分享：铁素体/奥氏体双相不锈钢高能量密度焊接研究现状

摘 要:铁素体/奥氏体双相不锈钢独特的组织特征使其兼具塑韧性好、耐腐蚀性能好、强度高 的优势,在海洋工程、石油化工等多个领域具有广阔的应用前景。高能量密度焊接技术具有热影响 区窄、变形程度小、残余应力低、焊接速度快、生产效率高等显著优点,近年来引起了学者的高度关 注。从焊接方法和焊接工艺2个方面介绍了双相不锈钢高能量密度焊接技术的研究进展,综述了 高能量密度焊接和焊后热处理态接头的组织和性能,最后提出目前双相不锈钢高能量密度焊接研 究中存在的问题并给出了未来的研究方向。

关键词:双相不锈钢;高能量密度焊接;显微组织;耐腐蚀性能 

中图分类号:TG142.1 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)04-0001-11

0 引 言

铁素体(δ)/奥氏体(γ)双相不锈钢结合了奥氏 体不锈钢良好的塑韧性和耐均匀腐蚀性能以及铁素 体不锈钢的高强度和耐氯化物应力腐蚀性能,且与 奥氏体不锈钢和镍基合金相比节约了稀缺资源镍, 在海洋工程、石油化工等多个国家重点领域具有广 阔的应用前景[1-3]。焊接是双相不锈钢应用推广中 不可或缺的加工制造环节[4]。以前双相不锈钢通常 采用低能量密度电弧熔焊的方法进行焊接,如手工 电弧焊(shieldedmetalarcwelding,SMAW)、钨极 氩弧焊(gastungstenarcwelding,GTAW)、药芯焊 丝 电 弧 焊 (fluxcoredarc welding,FCAW)等。

SMAW 适用于全位置焊接,是双相不锈钢早期使用 的焊接技术,缺点是焊条利用率低、焊工劳动强度 大。GTAW 的主要优点是焊接质量高、接头综合力 学性能优 异,缺 点 是 单 道 熔 覆 量 少、焊 接 效 率 低。 MAKHDOOM 等[5]研究表明,双相不锈钢 SMAW 焊缝的力 学 性 能 和 耐 腐 蚀 性 能 均 低 于 GTAW 焊 缝。包晔峰等[6]研究表明,UNSS32205 双相不锈 钢 GTAW 焊 缝 的 耐 点 蚀 性 能 与 母 材 相 当。 与 GTAW 相比,FCAW 可显著提高双相不锈钢的焊 接效率,但是焊缝中易引入夹杂,从而降低其韧性和 耐点蚀性能[7-10]。

在采用低能量密度焊接方法焊接双相不锈钢厚 板时,最突出的问题是焊前需开设坡口以及焊接过 程中需要多个道次及焊条或焊丝填充才能完成连 接。与SMAW 和 GTAW 相比,虽然 FCAW 显著 提高了焊接效率,但其焊接效率仍然较低。低能量 密度焊接接头组织的主要缺陷是高温热影响区中含 有过量的铁素体和大量的氮化物,这会显著恶化其 低温韧性和耐局部腐蚀性能。此外,在双相不锈钢 厚板多层多道焊接过程中,多次热循环导致贫铬和 钼元素的二次奥氏体(γ2)产生[11]。与一次奥氏体 (γ1)和铁素体相比,γ2 具有较低的耐点蚀指数,因 此γ2 优先发生选择性腐蚀,这会削弱焊接接头的耐 局 部 腐 蚀 性 能。 激 光 焊 (laser beam welding, LBW)、等离子弧焊(plasmaarcwelding,PAW)、电 子束焊(electronbeam welding,EBW)等高能量密 度焊接技术非常适合厚板的一次焊接成形且不需要 填充金属,同时还具有焊接速度快、生产效率高、焊 缝深宽比大、焊接变形小、残余应力低等优点,近年 来引 起 了 各 国 研 究 学 者 和 生 产 企 业 的 高 度 关 注[12-13]。RAMKUMAR 等[14]、MOURAD 等[15]研 究发现,双相不锈钢 LBW、EBW 接头具有比母材更 高的强 度。王 子 龙 等[16]研 究 发 现,相 比 GTAW, PAW 可极大提高双相不锈钢的焊接效率。然而, 与低能量 密 度 电 弧 熔 焊 方 法 相 比,LBW、PAW 和 EBW 等高能量密度焊接技术的热输入低、焊后冷却 速率快,会导致焊缝中极易出现过量的铁素体组织 并析出有害的二次相,进而恶化双相不锈钢的韧性 和耐局部腐蚀性能。目前,双相不锈钢高能量密度 焊接研究的热点是通过优化焊接工艺、改变焊接特 性(如散焦和离焦焊)、添加富镍或氮元素的焊材、应 用复合焊接等方法改善接头组织,进而提高其力学 性能和耐局部腐蚀性能。为了给相关研究人员提供参考,作者综述了双相不锈钢高能量密度焊接技术 的研究进展,重点论述了高能量密度焊接和焊后热 处理对焊接接头组织和性能的影响,并提出了目前 存在的问题与未来的研究方向。

