堆焊方式對奧氏體不銹鋼堆焊層組織和性能的影響

鄧傳印，熊建坤，徐 健，許德星，楊建平，毛桂軍

東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000

0 前言

在核電設備制造中，低合金鋼因其價格低、強度高的特點得到廣泛應用，尤其適用于大口徑大壁厚的通流管件。常規(guī)島汽輪機組高壓缸體制造中涉及缸體與管接的焊接，為匹配耐蝕性通常需在管端堆焊奧氏體不銹鋼，經坡口加工后以同種奧氏體材料填充焊接完成。在異種鋼焊接中存在焊縫金屬稀釋、碳遷移、焊接殘余應力的典型問題，對接頭性能產生不利影響［1-3］，甚至在焊接過程中出現(xiàn)界面剝離現(xiàn)象［4］。張茂龍［5］等人采用帶極堆焊以不同焊接參數(shù)在SA508材料上依次堆焊EQ309L、WQ308L不銹鋼，研究了堆焊稀釋率對顯微組織和接頭力學性能的影響。以上研究均采用埋弧焊工藝，針對焊條電弧堆焊層組織和性能的研究較少。

本文采用焊條電弧焊在16Mn管端堆焊E318-15焊材，比較分析了管口端面堆焊中常用的橫焊和環(huán)焊兩種方式對堆焊層化學成分、顯微組織和顯微硬度的影響，以為優(yōu)化堆焊工藝方案、提高接頭安全性奠定理論基礎。

1 試驗材料及方法

采用焊條電弧焊在16Mn管口端面進行FOX SAS 4（E318-15/Φ4.0）不銹鋼堆焊，管口端面規(guī)格為Φ650×60，母材和焊材化學成分如表1所示。在堆焊方式上半圈采用沿著圓周的環(huán)向施焊，另外半圈采用沿著徑向的施焊方式，焊接示意和焊后實物如圖1所示。

圖1 橫焊、環(huán)焊示意和焊后實物照片F(xiàn)ig.1 Schematic diagram of horizontal welding and circumferential welding and physical photos after welding

表1 母材和焊材化學成分（質量分數(shù)，%）Table 1 Chemical composition of 16Mn and Typical Chamical composition of E318-15（wt.%）

兩種焊接方式的焊接工藝參數(shù)如表2所示。表中焊接速度為焊工根據(jù)不同堆焊方式在保證焊縫熔合良好前提下自身控制形成。焊接過程中每焊完一根焊條使用風槍扁鏟錘擊清渣。層間溫度控制在300℃以內。每層以兩種方式各焊半圈，直到堆焊總厚度達到50 mm。

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding process parameters

焊接完成后在不同區(qū)域取樣制樣，金相試樣采用 4% 硝酸酒精和 FeCl3（5 g）+HCl（50 mL）+H2O（100 mL）溶液進行腐蝕。使用Thermo SCIENTIFIC 3460型光譜儀、Axiovert 40 MAT型光學金相顯微鏡、MACROVICKERS5112型顯微硬度儀測試觀察化學成分、金相組織和顯微硬度。

為測量堆焊層的化學成分，分別在熔合線以下3 mm（記為-3 mm）、熔合線處（記為0 mm）、熔合線以上2 mm、4 mm、6 mm、…、20 mm處進行線切割，制得尺寸20 mm×20 mm×3 mm的試樣1塊，20 mm×20 mm×2 mm的試樣11塊，然后進行測試面標記和光譜測試。所切取的試樣照片如圖2所示，圖2a為整體形貌，圖2b為分層取樣試塊排列及0位測試面形貌（左側為橫焊試樣，右側為環(huán)焊試樣，測試面上銀灰色為熔覆焊材，相鄰的黑色為原來母材），圖2c為基材-3 mm處光譜測試后形貌。

圖2 光譜測試取樣及試樣形貌Fig.2 Spectrum test sampling and sample morphology

依次在純奧氏體焊縫區(qū)、層狀偏析帶、熔合線附近、母材熱影響區(qū)和母材基體上進行顯微硬度測量，除純奧氏體區(qū)測試點外，其余各點間距在1～1.5 mm間，測量單位HV10。

