热输入对445J2超纯铁素体不锈钢焊接接头显微组织和力学性能的影响

张婷婷,王文先,闫志峰,王志斌,张心保

(1. 太原理工大学 材料科学与工程学院,太原 030024; 2. 山西太钢不锈钢技术股份有限公司,太原 030002)

热输入对445J2超纯铁素体不锈钢焊接接头显微组织和力学性能的影响

张婷婷1,王文先1,闫志峰1,王志斌2,张心保2

(1. 太原理工大学 材料科学与工程学院,太原 030024; 2. 山西太钢不锈钢技术股份有限公司,太原 030002)

研究了不同热输入445J2超纯铁素体不锈钢TIG焊焊接工艺。设计三组热输入分别为低热输入(1.67 J/mm),中热输入(1.75 J/mm)和高热输入(1.95 J/mm),系统地分析了接头组织和力学性能。结果表明:接头焊缝均由中心等轴晶和外围柱状晶组成,HAZ均为粗化的等轴晶;低热输入接头的静载拉伸强度最高;拉伸试样断裂位置均位于接头柱状晶区;随着热输入的增大,拉伸断裂机理由韧窝断裂向准解理转变;对弥散分布的第二相SEM和EDS分析,其成分为Ti或Nb的氮化物,有利于焊缝中心柱状晶向等轴晶的转变。

热输入;超纯铁素体不锈钢;显微组织;断口形貌;力学性能

近年来,铁素体不锈钢作为结构和功能材料已被逐渐应用研究于多种环境中,其中包括汽车工业、建筑物的装饰材料等。由于其在Cl离子环境中具有良好的耐应力腐蚀开裂性能,被应用于海水环境下的热交换器[1]。超纯铁素体不锈钢是将C、N含量控制在极低水平,且加入Ti、Nb、Cu、Al等微量元素,以改善其性能。在汽车排气系统和太阳能热水器等领域有很大的应用前景[2-5]。焊接是用于不锈钢加工的重要加工工艺[6]。其中,熔化焊工艺简单、成本较低,被广泛应用于多个领域。因此焊接接头冶金变化备受各专家、学者关注。然而,由于铁素体不锈钢在焊接加热熔化过程中无相变,导致铁素体晶粒易粗化,由此引发了接头性能下降问题[7-9]。

445J2是采用VOD精炼工艺将C、N含量严格控制在极低的水平,并通过添加微量Mo、Nb、Ti和N等稳定化元素研发出的一种经济型超纯铁素体不锈钢。

目前,国内外学者对不锈钢的研究多集中于奥氏体不锈钢、双相不锈钢上和409、430等普通铁素体不锈钢焊接的研究[10-13]。本文系统分析了不同热输入445J2超纯铁素体不锈钢薄板接头组织和性能,为材料优化及工程应用提供依据。

1 实验方法

实验材料选用1.2 mm的445J2超纯铁素体不锈钢薄板,其化学成分见表1所示。其显微组织为单一的铁素体组织,其组织形态为不规则的多边形形貌,如图1所示。其平均晶粒尺寸约为35 μm。

表1 445J2 FSS化学成分(质量分数%)

施焊前,用丙酮擦拭试样待焊部位的油污和水份等杂质,以避免产生气孔等焊接缺陷。焊接设备选用直缝TIG焊机,保护气体为99.99%的纯Ar。焊接工艺通过改变焊接速度实现三组不同热输入。具体工艺参数见表2所示。实验过程中发现,当速度大于780 mm/min时,会出现未焊透缺陷;当速度小于666 mm/min时,会出现烧穿缺陷。

表2 对接接头的工艺参数

线切割截取接头试样用于制作金相试样,再经砂纸打磨、抛光和腐蚀(腐蚀试剂为王水)后,用金相显微镜和扫描电镜SEM对四组不同热输入获得的焊接接头显微组织和析出的第二相粒子进行观察、分析。

静载拉伸实验在万能试验机上进行,拉伸试样的尺寸示意图见图2所示。拉伸速率为0.5 mm/min。

图2 拉伸试样几何尺寸(mm)

2 实验结果与分析

2.1 焊接接头显微组织特征

分别对三组热输入试样接头金相试样在光学显微镜下观察。焊缝组织均由中心等轴晶和外围柱状晶组成,HAZ均为粗化的等轴晶。其中接头柱状晶区和HAZ典型组织如图3-5所示。分别测量热

影响区铁素体晶粒的平均晶粒尺寸(具体测定方法参照GB/T6394-2002[14]中直线截点法)和柱状晶区组织的长宽比,将得到的结果绘制出如图6所示的曲线。根据图中曲线的变化趋势可知,445J2不锈钢焊接过程中晶粒长大对热输入非常敏感。随着热输入的增大,接头热影响区组织和柱状晶组织(长宽比)尺寸均增大;热输入从1.67 J/mm分别增加4.8%和16.8%时,HAZ平均晶粒尺寸分别增加25.0%和45.8%,柱状晶的平均尺寸分别增加33.3%和100.0%。热输入越小,冷却速度越快,温度梯度越大,柱状晶组织长大时间越短,柱状晶组织的长宽比越小。Kumar et al[15]的研究中得到了相似的结论,即随着热输入的增加,焊缝组织及热影响区组织的晶粒尺寸均增大。

对接头中析出的第二相粒子进行扫描(SEM)和能谱(EDS)分析,得到的结果如图7所示。由此可知,在焊缝中的晶粒内和晶界出有细小的第二相粒子析出,如图7-a所示。对能谱曲线分析可知,为Ti或Nb的氮化物,该析出相可增加形核点[16-17],既有利于抑制柱状晶生长、细化晶粒,也可起到沉淀强化的作用,提高接头性能[18-19]。