1 高能量密度焊接技术

1.1 焊接方法 双相不锈钢高能量密度焊接采用激光束(功率 密度 105 ~1012 W·cm-2[17])、等 离 子 弧 (102 ~ 104 W·cm-2[18])、电子束(106 ~108 W·cm-2[19-20]) 等高能弧或束流对双相不锈钢待连接部位进行高能 热辐射和轰击,使极小的区域发生瞬时熔化、再凝 固、固态相变等一系列过程,进而实现永久连接的方 法。高能量密度焊接技术在提高焊接效率、改善接 头成形质量和性能等方面具有显著优势,拓展了先 进材料的连接方式1917年爱因斯坦提出受激辐射概念,1960年美 国梅曼发明了第一台红宝石激光器;此后,红宝石激 光器成功应用于眼科临床、厚膜组件生产等方面; 1961年,长春光学精密机械研究所成功研制出我国 第 一 台 红 宝 石 激 光 器[21-24]。1980 年,英 国 学 者 STEEN[25]研究发现,电弧对激光束能量有增强作 用,因而提出了激光与电弧复合焊的概念。TUSEK 等[26]研究发现,激光与电弧复合焊缝质量优于普通 激光焊缝。20 世纪 90 年 代,WALDUCK 等[27]首 次提出了激光-等离子弧复合焊接技术,并进行了相 关的探索性工艺试验研究。2002年,德国 Meyer造 船厂建成第一条激光-电弧复合焊接生产线[28],主 要用于船梯与加强筋的焊接。2004年,德国某造船 厂采用了 Nd∶YAG 激光-熔化极气体保护复合焊系 统[29],加工得到12m 长龙门架焊缝。邹江林等[30] 研究发现,在光纤激光-钨极氩弧复合焊接时,复合 焊等离子体面积大于电弧焊,且焊接过程更加稳定。 多名学者已成功实现双相不锈钢薄板和厚板的焊 接。SARAVANAN 等[31]实现了1.5 mm 厚 UNS S32750超 级 双 相 不 锈 钢 板 的 脉 冲 激 光 焊 接。 SIVAKUMAR等[32]采用 Nd∶YAG 激光焊接方法 完成了2.5mm 厚 LDX2101双相不锈钢板的焊接。 MUTHUPANDI等[33]成功进行了 3 mm 厚 UNS S31803双相不锈钢的激光焊接。MOURAD 等[15] 和 BOLUT 等[34]运用光纤激光焊接技术分别实现 了6.4mm 和6mm 厚 UNSS32205双相不锈钢的 连接。此外,激光双光束焊[35]、激光-搅拌摩擦复合 焊[36]、激光-电/磁复合焊[37]等复合焊接技术也逐渐 引起广大研究学者和企业的高度关注。近年来,随 着信息技术的高速发展,焊接过程数值仿真计算应 运而生。赖睿等[38]利用 SimufactWelding复合热 源模拟了6mm 厚 UNSS32205双相不锈钢激光焊 接过程,总结了激光离焦量对焊接温度场分布规律 的影响,并发现离焦量对焊缝成形质量和合金元素 分布具有显著影响。FREWIN 等[39]研究发现,脉 冲激光能量分布对焊接接头形貌具有重要影响。万 海波等[40]通过“一体两面”的复合焊接热源模拟激 光全熔透焊的热输入特征,得到呈“酒杯状”和“沙漏 状”的焊缝。

