氏體晶粒間[11-12]。

奧氏體不銹鋼焊縫中的δ鐵素體可以細化晶粒，消除單相奧氏體的方向性，減少有害雜質的偏析，而且δ相能溶解較多的S和P，并能降低界面能，阻止晶間液膜的形成，從而有利于焊縫的抗熱裂紋能力[10]。一般認為，焊縫含有5％～15％的鐵素體，對防止焊接熱裂紋、提高焊縫抗晶間腐蝕和應力腐蝕能力都有十分重要的作用[10-13]，但鐵素體體積分數超過15％時會使焊縫韌性顯著降低，且會降低焊縫的耐蝕性，使焊縫易發生選擇性腐蝕[10]。經測量圖4焊縫中δ鐵素體體積分數分別為13.08％、17.53％和9.01％。可見焊縫中δ鐵素體的含量隨著焊接熱輸入的增加呈現先增后減的趨勢，同時伴隨著σ脆性相的析出。這是由于隨著熱輸入的增加，t8/5增大，加之不銹鋼導熱系數小，在相變過程中焊縫高溫停留時間變長，Cr和Mo等鐵素體生成元素不斷富集，從而導致焊縫鐵素體含量增多；但當焊接熱輸入過大時，δ鐵素體開始在高溫下析出σ相，伴隨著σ脆性相的析出，δ鐵素體中Cr含量減少，Ni含量增加，這時將會有部分δ鐵素體轉變生成二次奧氏體[11]，這都使得焊縫處δ鐵素體含量減少(見工藝1試驗結果)。

2.2 焊接接頭顯微硬度分析

焊接接頭的顯微硬度分布如圖5所示。從圖5可以看出，工藝1下焊接接頭顯微硬度最高，這是由于其焊接熱輸入過大導致焊縫處析出大量σ脆性相，σ脆性相的析出會使焊縫處的韌性降低，硬度顯著增加。

工藝2和工藝3焊接接頭顯微硬度匹配較好，但由焊接接頭顯微組織分析可知，工藝2焊縫成形不好，工藝3焊縫成形良好。

圖5 焊接接頭顯微硬度分布

2.3 拉伸試驗

對工藝1～工藝3的焊接接頭試樣進行拉伸試驗，其焊縫抗拉強度如圖6所示。由圖6可看出，工藝3焊縫抗拉強度最高，接近母材抗拉強度(704.75MPa)，工藝1焊縫的抗拉強度最小。通過光學顯微鏡觀察工藝1焊接接頭截面，可以觀察到其由于擠壓力不足，焊縫融合不充分，存在明顯的冷焊缺陷，如圖7所示。工藝2焊縫成形雖有所改善，但由于焊接熱輸入稍大，焊縫處出現少量σ脆性相，同時焊縫熔合線寬度過大，且兩側金屬流線升角大小不均(圖3(b))，因而焊縫抗拉強度不高。

圖6 焊縫抗拉強度

圖7 焊縫成形缺陷

2.4 彎曲試驗

彎曲試驗中，工藝1～工藝3試樣均在焊縫處出現不同程度的開裂，如圖8所示。工藝1和工藝3焊接試樣的彎曲斷口掃描電鏡照片如圖9所示。

圖8 彎曲試樣

圖9 彎曲斷口掃描電鏡

由圖9可以看出，斷口表面有大量夾雜物，且斷口呈脆性斷裂特征。對工藝1和工藝3彎曲斷口進行選區能譜分析，其彎曲斷口能譜分析如圖10和圖11所示，分析結果見表3。由能譜分析結果可知，焊接試樣彎曲斷口處含有大量Fe、Cr、Mn、Si、O和Ni等元素，但工藝1的斷口點1處Cr、Si元素含量遠高于工藝3斷口。

