06Cr20Ni11鋼埋弧焊焊縫的顯微組織和性能

楊 越1，李亞軍2，郭 容1，龔利華1，王正云

(1.宜賓職業技術學院現代制造工程系，宜賓 644003； 2.中國石油集團濟柴動力有限公司成都壓縮機分公司，成都 610100； 3.西華大學材料科學與工程學院，成都 610039)

0 引 言

奧氏體不銹鋼是目前應用最廣泛的不銹鋼之一。焊接是設備安裝制造的一道關鍵工序，奧氏體不銹鋼結構件通常也需要經過焊接成型，但其線膨脹系數大、熱導率小，在傳統焊接過程中的高溫停留時間長，接頭易產生焊接變形、裂紋等缺陷[1]。目前，國內外學者對不銹鋼焊接工藝和接頭性能進行了大量研究。劉海祥等[2]研究發現，鎢極氬弧焊得到的304不銹鋼焊接接頭的晶粒比手工電弧焊的細小，抗拉強度和硬度更高；張紹棋等[3]研究發現，隨著埋弧焊劑中MnO含量的增加，18-8不銹鋼焊接接頭組織中的鐵素體含量先增加后減少；楊瑞成等[4]研究發現，熱軋410S不銹鋼板采用鎢極氬弧焊焊接后，其熱影響區、母材和焊縫的晶間腐蝕傾向依次減?。籚INOTH等[5]研究發現，在SUS 304HCu不銹鋼中添加質量分數3%的銅元素后，雖然其焊接接頭力學性能有所降低，但高溫蠕變性能提高，晶間腐蝕傾向減小。

埋弧焊是電弧在焊劑覆蓋下，在焊絲與母材間燃燒的一種熔焊方法，與手工電弧焊、鎢極氬弧焊、攪拌摩擦焊等焊接方法相比，其操作環境好，焊縫成形美觀、質量好，生產效率高，投入成本低。06Cr20Ni11鋼是一種強度高、塑性好、耐腐蝕和耐氧化性能優良的奧氏體不銹鋼，廣泛應用于石油管道、化工容器、儀表儀器、航空、船舶、汽車和核電等領域[6-10]。然而，目前關于06Cr20Ni11不銹鋼埋弧焊接接頭組織和性能的研究報道較少。因此，作者對06Cr20Ni11鋼進行了埋弧焊試驗，研究了其焊接接頭焊縫的組織、力學性能和耐晶間腐蝕性能，以期為奧氏體不銹鋼的現場焊接提供一定的理論指導。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗母材為山西太鋼不銹鋼股份有限公司提供的厚度為20 mm的熱軋態06Cr20Ni11鋼板，其化學成分和力學性能分別如表1和表2所示。焊材為哈爾濱威爾焊接有限責任公司提供的SJ601A焊劑和HS308L不銹鋼焊絲(直徑3.2 mm)。將母材加工成尺寸為400 mm×150 mm×20 mm的待焊試樣，開坡口，坡口形式為V型(帶墊板)，坡口角度為20°，接頭形式為對接接頭，根部間隙為16 mm。墊板材料與母材相同，尺寸為450 mm×30 mm×10 mm。待焊試樣和坡口的形狀與尺寸如圖1所示。

表1 06Cr20Ni11鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of 06Cr20Ni11 steel (mass) %

表2 06Cr20Ni11鋼的力學性能Table 2 Mechanical properties of 06Cr20Ni11 steel

圖1 焊接試樣和坡口的形狀與尺寸Fig.1 Shape and size of welding sample and groove

按照GB/T 17854-2018并借鑒產品實際焊接經驗，采用MZE-1250型交直流兩用自動埋弧焊機進行7層14道堆焊，焊絲干伸長為26～32 mm，焊劑堆高為34～40 mm。采用直流反接工藝，焊接電流為480～510 A，焊接電壓為28～30 V，焊接速度為36～38 cm·min-1，焊前預熱溫度為80～120 ℃，道間溫度不超過150 ℃。

圖2 焊接接頭取樣位置示意Fig.2 Diagram of sampling positions of welded joint

1.2 試驗方法

焊接接頭上不同試樣的取樣位置如圖2所示。按照GB/T 2652-2008，在焊縫上沿縱向加工出尺寸為φ10 mm×50 mm的標準試樣，在WAW-300C型30 t微機控制電液伺服萬能試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速度為2.8 mm·min-1；按照GB/T 2650-2008，以焊縫為中心橫向加工出3個尺寸為55 mm×10 mm×10 mm的沖擊試樣，開V型缺口，缺口角度為45°，深度為2.0 mm，在JBW-300B型擺錘式沖擊試驗機上進行室溫沖擊試驗，采用EVO18型掃描電鏡(SEM)觀察斷口形貌。按照GB/T 2653-2008，以焊縫為中心橫向加工出4個尺寸為300 mm×20 mm×10 mm的試樣，在LWC2000型程控板材連續彎曲試驗機上進行側彎試驗，彎曲直徑為40 mm，彎曲角度為180°。采用M5000 CCD型全譜火花直讀光譜儀對焊縫金屬進行化學成分分析。采用SZSG-SP10A型鐵素體測量儀測定焊縫組織中的鐵素體含量。按照GB/T 13298-2015，使用三氯化鐵鹽酸水溶液(25 g FeCl3+250 mL HCl+500 mL H2O)對焊縫試樣進行浸蝕，采用Olympus-Tokyo型光學顯微鏡觀察顯微組織。按照GB/T 4334-2008中規定的E法進行焊縫金屬晶間腐蝕試驗，即將焊縫試樣在680 ℃保溫1 h進行敏化處理后，加工出2個尺寸為80 mm×10 mm×4 mm的試樣，置于16%(質量分數，下同)硫酸-10%硫酸銅溶液中，在微沸狀態保持16 h進行腐蝕。將此晶間腐蝕試樣清洗、干燥后進行彎曲試驗，彎曲角度為180°，使用10倍放大鏡觀察彎曲后試樣的外表面形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 工藝性能和接頭質量