1909年,德国学者SCHONNER首次发明了等 离子弧系统[41]。美国学者 GAGE 在 1953 年最先 将等离子弧应用于焊接技术,并于1957年获得专利 授权[18]。20 世 纪 60 年 代 初 期,美 国 Thermal Dynamic公司首先采用直流反极性等离子弧进行焊 接试验,发现金属焊接质量得到显著改善且生产效 率明显提升。20世纪70年代,波音公司在西雅基 公司制造的变极性方波电源基础上发明了变极性等 离子弧焊工艺方法[17,42]。现今,等离子弧焊已经逐 渐应用于包括双相不锈钢在内的多种金属材料的焊 接研究和实际生产。李国伟等[43]采用变极性等离 子弧焊技术成功实现了10mm 厚7075高强铝合金 焊接。王国 强[44]采 取 等 离 子 弧 焊 接 技 术 完 成 了 10mm 厚304奥氏体不锈钢焊接。ZHANG 等[45] 提出柔 性 变 极 性 等 离 子 弧 焊 方 法 并 成 功 实 现 了 8mm 厚 铝 合 金 板 的 连 接。PRAMOD 等[46] 和 URE?A 等[47]采用等离子弧分别完成了1.6mm 和 3mm 厚 UNSS32205 双 相 不 锈 钢 钢 板 的 焊 接。 TAN 等[48]完成了4mm 厚 UNSS32304双相不锈 钢的等离子弧焊接。TABAN 等[49]采用等离子弧 焊分别实现了 6.5mm 厚 UNSS31803 和 S32750 双相不锈钢的连接。 1948年,前西德物理学家 STEIGERWALD 首 次提出电子束高能焊接的概念[50]。1954 年,法国 STOHR博士运用电子束流实现了核反应堆燃料包 壳的连接,此举标志着电子束焊接金属的成功应用。 1957年,在法国巴黎举办的国际原子能燃料元件技 术大会上,电子束焊作为全新的焊接方法被正式公 布和大力推广。20世纪60年代后,各国学者和研 究团队不断开发出新的电子束热源和新工艺,电子 束焊接技术的应用更加广泛,同时我国也开始进行电子束焊接的相关研究。1986年,航天科技集团成 功研制出直线型局部真空电子束焊机[51]。随着电 子束焊接技术的发展,电子束钎焊、活性剂电子束 焊、电子束-等离子弧复合焊、电子束填丝焊、局部真 空电子束焊、电子束扫描焊等焊接方法逐渐引起研 究人员及相关企业的高度关注。李少青等[52]对不 锈钢管进行电子束钎焊,获得了均匀圆滑的钎缝。 研究[53-54]发现,活性剂种类会对不锈钢板电子束焊 缝成形产生影响,其添加会增加聚焦电流和束流对 焊缝熔深的影响。锁红波等[55]对1Cr18Ni9Ti不锈 钢板和 Q235钢进行电子束填丝焊接,获得了内部 无明显缺陷的焊缝。作者及所在团队[56-57]采用法 国 TECHMETA Medard48型真空电子束焊机成功 制备了成形质量良好的14mm 厚 UNSS31803双 相不锈钢焊接接头。 

经过一个多世纪的发展,高能量密度焊接技术 已经相对成熟,均可完成双相不锈钢的连接。但是, 快的加热和冷却速率无法保证焊后接头及整体结构 的质量与性能,为满足接头服役所需的力学性能和 耐腐蚀性能,仍需要对焊接工艺进行优化。 

1.2 焊接工艺及其参数 

通过调控工艺参数提高热输入可改变高能量密 度焊接热影响区和焊缝的峰值温度以及焊后冷却速 率,进而改善其组织和性能。热输入主要与焊接功 率、焊 接 速 度 以 及 焊 接 热 效 率 等 参 数 相 关。与 SMAW、GTAW 、FCAW 等低能量密度焊接相比,高 能量密度焊接最显著的工艺特点是极低的热输入和 较高的焊接效率。作者及所在团队[56-57]比较了采用 GTAW 、FCAW 和EBW3种焊接技术完成的14mm 厚双相不锈钢焊接所需的热输入和焊接效率,发现 EBW 总热输入比多层多道 GTAW 和 FCAW 低一个 数量级,焊接效率比 GTAW 和 FCAW 高两个数量 级。通常,热输入越低,焊后冷却速率越快,形成的奥 氏体含量越少。研究[57-61]表明,激光和电子束焊接获 得的双相不锈钢焊缝中奥氏体质量分数低于30%。 但据 NACEMR0175/ISO15156标准,在石油和天然 气行业中双相不锈钢熔焊接头的奥氏体质量分数应 该维持在30%~70%。NORSOK M-601标准推荐双 相不锈钢管道焊接接头的奥氏体质量分数不应低于 30%。