2 實驗結果與分析

2.1 堆焊層成分

不同堆焊方式堆焊層成分變化如圖3所示，對兩種堆焊方式，C和Mn元素隨著距離熔合線越遠含量降低并逐漸趨于穩(wěn)定；其余合金元素均隨著距離熔合線越遠含量升高并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3 不同堆焊方式堆焊層成分變化Fig.3 Composition change of surfacing layer with different surfacing methods

對比兩種堆焊方式成分變化曲線可見，無論含量升高或降低，在含量趨于穩(wěn)定前，橫焊試樣和環(huán)焊試樣成分變化曲線差異明顯，尤其是距離熔合線0 mm、2 mm、4 mm三處成分構成的一段曲線，橫焊樣類似對數(shù)函數(shù)曲線，環(huán)焊樣類似指數(shù)函數(shù)曲線，對含量增長的不同熔敷合金元素（Cr、Ni、Mo、Nb、V），兩條曲線構成了一個相似形狀的多邊形（或理解為含量差值區(qū)域），對比可知在同一距離下橫焊試樣元素含量均比環(huán)焊高，其中2 mm處成分差值最大。隨后在4 mm處成分差值迅速縮小，主要合金元素Cr、Ni甚至基本相同，在達到6 mm后無論橫焊還是環(huán)焊，元素含量基本達到最大值，后續(xù)隨著與熔合線距離增大元素含量基本保持穩(wěn)定。以上規(guī)律同樣適用于隨距離增大含量逐漸降低的C元素。

在相同焊接方法前提下，影響熔敷金屬化學成分的主要是焊接工藝參數(shù)，包括焊材規(guī)格、電流、電壓、焊接速度、壓道程度、擺動方式等，本文中橫焊和環(huán)焊兩種方式主要工藝參數(shù)差異為焊接速度和壓道程度。對比兩種堆焊方式在環(huán)端面上的施焊空間，可見橫焊時受徑向尺寸限制需不斷折返施焊（徑向僅長60 mm），焊接速度比環(huán)焊慢，因此單位時間、單位長度內熔入的熔敷金屬更多，同時較慢的焊接速度也有利于電弧力對熔池的攪拌而非熔化更多母材。錘擊清渣后，橫焊壓道寬度約占上一道的1/2，而環(huán)焊壓道量小于1/3，同時對比圖2b光譜試樣0位測試面，環(huán)焊試樣在兩條焊道間有明顯的未熔化母材，說明相鄰焊道熔池重疊量較小，熔池中會有更多母材熔入，而橫焊時熔入熔池的上一道焊縫體積較多，熔入的母材較少，具有更低的稀釋率。

通過宏觀金相觀察前2 mm范圍均屬于第一層熔敷金屬焊縫，由于環(huán)焊方式母材稀釋率高，2 mm處合金含量較0 mm處增加較少，4 mm處為第二層熔敷金屬，此時受母材稀釋作用大大減小，合金成分迅速增長。而橫焊方式由于壓道較多，首層焊縫受母材稀釋作用減弱，使得0 mm和2 mm處成分均明顯高于環(huán)焊，呈現(xiàn)出具有不同增長率的曲線。對于2 mm到4 mm成分增長率，橫焊試樣反而低于環(huán)焊試樣，這是由于此時均為第二層焊接，在添加的熔敷金屬成分相同前提下，成分變化主要受首層焊縫的影響。因二者最終成分將一致，所以首層焊縫成分低的，第二層焊縫成分將大大提高，具有更高的增長率。即便如此，直到6 mm處（第3層）環(huán)焊試樣成分含量才增長至與橫焊試樣基本相同。

2.2 金相組織

從橫焊和環(huán)焊區(qū)域分別取樣，以垂直于焊縫走向的橫截面為金相觀察面。圖4為兩種焊接方式下熔合線界面附近組織形貌，其中界線左側深色區(qū)為母材基體，右側淺色區(qū)為不銹鋼堆焊區(qū)。對比圖4a～4d可見，相比于環(huán)焊試樣，橫焊試樣在熔合線近母材側存在明顯的粗晶區(qū)（帶），寬度約20 μm；而環(huán)焊試樣在熔合線近堆焊側存在的深色條帶比橫焊試樣寬，寬度約為20 μm。

