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分享:铁素体/奥氏体双相不锈钢高能量密度焊接研究现状

2022-08-19 15:53:59 

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 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,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 氏体, 在海广 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 (fluxcoredarc welding,FCAW)

SMAW 适用于全位置焊接,使的焊接技术,缺点是焊条利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 [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 包晔峰等[6]研究表明,UNSS32205 双相不GTAW 焊 缝 的 耐 点 蚀 性 能 与 母 材 相 当GTAW 相比,FCAW 的焊 接效率,但是焊缝,韧性耐点蚀性能[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 SMAW GTAW ,FCAW 提高了焊接效率,但其焊接效率能量 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,γ2 优先发生选择性腐蚀,局 部 腐 蚀 性 能激 光 (laser beam welding, LBW)、等离子弧焊(plasmaarcwelding,PAW)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 [12-13]RAMKUMAR [14]MOURAD [15]究发现,双相不LBWEBW 高的强 度王 子 龙 等[16],GTAW, PAW 可极大提高双相不锈钢的焊接效率, 与低能量 密 度 电 弧 熔 焊 方 法 相 比,LBWPAW EBW 能量冷却 速率快,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 (如散焦和离焦焊)、添加富镍或氮元素的焊材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,相不能量密度技术 的研,重点能量度焊焊后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 钢高能量密度焊接采用激光束(功率 105 ~1012 W·cm-2[17])、(102 ~ 104 W·cm-2[18])电子(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 固态相变等一系列过程,进而实现永久连接的方 高能量密度焊接技术在提高焊接效率改善接 头成和性能等方面具有显著优势,拓展了先 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,红宝石光器成功应用于眼科临床厚膜组件生产等方面; 1961,长春光学精密机功研[21-24]1980 ,STEEN[25]研究,电弧对激光束能量有增强作 ,TUSEK [26],20 90 ,WALDUCK [27]-,关的探索性工艺试验研究2002,Meyer船厂建成第一条激光-电弧复合焊接生产线[28],要用于船梯与加强筋的焊接2004,德国某造船 厂采用了 Nd∶YAG 激光-熔化极气体保护复合焊系 [29],12m [30] ,-,,SARAVANAN [31]1.5 mm UNS S32750SIVAKUMAR[32]NdYAG 2.5mm LDX2101MUTHUPANDI[33]3 mm UNS S31803MOURAD [15] BOLUT [34]实现 6.4mm 6mm UNSS32205锈钢连接,激光双光束焊[35]激光-复合 [36]激光-/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,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 UNSS32205接过程,总结的影响,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 [39]研究发现,冲激光能量分布对焊接接头形貌具有重要影响海波等[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,得到呈酒杯状沙漏 的焊缝

1909,德国学者SCHONNER首次发明了等 离子弧系统[41]美国学GAGE 1953 将等离子弧应用于焊接技术,1957授权[18]20 世 纪 60 年 代 初 期,Thermal Dynamic公司首先采用直流反极性等离子弧接试验,发现金属焊接质量得到显著改善且生率明显提升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 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 304奥氏体不锈钢焊接ZHANG [45] 提出柔 性 变 极 性 等 离 子 弧 焊 方 法 并 成 功 实 现 了 8mm 厚 铝 PRAMOD [46] URE?A [47]子弧1.6mm 3mm UNSS32205 双 相 不 锈 钢 钢 板 的 焊 接TAN [48]完成了4mm UNSS32304不锈 钢的等离子弧焊接TABAN [49]焊分别实现了 6.5mm UNSS31803 S32750 双相不锈钢的连接1948,前西德物理学家 STEIGERWALD 次提出电子束高能焊接的概念[50]1954 ,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,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子束1986,团成 线[51]随着子束焊接技术的发展,电子束钎焊活性剂电子束 电子束-等离子弧复合焊电子束填丝焊束焊电子束扫描焊等焊接方法逐渐引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[53-54],性剂类会子束成形,加会流和流对 焊缝熔深的影响锁红波等[55]1Cr18Ni9Ti钢板和 Q235钢进行电子束填丝焊接,获得了无明显缺陷的焊缝作者及所在团队[56-57]采用法 TECHMETA Medard48型真空电子束焊机成功 了成14mm UNSS31803不锈