通过调控工艺参数提高热输入可促使焊缝中形 成更多的奥氏体。研究[58,61-62]发现,LBW 热输入越 高,焊后冷却速率越慢,焊缝中奥氏体含量越高。作者及所在团队[57]前期也发现了类 似 的 结 论,随 着 LBW 热输入的提高,双相不锈钢晶界奥氏体和晶粒 内奥氏体含量均增加。通过改变焊接模式、降低焊 接速度、缩短喷嘴与工件距离、增加焊接功率、延缓 冷却速率等工艺措施均可增加热输入,延长高温停 留时间,降低焊后冷却速率,促使更多的铁素体通过 固态相变转变为奥氏体,进而增加接头中奥氏体含 量[63]。RAMKUMAR 等[14]指 出 通 过 改 变 焊 接 速 度、加 速 电 压 等 方 法 调 控 EBW 热 输 入,能 够 对 UNSS32750双相不锈钢的焊缝熔深、显微组织等 产生显著影响。MOURAD 等[15]通过优化焊接速 度、功率、离焦量、保护气流量等 LBW 工艺参数获 得 了 奥 氏 体 质 量 分 数 为 39% 的 焊 缝。 PEKKARINEN 等[64]研究表明,传热模式 LBW 较 匙孔模式 LBW 更易于通过改变焊接速度、焦点位 置调控热输入和冷却速率,获得具有平衡铁素体/奥 氏体两 相 组 织 的 双 相 不 锈 钢 焊 接 接 头。BOLUT 等[34]指出,随着激光焊接速度从1.5m·min-1降低 到1m·min-1,双相不锈钢焊缝中奥氏体质量分数 增加5%。王维东等[65]研究了 PAW 后冷却方式对 双相不锈钢接头奥氏体含量的影响,发现焊后空冷 比水冷形成的奥氏体含量高。 

SARAVANAN 等[66]通过减小焊接速度、提高 激光功率的方式增加 UNSS32750双相不锈钢传热 模式 LBW 的热输入,发现焊缝熔深、顶部熔宽均随 热输入的增加而增大。URE?A 等[47]通过调控焊 接速度、喷嘴与工件距离、焊接电流和焊接电压等工 艺参数,研究了热输入对3mm 厚2205型双相不锈 钢 PAW 接 头 焊 缝 熔 宽 和 熔 深 的 影 响 规 律,发 现 PAW 焊缝熔宽和熔深随热输入的增加呈不同速率 增长。吴向阳等[67]通过构建激光-熔化极惰性气体 保护复合焊接的流体模型,模拟了激光与电弧复合 焊接熔池传热和流动规律,指出激光与电弧前后位 置会影响熔池传热和流动的规律。杜伟哲等[68]研 究发现,无气体保护下双相不锈钢焊缝表面宽度的 均匀程度受功率影响。LI等[69]研究发现,高电流、 低功率使脉冲激光-熔化极电弧复合焊接过程更加 稳定,同时电弧电流反相调制获得的焊缝熔深更大、 孔隙率更低并且焊接过程更稳定。LEI等[70]指出 在激光-冷金属过渡复合焊接过程中,高能激光加速 了焊丝的熔化,提高了焊接效率.