對比基體側熱響區(qū)組織，如圖4h、4i所示環(huán)焊樣過熱區(qū)域出現(xiàn)了魏氏鐵素體組織［6］，而橫焊試樣為較均勻的塊狀鐵素體、珠光體組織。

由圖4e、4f可見，遠離熔合線的堆焊層區(qū)域兩種試樣均存在粗大的條帶組織，進一步觀察，在環(huán)焊試樣金相宏觀照片（見圖7b）上發(fā)現(xiàn)此類組織僅在堆焊層第一層出現(xiàn)，且呈現(xiàn)條帶間隔特征，條帶腐蝕后色差與母材側相當，均比不銹鋼堆焊層腐蝕程度深，色澤灰暗，圖5a、5b進一步顯示了橫焊試樣和環(huán)焊試樣上述灰色條帶的形貌，基本為胞狀樹枝晶和等軸數(shù)枝晶的混合組織，圖4g為光鏡500倍下組織形貌。

圖4 橫焊和環(huán)焊試樣堆焊界面處組織形貌以及環(huán)焊試樣出現(xiàn)的魏氏組織Fig.4 Microstructure at the surfacing interface of transverse and circumferential welding samples and the widmanstatten structure of circumferential welding samples

圖5c、5d為橫焊試樣和環(huán)焊試樣的焊縫本體，組織均為魚骨狀δ鐵素體+奧氏體基體。

圖5 橫焊和環(huán)焊不銹鋼堆焊層組織形貌Fig.5 Microstructure of stainless steel surfacing layer for transverse welding and circumferential welding

熔合線附近母材過熱區(qū)奧氏體化后晶粒粗大，環(huán)焊試樣由于焊接速度較快，熱輸入較低，隨后以較快速度冷卻后部分區(qū)域形成了粗大的魏氏組織，根據(jù)魏氏組織評審圖譜評級可達3級。橫焊試樣焊接速度慢，熱輸入較高，熔合線附近過熱區(qū)組織冷速相對較慢，形成了等軸鐵素體和珠光體混合組織。過熱區(qū)冷速差異與焊接方式有直接關系，橫焊方式焊縫走向為W字型，相比于環(huán)焊方式的C字型走向，其道間溫度上升更快，因此過熱區(qū)組織冷速較慢。焊縫錘擊清渣后實測道間溫度，橫焊方式焊接完第3根焊條后道間溫度上升至210℃，而環(huán)焊方式要達到這一溫度需焊接7根焊條。

熔合線近堆焊側的深色條帶，在光鏡下部分區(qū)域發(fā)現(xiàn)了明顯的板條束組織（見圖6a）。文獻報道［7］此條帶組織為類馬氏體，同時Ni含量對該組織的抑制作用明顯［8］，結合2.1節(jié)化學成分含量測定，可見橫焊試樣首層含Ni量高于環(huán)焊試樣，有利于抑制馬氏體生成；同時橫焊較慢的焊接速度和較大的熱輸入對熔池的攪拌作用更強，固液界面附近溫度梯度更小，抑制了晶體生長。經電鏡觀察，橫焊試樣和環(huán)焊試樣熔合區(qū)組織形貌差異明顯，類馬氏體帶寬度尺寸分別為10 μm和30 μm以內，如圖6b、6c所示。

圖6 熔合區(qū)類馬氏體組織形貌Fig.6 Martensite like structure morphology in fusion zone

跨越熔合區(qū)深入焊縫區(qū)，在焊縫首層形成明顯的間隔條帶，這與熔池結晶過程中的層狀偏析有關。結合顯微硬度分析，深色條帶為馬氏體組織，淺色區(qū)域為奧氏體。

雖然橫焊試樣和環(huán)焊試樣在熱影響區(qū)和熔合線附近組織差異明顯，但從焊縫金屬到熱影響區(qū)其組織演變情況均可概括為：奧氏體—奧氏體+馬氏體—類馬氏體—熔合線—熱影響區(qū)，這與張佐［9］等人對異種鋼焊接邊界的研究結果相符。