焊缝中心等轴晶形成有以下两方面因素:一是随着柱状晶的发展,经过散热,熔池中心的液态金属温度全部降到熔点以下而满足形核的要求,于是在整个液体中同时形核。此外,在熔池凝固到中心时散热会失去方向性,晶核在液体中自由生长,在各个方向的长大速率基本相同,于是在焊缝中心会形成等轴晶。随着焊接热输入的增大,冷却速度减小,熔池中心的过冷度越小,越不利于等轴晶的形成;二是焊缝中心的液态金属中可能存在一些杂质元素,如金属Ti元素易在熔池中形成难溶化合物,在凝固过程中作为不均匀形核质点,这也可由图7得到佐证。

图3 焊接接头典型微观组织

图4 焊接接头典型微观组织

图5 焊接接头典型微观组织

图6 不同热输入接头晶粒尺寸信息

图7 焊接接头中析出相的SEM和EDS

2.2 接头拉伸性能

对不同热输入焊接接头进行了横向静载拉伸实验。每组热输入接头拉伸均做三个试样,拉伸实验结果取三组实验结果的平均值,并与母材的拉伸实验结果进行对比分析,见表3所示。

表3 拉伸实验结果

图8 拉伸断口的微观组织(一侧)

低热输入焊接接头的拉伸性能最好,抗拉强度、伸长率分别为475.93 MPa、29.00%;中热输入焊接接头次之,分别为457.87 MPa、28.50%;高热输入焊接接头最差,分别为436.57 MPa、27.53%。此外,拉伸试样的断裂位置均位于焊接接头,且位于接头的柱状晶区,如图8所示。接头的柱状晶组织在静载拉伸力的作用下,变形成拉长的柱状晶形态,对应拉伸后的接头宏观现象即出现一定的缩颈现象。说明445J2铁素体不锈钢TIG焊焊接接头的强度低于母材的强度,且有一定的塑性。这主要是由于焊接接头柱状晶有明显的方向性,垂直于熔合线(散热最快的方向)生长,即平行于拉伸载荷方向,其承载能力明显低于各向异性的母材等轴晶。低热输入、中热输入和高热输入焊接接头系数[(接头抗拉强度/母材抗拉强度)×100]分别为96.89%、93.21%和88.89%。

分别对三组焊接接头拉伸断口进行扫描分析,如图9-11所示。对比三组图可知,低热输入焊接接头的拉伸断口形貌由细小的韧窝和极少量的解理面组成,表现为韧窝断裂,也同时反映出其具有高的抗拉强度和延伸率;中热输入焊接接头的断口形貌由较大的韧窝和较多的解离面组成,表现为以韧窝为主的准解理断裂;高热输入焊接接头的断口形貌由少量的细小韧窝和大部分的解理面组成,表现为准解理断裂[20]。因此,随着焊接热输入的增大,焊接接头的晶粒粗化,445J2超纯铁素体不锈钢焊接接头的抗拉强度和延伸率均降低。

图9 低热输入焊接接头拉伸断口扫描图

图10 中热输入焊接接头拉伸断口扫描图

图11 高热输入焊接接头拉伸断口扫描图

3 结论

1) 采用不同热输入TIG焊工艺对1.2 mm的445J2超纯铁素体不锈钢板进行焊接,晶粒长大对热输入非常敏感。热输入从1.67 J/mm分别增加4.8%和16.8%时,HAZ平均晶粒尺寸分别增加25.0%和45.8%,柱状晶的平均长宽比分别增加33.3%和100.0%。

2) 在接头中的晶粒边界和晶粒内部均弥散分布有第二析出相,经SEM和EDS分析结果可能为Ti或Nb的氮化物,有利于接头柱状晶向等轴晶的转变,接头性能的提高。

3) 随着热输入增加,445J2超纯铁素体不锈钢拉伸断口由韧性断裂向脆性断裂转变。

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(编辑：刘笑达)

EffectofHeatInputontheMicrostructureandMechanicalPropertiesof445J2Ultra-pureFerriticStainlessSteelWeldingJoints

ZHANGTingting1,WANGWenxian1,YANZhifeng1,WANGZhibin2,ZHANGXinbao2

(1.CollegeofMaterialScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.TaiyuanIron&Steel(Group)CompanyLimited,Taiyuan030002,China)

The different heat input welding technology of TIG welded 445J2 ultra-pure stainless steel joints was studied. Three heat input combinations were designated as low heat input (1.67 J/mm), medium heat input (1.75 J/mm) and high heat input (1.95 J/mm), separately. The microstructure and mechanical properties of the joints were analyzed systematically. Test results show that the microstructure of the joints was composed by central equiaxed grains, peripheral columnar grains, and the coarse ferrite grains in HAZ; The joints made using low heat input exhibited the highest tensile strength; The fracture locations of the tensile samples were located in columnar zone of the weld joints; With the increase of heat input, the tensile fracture mechanism changed from dimple fracture to quasi-cleavage fracture; The constituent of the second phase dispersed in the matrix was nitrides like (Ti, Nb)N according to the SEM and EDS analysis, which would be beneficial for the transformation of the columnar grains to equiaxed grains in weld center.

heat input; ultra-pure ferritic stainless steel; microstructure; fracture morphology; mechanical property

2013-09-10

国家自然科学基金资助项目(51375328)

张婷婷(1988-)，女，山西长治人，硕士生，主要从事不锈钢焊接性研究，(Tel)18234128022

王文先，男，教授，博士生导师，(Tel)13903411143

1007-9432(2014)02-0210-05

TG457.11

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