研究[57,71]发现,在 UNSS32205双相不锈钢的 EBW 过程中,由于焊后冷却速率极快且奥氏体稳定化元素氮严重烧损,致使接头组织中的铁素体过量。 ZHANG 等[57]研究发现,在保证焊透且避免熔池坍 陷的前提下,电子束热输入的可调窗口非常有限,通 过优化工艺参数来提高 EBW 热输入对于改善其焊 缝组织的效果不明显。因此,众多学者引入了新型 电 子 束 焊 接 技 术 以 改 善 焊 缝 质 量。 KRASNORUTSKYI等[72]采 用 多 道 EBW 方 法 增 加总热输入,降低焊后冷却速率,促使焊缝中获得的 奥氏体质量分数达到30%。BáRTA 等[73]通过电 子束旋转和往复扫描的非聚焦方式增加焊接热输 入,结果表明电子束旋转模式下所得焊接接头中奥 氏体含量更高。 

在高能量密度焊接过程中,焊缝熔池和高温热 影响区中氮元素的烧损是不可避免的,会导致过量 的铁素体形成并恶化接头耐点蚀性能,增加氢脆敏 感性,降 低 力 学 性 能 特 别 是 低 温 冲 击 韧 性。 WESTIN 等[74-76]多次报道了双相不锈钢焊缝熔池 中氮元素的烧损会致使过量的铁素体形成和富铬氮 化物析出,最终降低接头耐点蚀性能。通常,可通过 2种途径补偿焊接过程中氮元素的损失:一是在母 材熔炼和焊丝制造过程中添加足量的氮元素[77-78]; 二是在保护气体中添加适量的 N2,高温下的 N2 会 解离成氮 原 子,然 后 固 溶 到 焊 缝 和 高 温 热 影 响 区 内[60,75,79-81]。KESKITALO 等[82]研究发现,在双相 不锈钢 LBW 过程中,使用 N2 作为保护气体可显著 促进接头中奥氏体的形成。LAI等[83]也发现 N2 作 为保护气体可明显补偿 LBW 焊接过程中氮元素的 烧损,促使焊缝中更多的奥氏体形成且对熔深没有 明显影响。BOLUT 等[34]研究发现,在 N2 保护下 双相不锈钢 LBW 焊缝中奥氏体含量高于同工艺参 数下 Ar保护下的焊缝。研究[84]发现,保护气类型 会对 PAW 焊缝形貌产生影响,当以纯 Ar作为保护 气体时,焊缝上宽下窄,而在 Ar保护气体中添加体 积分数0.5% O2 后,焊缝形貌变为上窄下宽。EBW 需维持真空环境,无法通过采用添加 N2 保护气体 的方法提高奥氏体含量,因此有学者提出可通过预 置镍箔/粉的方式增加焊缝中奥氏体稳定化元素镍 的 含 量,进 而 促 使 焊 缝 中 形 成 更 多 的 奥 氏 体。 MUTHUPANDI等[33,85]通过预置富镍焊丝的方式 显著增加了双相不锈钢 EBW 焊缝的奥氏体含量。 研究[86]发现,镍的添加能促使 UNSS32750双相不 锈钢脉冲 LBW 焊缝中获得近相等含量的铁素体和 奥氏体。综上可知,无论是保护气体中添加 N2 还是富镍焊丝的使用,均可促进高能量密度焊接接头 中奥氏体相的形成。 