埋弧焊材SJ601A/HS308L在焊接過程中工藝性能良好，脫渣容易，電弧燃燒穩定。焊縫成形美觀，焊縫表面沒有黏渣、氣孔和壓坑等缺陷，如圖3所示。X射線探傷檢測結果為Ⅰ級焊縫，說明焊接質量合格。

圖3 06Cr20Ni11鋼埋弧焊焊縫的宏觀形貌Fig.3 Macromorphology of weld of 06Cr20Ni11 steel after submerged arc welding

2.2 化學成分和鐵素體含量

由表3可知，焊縫各元素含量均符合GB/T 17854-2018的要求，其中雜質元素硫和磷含量較低，這為焊縫金屬良好的強度和韌性提供了保證。

表3 埋弧焊接后06Cr20Ni11鋼焊縫的化學成分(質量分數)Table 3 Chemical composition of weld of 06Cr20Ni11 steel after submerged arc welding (mass ) %

焊縫組織中δ鐵素體體積分數為9.2%，符合5%～15%的標準要求。

2.3 顯微組織

由圖4可知，焊縫組織呈枝晶狀分布，由奧氏體和少量δ鐵素體組成，其中白色區域為奧氏體，黑色區域為δ鐵素體。

圖4 埋弧焊接后06Cr20Ni11鋼焊縫的顯微組織Fig.4 Microstructure of weld of 06Cr20Ni11 steel after submerged arc welding：(a) at low magnification and (b) at high magnification

2.4 力學性能及斷口形貌

由表4可知：焊縫金屬的室溫強度和斷后伸長率均滿足GB/T 17854-2018的要求；室溫沖擊吸收能量達到80 J以上，富余量較大且測試值比較集中，說明焊縫金屬具有良好的韌性，且耐沖擊性能比較穩定；側彎試樣彎曲180°后表面均無裂紋，測試結果合格。由圖5可以看出，焊縫沖擊斷口表面具有大量韌窩，表現為韌性斷裂。在沖擊載荷作用下，焊縫中的裂紋沿著晶界擴展時，需克服較大的塑性變形，因此需要更多的能量,較高的沖擊吸收能量恰好說明了這一點。

表4 埋弧焊接后06Cr20Ni11鋼焊縫的力學性能Table 4 Mechanical properties of weld of 06Cr20Ni11 steel after submerged arc welding

圖5 焊縫金屬沖擊試樣的斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of weld metal impact sample：(a) at low magnification and (b) at high magnification

2.5 耐晶間腐蝕性能

由圖6可知，晶間腐蝕試樣經180°彎曲試驗后，其外表面均沒有出現裂紋，說明焊縫金屬沒有晶間腐蝕傾向，具有良好的耐晶間腐蝕性能。

圖6 晶間腐蝕并彎曲后焊縫試樣的宏觀形貌Fig.6 Macromorphology of weld samples after intergranular corrosion and bending

2.6 分析與討論

研究[11-12]表明，奧氏體不銹鋼在冷卻過程中的凝固模式包括全奧氏體(A)模式、鐵素體-奧氏體(FA)模式、奧氏體-鐵素體(AF)模式和全鐵素體(F)模式，當δ鐵素體體積分數在4%～12%時，其凝固模式為FA。以該模式冷卻凝固時，熔融金屬中先結晶析出δ鐵素體，隨后發生包晶-共晶反應形成奧氏體，沒有轉變成奧氏體的殘留δ鐵素體存在于枝晶干中心。這些奧氏體和鐵素體組成的混合相可以阻止液態薄膜的浸潤和鋪展，使裂紋必須沿著生成的晶粒的彎曲邊界擴展，從而提高金屬抗凝固裂紋的能力。試驗制備的焊縫金屬δ鐵素體體積分數為9.2%，呈枝晶狀分布，符合FA凝固模式。另外，在焊接熔池冷卻過程中，δ鐵素體能溶解較多的硫和磷元素，減少這些元素在晶界處的聚集、偏析以及低熔點共晶物Ni3S2-Ni、Ni3P-Ni的生成[13-15]。鐵素體中的鉻含量大于奧氏體中的，在冷卻過程中鐵素體中的鉻會及時析出，彌補晶界處較低的鉻含量，減少晶間貧鉻區的形成，從而提高焊縫的抗晶間腐蝕能力[16]。06Cr20Ni11鋼埋弧焊接后良好的耐晶間腐蝕性能也說明了這一點。

3 結 論

(1) 埋弧焊材SJ601A焊劑和HS308L焊絲的焊接工藝性能良好，脫渣容易，電弧燃燒穩定；埋弧焊接06Cr20Ni11鋼焊縫成形美觀，焊縫表面沒有黏渣、氣孔和壓坑等缺陷，X射線探傷檢測結果為Ⅰ級焊縫。

(2) 06Cr20Ni11鋼埋弧焊焊縫的化學成分滿足標準要求，雜質元素硫和磷含量較低；焊縫金屬凝固模式為FA，組織為奧氏體和少量δ鐵素體，δ鐵素體體積分數為9.2%，呈枝晶狀分布。

(3) 06Cr20Ni11鋼焊縫金屬的拉伸性能和抗沖擊性能均符合要求，沖擊斷口存在大量韌窩，斷裂方式為韌性斷裂；焊縫側彎試驗合格，耐晶間腐蝕性能良好。