由于不銹鋼中含有大量的合金元素，高頻焊接時，板材焊接表面極易形成氧化層，隨后在擠壓輥壓力作用下進行壓力成型時，如果擠壓不充分或氧化物過多，不能將生成的氧化物擠出焊縫的熔合面，氧化物會留在熔合線處，在隨后的凝固過程中，焊縫處生成氧化物夾雜。由能譜分析結果可知，焊縫處的氧化物夾雜應主要為Cr和Fe的氧化物。

圖10 焊接工藝1彎曲斷口能譜分析圖

圖11 焊接工藝2彎曲斷口能譜分析圖

表3 彎曲斷口能譜分析結果

由能譜分析結果可知，在16Cr不銹鋼焊縫中存在Cr和Fe的氧化物。對應不同的焊接工藝，只有當焊接速度、焊接熱輸入和擠壓力匹配適當時，焊縫氧化物數量會得到有效控制，焊接接頭的性能也能得到保證。工藝1焊縫彎曲斷口中，點1處除了有Cr和Fe的氧化物外，還含有Si和Mn偏析而引起的化合物。工藝3彎曲斷口中Mn和Si偏析小，主要是Cr和Fe的氧化物。

綜上所述，工藝1焊縫中大量的σ脆性相和Cr、Fe氧化物是焊縫韌性差的主要原因；工藝3焊接接頭強度雖然和母材抗拉強度接近，但由于焊縫中也有大量的Cr和Fe氧化物夾雜，造成焊縫韌性不足。因此，在進行不銹鋼高頻焊接時需要采取氣體保護，以防止高溫環境下焊縫氧化物的生成。

3 結 論

(1)對于壁厚3.4mm的16Cr奧氏體不銹鋼，當焊接速度為10m/min左右、焊接熱輸入為2.9 kJ/cm、并配以適當的擠壓力和開口角時，焊縫成形良好，焊接接頭硬度匹配較好且焊縫抗拉強度接近母材抗拉強度，焊縫顯微組織以奧氏體+δ鐵素體為主。但由于焊縫存在大量氧化物夾雜，焊接接頭韌性較差。

(2)16Cr奧氏體不銹鋼高頻焊隨著焊接速度的增加，焊縫成形性能變好；焊縫中δ鐵素體的含量隨焊接熱輸入的增加先增后減，同時伴隨σ脆性相析出。

(3)16Cr不銹鋼焊縫存在大量Cr和Fe的氧化物，焊接時需要采取氣體保護。

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Effect of 16Cr Austenite Stainless Steel High Frequency Welding Parameters on Weld Microstructure and Properties

BI Zongyue1,2,3,YAN Peilin1,YU Han2,3,WANG Haitao2,3
(1.School of Materials Science and Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China；2.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China；3.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China)

In order to analyze the effect of 16Cr stainless steel high frequency welding parameter on weld microstructure and properties,under the different high frequency welding(HFW)parameters，the change of weld microstructure and properties of 16Cr stainless steel were studied by optical microscope(OM)，scanning electron microscope(SEM)tensile test and bending test.The results showed that the weld formability of 16Cr austenitic stainless steel becomes better with the increase of welding speed.The content of δ-ferrite in weld show a trend of decrease after an initial increase with the increasing of welding heat input，accompanied by brittle σ-phase precipitation.The weld of 3.4mm thickness 16Cr austenitic stainless steel has good formability，when welding speed about 10m/min，welding heat input 2.9 kJ/cm，and with appropriate pressing force and the opening angle.The welded joints have good matching hardness and the weld tensile strength is close to the base material tensile strength.The microstructure of weld is mainly composed of austenite and δ-ferrite.But the welded joints have poor toughness，because of the oxide inclusions in weld.

16Cr stainless steel;high frequency welding;welding technology;microstructure;mechanical properties

TG456.9

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.08.001

畢宗岳(1962—)，男，陜西寶雞人，教授，高級工程師，主要從事管材開發及焊接技術研究工作。

2016-03-23

李紅麗