,已经,, 冷却速率无法保证焊后接头及整体结构 的质量与性能,学性能和 耐腐蚀性能,仍需

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 ,和性与焊SMAWGTAW FCAW 等低能量密度焊接相比,能量密度焊接最显著的工艺特点是极低的热输入和 [56-57]GTAW FCAW EBW314mm ,EBW GTAW FCAW ,GTAW FCAW ,,,氏体含量越少研究[57-61]表明,激光和电子束焊接获 的双30%NACEMR0175/ISO15156,气行业中双相不锈钢熔该维持在30%~70%NORSOK M-601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 ,焊后冷却速率越慢,焊缝中奥氏体含量越高者及所在团队[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晶粒 内奥氏体含量均增加通过改变焊接模式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 [63]RAMKUMAR [14]指 出 通 过 改 变 焊 加 速 电 压 等 方 法 调 控 EBW 热 输 入,能 够 UNSS32750双相不锈钢的焊缝熔深显微组织等 产生显著影响MOURAD [15]过优功率离焦量LBW 得 了 奥 氏 体 质 量 分 数 为 39% 的 焊 缝PEKKARINEN [64]研究表明,传热模式 LBW 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/氏体两 相 组 织 的 双 相 不 锈 钢 焊 接 接 头BOLUT [34]指出,随着激光焊接速度从1.5m·min-1降低 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 式对 双相不锈钢接头奥氏体含量的影响,比水冷形成的奥氏体含量高

SARAVANAN [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,发现焊缝热输入的增加而增大URE?A [47]接速度喷嘴与工件距离焊接电艺参数,研究了热输入对3mm 2205型双相不锈 PAW 接 头 焊 缝 熔 宽 和 熔 深 的 影 响 规 律,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-保护复合焊接的流体模型,模拟了复合 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]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[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[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,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 [57],,,过优化工艺参数来提高 EBW 改善其焊 缝组织的效果不明显,了新电 子 束 焊 接 技 术 以 改 善 焊 缝 质 量KRASNORUTSKYI[72]采 用 多 道 EBW 方 法 增 热输,后冷,使得的 氏体量分30%RTA [73]子束旋转和往复扫描的非聚焦方式增加焊接热输 ,焊接中奥 氏体

,焊缝高温影响区中氮元素的烧损是不可避免的,会导致过量 的铁体形化接性能,增加,WESTIN [74-76]多次报道了双相不锈钢焊缝熔池 中氮使,,2的损:足量氮元[77-78]; 二是在保护气体中添加适量的 N2,高温下的 N2 解离成氮 原 子,然 后 固 溶 到 焊 缝 和 高 温 热 影 响 区 [60,75,79-81]KESKITALO [82]研究发现,在双相 LBW ,使N2 LAI[83]N2 护气LBW ,使没有 显影BOLUT [34],N2 双相不锈钢 LBW 焊缝中奥氏体含量高于同工艺参 Ar[84],PAW ,Ar气体时,,Ar积分数0.5% O2 ,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 /式增体稳,使 MUTHUPANDI[33,85]通过预置富镍焊丝的方式 著增EBW [86],使 UNSS32750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 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 [49]研究 表明,UNSS31803 UNSS32750 双 相 不 锈 钢 LBW 焊 缝 的 硬 度 均 匀 且 显 著 高 于 母 材MIRAKHORLI[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 [32]指出 Nd∶YAG 激光焊接冷却速率快,接接 头晶粒得到细化,接头的抗拉强度和提高SARAVANAN [66]UNSS32750 双相不锈钢进行 LBW 数值模拟,显微 硬度和抗拉强度高于母材,拉伸断口为韧性断口,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,-熔化极气体保护复合焊使 UNSS32205锈钢获得了铁素体/奥氏体两相,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 [15]通过提高热输入 获得了奥氏体质量分数为39%的双LBW 焊缝,并且 焊 缝 的 耐 腐 蚀 性 能 GTAW QI[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 焊缝中奥晶界 ,只有少量奥氏体在铁素体内,焊缝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,LBW 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

