浙江至德鋼業(yè)有限公司選取00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼為研究對象，采用焊條電弧焊和鎢極氬弧焊對其進(jìn)行焊接，然后觀察接頭組織并測試接頭的力學(xué)性能。依據(jù)00Cr22Ni5Mo3N的性能主要取決于接頭組織中相比例的特點，對比焊接工藝方法對焊縫組織和力學(xué)性能的影響。最后，對比不同熱處理溫度對接頭的組織和力學(xué)性能影響。結(jié)果是熱輸入為1.2kJ/mm的氬弧焊焊接工藝可以得到優(yōu)良的焊縫組織和良好的力學(xué)性能，同時熱影響區(qū)的組織在1050℃固溶處理后組織細(xì)小且分布均勻。

  雙相不銹鋼具有奧氏體不銹鋼的優(yōu)良韌性、良好的加工性、焊接性能以及鐵素體不銹鋼的較高強度和耐氯化物腐蝕的性能，因而被廣泛用于醫(yī)藥、石油化工、建筑和造紙等行業(yè)中。工程上，應(yīng)用最多的雙相不銹鋼是00Cr22Ni5Mo3N雙相鋼。另外，焊接是雙相不銹鋼的重要加工手段，但雙相鋼又是公認(rèn)的難焊接材料。在雙相不銹鋼的實際使用中不僅要求母材具有優(yōu)良的性能，同時對焊接接頭性能也有著同樣嚴(yán)格的要求。根據(jù)文獻(xiàn)，雙相不銹鋼在焊接過程中接頭中的兩相比例會因為焊接熱循環(huán)的影響而失調(diào)，且有金屬相和氮化物析出，這會導(dǎo)致雙相不銹鋼接頭的韌性和耐蝕性下降。同時在焊接熱循環(huán)的作用下，熱影響區(qū)處于快冷非平衡態(tài)，冷卻后可能會保留更多的鐵素體，導(dǎo)致接頭的腐蝕傾向和氫致裂紋的敏感性增大。對于焊接方法，像常見的焊條電弧焊(SMAW)、鎢極氬弧焊(GTAW)、藥芯焊絲電弧焊(FCAW)和等離子焊(PAW)等焊接方法均可用于雙相不銹鋼的焊接。本試驗旨在了解和掌握雙相不銹鋼00Cr22Ni5Mo3N的焊接工藝，組織變化和力學(xué)性能表現(xiàn)。

一、試驗材料和方法

  本次試驗使用的00Cr22Ni5Mo3N雙相鋼材料由張家港廣大機械有限公司生產(chǎn)，將鋼錠經(jīng)過鍛打、熱處理和機械加工制成10 mm厚的板材進(jìn)行對接焊。分別選用GTAW和SMAW兩種方法焊接。為了在焊后冷卻過程中有足夠的奧氏體相變，焊縫中的鎳含量相對母材要高出2%~7%。SMAW的焊條選擇堿性焊條E2209，直徑為3.2 mm；GTAW選擇ER2209焊絲，直徑為2.5mm。母材和填充材料的化學(xué)成分見表。

  將00Cr22Ni5Mo3N板材加工成190mm×80mm×10mm的規(guī)格。焊接前用丙酮清洗焊接坡口及兩側(cè)各50mm。為了考慮焊接熱循環(huán)的影響，試驗中采用多層多道焊接，并在反面清根后再焊一道。因為過高的層間溫度會造成焊縫中脆性相的析出，因此層間溫度應(yīng)控制在150℃以下。為了保證焊透，同時考慮到焊接熱輸入也會影響焊縫兩相比例，綜合考慮，熱輸入的值控制在0.5~1.5kJ/mm。具體的焊接工藝和焊接坡口見表和圖。其1#、2#為鎢級氬弧焊試樣，3#為焊條電弧焊試樣。

雙相不銹鋼的出色性能與其組織中的相比例有密切的關(guān)系，根據(jù)雙相不銹鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線和雙相不銹鋼冷卻連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線，選取3個固溶溫度分別為950、1050、1150℃，并保溫1小時，以大于25℃/秒的冷卻速度快速水冷。

二、結(jié)果及分析

  1. 焊態(tài)組織和相比例分析

  圖是利用Axio Scope.A1蔡司顯微鏡拍攝的3個試樣的焊縫和熱影響區(qū)的組織，所用的腐蝕液為5ml鹽酸+1g苦味酸+100ml酒精溶液。表3是根據(jù)ASTME562《用系統(tǒng)人工點計數(shù)法測定體積分?jǐn)?shù)的試驗方法》記錄的3個試樣焊縫和熱影響區(qū)中的奧氏體的體積分?jǐn)?shù)。00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼焊縫在凝固初始時，幾乎全是鐵素體組織。進(jìn)一步冷卻過程中，奧氏體相在鐵素體晶界開始生核長大。冷卻到室溫后形成鐵素體-奧氏體雙相組織。由圖可知，在焊縫組織中，奧氏體相為羽毛狀的鑄態(tài)組織。由于采用了多層多道焊，后一層對前一層起到熱處理的作用能讓焊縫中的奧氏體有充足的時間從鐵素體中析出，形成奧氏體占優(yōu)的焊縫組織。為了保證00Cr22Ni5Mo3N雙相鋼接頭的綜合性能，所以要保證焊縫中鐵素體的含量控制在30%~45%為宜。