2 高能量密度焊接头的组织与性能

2.1 焊接态的组织和性能 

为了保证双相不锈钢焊接接头具备优异的力学 性能和耐局部腐蚀性能,要求其焊接接头具有平衡 的铁素体和奥氏体两相比例、两相近似相等的耐腐 蚀性能、无二次相析出等特征。TABAN 等[49]研究 表明,UNSS31803 和 UNSS32750 双 相 不 锈 钢 LBW 焊 缝 的 硬 度 均 匀 且 显 著 高 于 母 材。 MIRAKHORLI等[87]将脉冲 Nd∶YAG 激光焊后的 SAF2205双相不锈钢接头焊缝截面分为脉冲激光 束连续作用区域和单道脉冲激光束作用区域,熔池 中心处的显微硬度最高。SIVAKUMAR 等[32]指出 Nd∶YAG 激光焊接冷却速率快,双相不锈钢焊接接 头晶粒得到细化,接头的抗拉强度和显微硬度得到 提高。SARAVANAN 等[66]对 UNSS32750 超 级 双相不锈钢进行 LBW 数值模拟,发现接头的显微 硬度和抗拉强度高于母材,拉伸断口为韧性断口,同 时当热输入过高时会引起合金元素蒸发而使接头中 形成大量孔隙,降低接头的抗拉强度。郭建超等[88] 基于数值模拟技术研究了双相不锈钢 LBW 接头拉 伸缩颈前非均匀变形的演变过程,发现接头各微区 损伤过程与 塑 性 变 形 有 关。王 治 宇 等[89]指 出,激 光-熔化极气体保护复合焊使 UNSS32205双相不 锈钢获得了铁素体/奥氏体两相比例均衡的焊接接 头,且其显微硬度、抗拉强度均高于母材,耐点蚀性 能与母材相当。MOURAD 等[15]通过提高热输入 获得了奥氏体质量分数为39%的双相不锈钢 LBW 焊缝,并且 焊 缝 的 耐 腐 蚀 性 能 优 于 GTAW 焊 缝。 QI等[90]对比研究SAF2507超级双相不锈钢 LBW 和激光-熔化极气体保护复合焊接接头的组织特征 和性能,发现 LBW 焊缝中奥氏体主要分布于晶界 处,只有少量奥氏体在铁素体内部析出,复合焊缝中 的奥氏体含量明显高于 LBW 焊缝,同时 LBW 接头 热影响区中析出了大量的 Cr2N,致使 LBW 接头的 耐点蚀性能降低。焊接接头的力学性能和耐腐蚀性 能与铁素体/奥氏体两相比例紧密相关,在 LBW 过 程中双相不锈钢焊缝中不可避免地形成过量的铁素 体和析出大量的 Cr2N 等二次相,从而提高接头的硬 度和强度,但是 LBW 过程中氮元素的烧毁和 Cr2N 析出又会降低接头的耐腐蚀性能。

氮、镍具有与 γ-Fe相 同 的 面 心 立 方 (FCC)结 构,作为奥氏体稳定化元素添加到双相不锈钢中能 促进更多的奥氏体形成并改善双相不锈钢的低温韧 性和耐腐蚀性能[91]。研究[33,85]发现,在 LBW 过程 中使用富镍焊材可使焊缝中形成更多的奥氏体,奥 氏体含量和形态、残余应力对接头低温(-40 ℃)韧 性 具 有 显 著 影 响,但 对 室 温 韧 性 无 明 显 影 响。 MIRAKHORLI等[87]研究发现,镍箔的添加促使双 相不锈钢 LBW 焊缝中形成更多的奥氏体,焊缝中 仿晶型、针状以及魏氏奥氏体含量明显增多,同时焊 缝的塑韧性明显提高。研究[84]表明,N2 作为保护 气体可以补充 LBW 熔池中氮的烧损,促使焊缝顶 部和底部的奥氏体质量分数达到40%,同时显著改 善了接头的耐腐蚀性能。 

等离子弧能量密度略低于激光和电子束流,因 此PAW 热输入较高,焊后冷却速率较慢,形成的奥 氏体含量较高。与低能量密度焊接技术相比,PAW 可抑制部分有害相的析出,改善接头耐腐蚀性能。 TABAN 等[49]研 究 表 明,与 UNSS31803 和 UNS S32750双相不锈钢 PAW 接头相比,LBW 接头更 易 于 获 得 两 相 平 衡 的 铁 素 体/奥 氏 体 组 织。 PRAMOD等[46]研究 发 现,SAF2205 双 相 不 锈 钢 PAW 焊缝中奥氏体质量分数为45%,与母材相比 显微硬度提高但可加工性能降低。URE?A 等[47] 研究发 现,传 热 模 式 下 UNSS32205 双 相 不 锈 钢 PAW 接头中铁素体含量低于匙孔模式,且匙孔模 式下的魏氏奥氏体和柱状铁素体晶粒生长被抑制, 且当热输入高于3100J·cm-1时,焊缝中有金属间 化合物σ相的析出。王子龙等[16]对比研究了 UNS S32205双相不锈钢 PAW 和 GTAW 接头的组织和 耐点蚀性能,结果表明 PAW 接头的晶粒更细小且 组织中无γ2 相析出,耐点蚀性能更好。 