镍具有与 γ-Fe(FCC),作为奥氏体稳定不锈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,LBW 过程 中使用富镍焊材可使焊缝中形成更多的奥氏体,氏体含量和形态残余应力对接头低温(-40 )性 具 有 显 著 影 响,但 对 室 温 韧 性 无 明 MIRAKHORLI[87]研究发现,镍箔的添加促使双 相不锈钢 LBW ,仿晶针状以及,时焊 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,PAW ,,氏体,PAW 可抑制部分有害相的析出,改善接头耐腐蚀性能TABAN [49],UNSS31803 UNS S32750PAW ,LBW 易 于 获 得 两 相 平 衡 的 铁 素 体/PRAMOD[46]研究 发 现,SAF2205 双 相 不 PAW 焊缝中奥氏体质量分数为45%,与母显微硬度提高但可加工性能降低URE?A [47] 研究发 现,传 热 模 式 下 UNSS32205 双 相 不 锈 钢 PAW ,, 且当热输入高于3100J·cm-1,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 S32205PAW GTAW ,PAW 组织中无γ2 相析出,

与激光和等离子弧相比,电子束流的能量密度 ,极低的热输入和更的冷,接效 率更,导致焊缝中形细小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],EBW 的冷却速率高于 LBW,焊缝小并 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,EBW 素 体 织 构 强 度,但 无 法 将 其 彻 底 消 除[57]KU[94]研究发现,SAF2205双相不EBW 晶界处富集奥氏体稳定化元素,在此,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 性低于母材,主要归因于母材中氏体可延缓解理台阶的扩展SCHMIGALLA [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 UNSS32205双相不锈钢板 EBW 缝中奥氏体含量的影响规律,结果表明当预热温度 200 升高到400 ,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,和铁 素体晶界处,Cr2N ,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 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 及细化铁素体晶粒尺寸[95-96]目前,主要过选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 [98]究发现,850等温焊后热处理后SAF2205双相锈钢母材和 EBW 接头熔合区中析出σγ2 ,析出量随热处理保温时间的延长而增大ZHANG [99]研究表明,UNSS32750双相不锈钢 EBW 接接头经1050 1080 固溶处理似相 等 含 量 的 铁 素 体 和 奥 氏 体SARAVANAN [31]研究发现,脉冲 LBW 使 UNSS32750相不 锈钢焊 缝 中 形 成 了 过 量 的 铁 素 体 (75%),1050×2h,50%,蚀性能YOUNG [61],LBW 使2205双相不锈 钢 接 头 中 形 成 过 量 铁 素 体,1050 固溶处理保温时间从15min增至60min, 氏体47%55%, 击韧ZHANG [92-93]研究,1050,1080,1110 保温15 min的焊后热处 理完全消除了14 mm EBW 和热中形Cr2N γ2 ,耐点TAN [48],1020 ~1120 4min ,UNS S32304PAW 析出Cr2N ,且最1080 YANG [58]表明,UNSS31803LBW Cr2N ,,1080 ×3min,ZHANG [92] 研究发现,焊 后 热 处 理 不 会 显 著 影 响 双 相 不 锈 钢 EBW ,,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

于传统的焊后热处理耗能费时,因此激光子束感应加热等先进热处理技术逐渐应用于焊后 RTA [73]12 mm·s-1100 mA SAF2205 EBW 焊缝进行热处理后,焊缝局部区域素体分数由热处理前的83%变为53%,晶粒CHAN [100]UNSS32950800 ,进行激光表面处理,/相比例并完全消除了 M23C6σγ2 等二次相,进而 LIU [101] SAF 2205双相LBW , 发现有大量γ2 相析出,扩散机制共同作用虽然电子束和激光束已应用于 接接焊后理方,不锈能量密度的研较少,热处理工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,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 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-组织-性能的处理费时,些复杂工况 下难以实施随着高能量密度束流技术的发展,光束电子束等离子弧等可用于焊后热处理,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 因此,优化双相不锈钢高能量密度焊接工艺参 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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