  在焊接過程中，焊縫附近的熱影響區(qū)組織經(jīng)受了焊接熱循環(huán)的特殊熱處理。對比圖，因為1#試樣采用了較小的熱輸入使得冷卻速度加快，熱影響區(qū)中奧氏體來不及充分析出，所以熱影響區(qū)中的鐵素體含量過高。圖相比較，在相同的熱輸入的情況下，由于SMAW對接頭的保護(hù)作用差使得熱影響區(qū)的組織粗大，鐵素體含量也較高。所以3組試樣中2#試樣的接頭組織最接近1:1。

 2. 拉伸試驗

  根據(jù)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗》，用UTM5205X型電子萬能試驗機對3種不同焊接工藝下的試樣進(jìn)行拉伸試驗。圖為橫向拉伸試樣尺寸，每個試樣測2次取其平均值。

  因為1#、2#試樣接頭熱影響區(qū)的組織和相比例接近1:1，因而其力學(xué)性能也會更好，它們的斷裂位置在母材也證明了其力學(xué)性能已經(jīng)接近甚至高于母材。3#試樣由于接頭受到多次熱循環(huán)的影響，造成鐵素體晶粒粗大，降低了接頭的抗拉強度，因此斷裂處在焊縫。同時根據(jù)雒設(shè)計等[8]研究顯示，00Cr22Ni5Mo3N雙相鋼焊縫析出物為Fe-Cr-Mo的金屬間化合物σ相。接頭中有σ相的存在阻礙了奧氏體和鐵素體相內(nèi)的位錯運動，產(chǎn)生位錯塞積，位錯聚集在σ相周圍會產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致材料脆性開裂，從而使接頭的韌性和塑性顯著下降。

  3. 硬度測試

采用HXD-1000TMSC/LCD顯微硬度計測試硬度，加載4.903 N，加載時間15秒。從母材、熱影響區(qū)、焊縫金屬依次測量，每個區(qū)域均測量3次，測量結(jié)果如圖所示。由于鐵素體相的強度要高于奧氏體相，所以鐵素體相的顯微硬度要高于奧氏體相的顯微硬度。由圖4可知，熱影響區(qū)的硬度最高，這是由于獲得接頭的熱影響區(qū)中的鐵素體相含量增多所致。同時，在接頭焊接過程中，所采用的焊絲比母材含有更多的合金元素含量。鉻、鉬、鎳原子能置換晶格中的鐵原子，擾亂晶格排列，使得位錯的移動困難，從而使接頭的硬度值提高。

  4. 拉伸斷口掃描電鏡分析

  圖為采用JSM-6510LA掃描電鏡拍攝的3#試樣的斷口。塑性斷裂的韌窩大小、深淺和數(shù)量決定于材料斷裂時微孔的核心數(shù)量(夾雜物或第二相質(zhì)點)和材料本身的塑性。若微孔的核心數(shù)量多或材料的塑性較低，則韌窩的尺寸小、數(shù)量多且較淺。通常，韌窩越大越深，材料的塑性越好。在3#試樣斷口中發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)較多的夾雜物或者第三相質(zhì)點，所以使得3#試樣的接頭抗拉強度降低。

  5. 固溶處理

  根據(jù)文獻(xiàn)所述，00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼在焊接中的主要問題不在焊縫，而是在熱影響區(qū)，即對熱影響區(qū)雙相比例的控制。固溶處理可控制組成相中鐵素體相和奧氏體相的比例。圖6(a)為1#試樣未經(jīng)過固溶的熱影響區(qū)組織，因為1#試樣采用了較小的熱輸入使得冷卻速度加快，熱影響區(qū)中奧氏體來不及充分析出，熱影響區(qū)中的鐵素體含量過高。由圖可見，奧氏體含量隨著固溶溫度升高先增加后減小，在1050℃時奧氏體含量最高且組織分布更加均勻。

  由表可知，熱影響區(qū)在焊接過程中受熱循環(huán)的作用，晶粒粗大，同時熱影響區(qū)是一個母材區(qū)和焊縫區(qū)的交界處，晶粒分布不均勻，所以未經(jīng)過固溶處理的熱影響區(qū)的硬度較高。經(jīng)過固溶處理可以使得組織分布均勻，隨著固溶溫度的升高鐵素體含量也隨著增加。因為面心立方的奧氏體塑性與韌性良好，而體心立方的鐵素體在室溫下具有更高的強度和硬度，所以鐵素體含量增加，使得顯微硬度也增加。

三、結(jié)論

  1. 鎢級氬弧焊的焊接接頭性能要明顯好于焊條電弧焊的接頭，這是因為焊條電弧焊接頭保護(hù)作用差，得到的焊縫組織相比例偏差較大，晶粒分布不均勻。

  2. 線能量的大小影響焊接接頭的兩相比例、晶粒大小和力學(xué)性能，采用合適的熱輸入量可以得到晶粒細(xì)小、力學(xué)性能和抗腐蝕性優(yōu)異的焊件。但是如果線能量過小，會導(dǎo)致冷卻速度較快，最終的熱影響區(qū)組織中的奧氏體含量偏小。

  3. 對焊接試件進(jìn)行1150℃保溫1小時后快速水冷，可以提高焊縫及熱影響區(qū)的奧氏體含量，細(xì)化晶粒，提高焊接接頭的韌性。