与激光和等离子弧相比,电子束流的能量密度 更高,具有极低的热输入和更快的冷却速率,焊接效 率更高,但会导致焊缝中形成细小的奥氏体、过量的 铁素体和有害的二次相,从而降低接头的低温韧性 和耐局部腐蚀性能。研究[33,85]发现,EBW 过程中 的冷却速率高于 LBW,焊缝中晶界奥氏体更细小并 且无 魏 氏 奥 氏 体 析 出。 研 究[59,92-93] 发 现,UNS S32205双相不锈钢EBW 焊缝中奥氏体尺寸受热输 入影响,但未发现奥氏体尺寸对接头硬度有显著影 响。优化热输入能够减小双相不锈钢 EBW 焊缝中 铁素 体 织 构 强 度,但 无 法 将 其 彻 底 消 除[57]。KU等[94]研究发现,SAF2205双相不锈钢EBW 接头中 晶界处富集奥氏体稳定化元素,奥氏体多在此处析 出,通过降低焊接速度或者选择更高奥氏体稳定化 元素(如氮)含量的双相不锈钢进行焊接可促使接头 中更多的奥氏体形成。作者及所在团队[57]通过断 口形貌观察发现,双相不锈钢 EBW 焊缝的冲击韧 性低于母材,主要归因于母材中奥氏体含量高且奥 氏体可延缓解理台阶的扩展。SCHMIGALLA 等[72] 采用多道次的非聚焦电子束预热技术研究了预热温 度对17mm 厚 UNSS32205双相不锈钢板 EBW 焊 缝中奥氏体含量的影响规律,结果表明当预热温度 由200 ℃升高到400 ℃时,奥氏体质量分数由21% 增加到27%,同时由于预热时间短,氮元素扩散不 充分,导致焊缝中奥氏体形成不足以及大量 Cr2N 相的析出。作者及所在团队[57]借助透射电镜发现, 双相不锈钢 EBW 焊缝中析出大量蠕虫状和短棍状 Cr2N 二次相,这些二次相主要分布于铁素体内和铁 素体晶界处,Cr2N 相的析出会明显促进点蚀的发 生,因此 EBW 过程严重恶化了接头的耐点蚀性能。 虽然通过使用高镍的焊材可使双相不锈钢 EBW 焊 缝的铁素体质量分数降低至61%[33],但这会显著地 增加成本。近几年发展的多束流 EBW 技术在不使 用填充金属的前提下可使 EBW 焊缝中铁素体质量 分数降至70%[86],但焊接工艺复杂且不稳定。

2.2 焊后热处理态的组织与性能

在高能量密度焊接过程中,焊接热输入低、焊后 冷却速率快使双相不锈钢焊缝中铁素体和奥氏体两 相比例失衡、铁素体织构明显、大量 Cr2N 相的析出 以及枝晶偏析显著,严重恶化了焊接接头的低温韧 性和耐点蚀性能。优化热输入只能有限地增加高能 量密度焊接接头焊缝中的奥氏体含量、减小枝晶偏 析和铁素体织构的程度,但无法抑制 Cr2N 析出以 及细化铁素体晶粒尺寸[95-96]。目前,主要通过选择 合适的固溶温度进行焊后热处理来消除有害组织进 而改善 焊 接 接 头 的 性 能[97]。KHAFAGY 等[98]研 究发现,850℃等温焊后热处理后SAF2205双相不 锈钢母材和 EBW 接头熔合区中析出σ和γ2 相,且 析出量随热处理保温时间的延长而增大。ZHANG 等[99]研究表明,UNSS32750双相不锈钢 EBW 焊 接接头经1050 ℃和1080 ℃固溶处理后均获得近 似相 等 含 量 的 铁 素 体 和 奥 氏 体。SARAVANAN 等[31]研究发现,脉冲 LBW 使 UNSS32750双相不 锈钢焊 缝 中 形 成 了 过 量 的 铁 素 体 (质 量 分 数 大 于 75%),经过1050℃×2h的焊后热处理,焊缝中奥 氏体质量分数达到近50%,从而提高了接头的耐腐 蚀性能。YOUNG 等[61]研究发现,LBW 使2205型 双相不锈 钢 接 头 中 形 成 过 量 铁 素 体,但 是 当 焊 后 1050 ℃固溶处理保温时间从15min增至60min, 接头熔合区的奥氏体质量分数从47%增大至55%, 同时冲击韧性也显著提高。ZHANG 等[92-93]研究发 现,1050,1080,1110 ℃保温15 min的焊后热处 理完全消除了14 mm 厚双相不锈钢板 EBW 焊缝 和热影响区中形成的 Cr2N 和 γ2 相,明显改善了接 头的耐点蚀性能。TAN 等[48]研究发现,经过1020 ~1120 ℃保温4min 焊 后 固 溶 处 理 后,UNS S32304双相不锈钢 PAW 接头中析出的 Cr2N 相溶 解,且最佳固溶温度为1080 ℃。YANG 等[58]研究 表明,UNSS31803双相不锈钢 LBW 接头中有大量 Cr2N 相在铁素体处析出,严重恶化了接头的耐点蚀 性能,但经1080 ℃×3min固溶处理后,接头获得 了与母材近似相近的耐点蚀性能。ZHANG 等[92] 研究发现,焊 后 热 处 理 不 会 显 著 影 响 双 相 不 锈 钢 EBW 焊缝中铁素体晶粒的取向分布,但会影响奥氏 体的形貌。在固溶温度一定的条件下,通常随着保 温时间的延长,双相不锈钢高能量密度焊接头中奥 氏体的含量增多,从而改善了接头的韧性和耐腐蚀 性能。