2.3 顯微硬度

對橫焊試樣和環(huán)焊試樣進行顯微硬度檢測，測試結果如圖7a所示，圖7b為環(huán)焊試樣宏觀金相上的硬度測試分區(qū)，并標示了部分測試點對應的標記號（從上到下依次進行標記，共10點）。在堆焊層的純A區(qū)，如圖7a中第1點，環(huán)焊試樣硬度比橫焊試樣高22 HV10。而灰色條帶區(qū)和熔合線附近橫焊試樣硬度均高于環(huán)焊試樣，最大差值出現(xiàn)在靠近熔合線的第④點，達76 HV10。越過熔合線進入母材基體區(qū)測試硬度，兩種試樣呈現(xiàn)了不同的硬度變化趨勢，環(huán)焊樣為升高→降低→升高→穩(wěn)定，橫焊樣為降低→升高→穩(wěn)定。即環(huán)焊試樣熔合線兩邊，基體側組織硬度高于堆焊側，而橫焊試樣基體側所有測試點硬度均低于堆焊側，且靠近熔合線處的測試點為最低值。

圖7 橫焊和環(huán)焊試樣焊態(tài)下顯微硬度對比Fig.7 Comparison of microhardness between transverse welding and circumferential welding samples in as welded state

灰色條帶區(qū)中第②點硬度達330 HV10，壓痕全部在灰色條帶組織上（見圖8e），結合組織形態(tài)可推斷其為馬氏體，第③點處于條帶之間硬度降低，第④點靠近熔合線且完全處于白亮區(qū)，硬度進一步下降，第⑤點在熔合線附近的母材上，其壓痕較第④點小（見圖8c），結合圖8f可見壓痕處在魏氏組織區(qū)，強硬度較塊狀鐵素體基體升高。

圖8 環(huán)焊試樣顯微硬度壓型分布形貌Fig.8 Microhardness profile of ring weld specimen

根據(jù)圖3各元素含量，可計算第②點、第③點、第④點處鎳當量分別為11.3%和10.8%，因此熔池凝固過程中奧氏體不穩(wěn)定，容易產生馬氏體［10］。由于A+M的混合組織特點，兩種焊接方式其灰色條帶區(qū)（堆焊首層）組織硬度在整個接頭中均為最高，同時壓痕與馬氏體組織的位置關系決定了硬度的高低。而母材熱影響區(qū)域橫焊試樣較大的熱輸入及壓道方式導致近熔合線出現(xiàn)等軸鐵素體甚至珠光體球化現(xiàn)象，導致硬度低于同位置的環(huán)焊試樣。

3 結論

（1）在電流和電壓相同條件下，管口端面堆焊時采用橫焊壓道方式有利于減小母材稀釋率，在提升熔敷金屬合金成分含量方面較環(huán)焊明顯。前3層熔敷金屬所含Cr、Ni、Mo、Nb、V、Si元素橫焊均比環(huán)焊試樣高，含量最大比值分別為：144%、136%、116%、136%、150%、111%，同時C含量較低，最大比值為52%。

（2）熔合線兩側橫焊和環(huán)焊試樣組織不同，橫焊試樣在熔合線母材側附近存在粗化的等軸鐵素體和珠光體混合組織帶；環(huán)焊試樣在熔合線堆焊側附近存在更寬的類馬氏體條帶，同時在母材側過熱區(qū)出現(xiàn)魏氏組織。上述差異與橫焊方式更高的熱輸入和更低的母材稀釋率有關。同時兩種焊接方式下，在堆焊層首層均出現(xiàn)了A+M的混合組織，且呈條帶狀分布。

（3）由于馬氏體的存在，兩種焊接方式下堆焊層首層混合組織硬度均比接頭其余位置高，母材側均存在軟化區(qū)域，但環(huán)焊試樣由于存在魏氏組織出現(xiàn)硬度升高現(xiàn)象。兩種焊接方式下，接頭硬度最高值和最低值均出現(xiàn)在橫焊試樣中，分別為338 HV10和170 HV10，差值達168 HV10。在灰色條帶區(qū)和熔合線附近橫焊試樣硬度均高于環(huán)焊試樣，最大差值出現(xiàn)在靠近熔合線的第4點，達76 HV10。