由于由于传统的焊后热处理耗能费时,因此激光、电 子束、感应加热等先进热处理技术逐渐应用于焊后 热处理 上。BáRTA 等[73]采 用 六 道 12 mm·s-1、 100 mA 非 聚 焦 电 子 束 对 SAF2205 双 相 不 锈 钢 EBW 焊缝进行热处理后,焊缝局部区域铁素体质量 分数由热处理前的83%变为53%,并且晶粒更加细 小。CHAN 等[100]先对 UNSS32950双相不锈钢焊 缝进行800 ℃等温热处理来模拟敏化过程,然后再 进行激光表面处理,获得了平衡的铁素体/奥氏体两 相比例并完全消除了 M23C6、σ、γ2 等二次相,进而 改善 了 焊 缝 的 耐 腐 蚀 性 能。LIU 等[101] 对 SAF 2205双相不锈钢 LBW 接头进行连续激光热处理, 发现有大量γ2 相析出,且其析出机制由位错机制和 扩散机制共同作用。虽然电子束和激光束已应用于 焊接接头的焊后热处理方面,但有关双相不锈钢高 能量密度焊接头的研究较少,尚未阐明热处理工艺 参数与组织特征、力学性能和耐腐蚀性能的内在关 联性。 

3 结束语

在单一高能量密度焊接技术中,主要通过改变 焊接速度、功率、电压、电流等工艺参数来调控热输 入进而改变接头的组织与优化接头性能。但是,在 保证焊透且避免熔池坍陷的前提下,高能量密度焊 接工艺参数的可调窗口有限,通过此方法改善双相 不锈钢焊接接头冲击韧性和耐腐蚀性能的效果不明 显。通过高能量密度与低能量密度复合的焊接技术 有望得到铁素体和奥氏体相均衡、无二次相析出且 性能显著提升的焊接接头,但复合焊接工序较复杂 且繁琐,目前急需开发便携、高效的复合焊接设备。 高能量密度焊接的焊后冷却速率快、合金元素烧损 严重,导致焊缝中极易形成过量的铁素体和析出有 害的氮化物,进而恶化接头的低温韧性和耐局部腐 蚀性能。研究高能量密度焊接温度梯度模型、显微 组织生长规律、焊接工艺参数-熔滴过渡行为-显微 组织-性能的内在关联性具有重要的意义。传统热 处理费时、耗能、效率低、成本高,且在某些复杂工况 下难以实施。随着高能量密度束流技术的发展,激 光束、电子束、等离子弧等可用于焊后热处理。此 外,借助电场、磁场、超声波等辅助技术,也能在焊接 过程中以及焊后改善接头组织、抑制有害相析出。 因此,开发新型、高效、方便的热处理技术有望提高 焊后热处理的效率,为改善高能量密度焊接头组织 和性能助力。双相不锈钢高能量密度焊接方法与焊 接工艺对焊缝质量具有显著影响。随着人工智能的 发展,焊接工艺数据收集、共享将不断推进技术的革 新。因此,优化双相不锈钢高能量密度焊接工艺参 数、完善焊接接头质量及性能评定标准,进而构建焊 接数据库,将会为相关工程技术人员提供极大便利。

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