1、2205 双相不锈钢与 16MnR 异种金属的焊接性研究马启慧，王少刚，李燕，张亮（南京航空航天大学材料科学与技术学院 江苏 南京 210016）摘要：采用钨极氩弧焊（TIG）对双相不锈钢2205与低合金高强钢 16MnR进行焊接，通过合理选用填充材料，并对焊接工艺进行优化，获得了具有良好力学性能的异种金属焊接接头。接头区域的显微组织观察表明，母材16MnR一侧与焊缝金属结合界面处分别存在一个脱碳层和增碳层，接头中心区为奥氏体+针状铁素体的焊缝组织。对获得接头进行力学性能测试表明，拉伸试样断裂发生于强度相对较低的16MnR母材一侧；在接头16MnR焊缝界面部位存在硬度突变，这是由于合金元素碳发
2、生迁移的结果。总体上，获得接头的力学性能能够满足一般工程结构对其性能要求。关键词：双相不锈钢；异种金属；焊接工艺；微观组织；力学性能中图分类号：TG444.7 文献标识码：A 文章编号：Study on weldability of dissimilar metal between 2205 duplex stainless steel and 16MnRMA Qi-hui, WANG Shao-gang, Li Yan, ZHANG Liang(College of Material Science and Technology, Nanjing University of Aeronaut
3、ics and Astronautics, Nanjing 210016, China)Abstract：The dissimilar metal 2205 duplex stainless steel and low alloy high strength steel 16MnR is welded by tungsten inert gas arc welding (TIG). The filler metal is appropriately selected and the welding technology is optimized. As a result, the welded
4、 joint with high mechanical properties is obtained. The microstructure of the welded joint is observed. Results show that the carbon-enriched and decarburized layer close to the fusion line at the 16MnR side are observed, and the microstructure of austenite and needle-like ferrite is formed in weld
5、metal. The mechanical properties of the welded joint are tested. Results show that the fracture of tensile strength specimen occurred in base metal 16MnR with a relatively low tensile strength, and the microhardness of joint is changed quickly at the interface of 16MnR and weld metal because of carb
6、on element migration. In a word, the dissimilar metal welded joint can meet the mechanical properties requirements of engineering structure.Key words: duplex stainless steel; dissimilar metal; welding technology; microstructure; mechanical properties收稿日期： 修订日期：作者简介：马启慧（1982-），男，湖北黄冈人，硕士研究生，研究方向为异种金属
7、焊接。导师：王少刚副教授。联系电话：15850674454 (E-mail)：0 引言双相不锈钢（duplex stainless steel，DSS ）其固溶组织中奥氏体相和铁素体相约各占一半，兼有两相组织特征。它既保留了铁素体不锈钢导热系数大、线膨胀系数小、耐点蚀和缝隙腐蚀以及氯化物应力腐蚀的特点，又具有奥氏体不锈钢韧性好、脆性转变温度较低、抗晶间腐蚀性能好等优点，被广泛应用于石油化工、印染、海洋工程、食品工业和造纸等行业 1-3。在实际应用中，为了节约价格相对较高的双相不锈钢材料，以降低整体生产成本，提高经济效益，经常会遇到双相不锈钢与异种金属的焊接结构。但是，由于异种金属的化学成分和物
8、理、化学性能等存在较大差异，使得异种金属材料的焊接较为困难，在焊接过程中，如果工艺控制不当，由于焊缝的稀释作用，使获得接头的组织和性能不均匀，甚至在接头过渡区引发微裂纹，难以获得高质量的焊接接头，因此，有必要对双相不锈钢与异种金属的焊接性进行研究，以期为实际焊接生产提供理论与技术支持。1 试验材料及方法本文中试验母材为 00Cr22Ni5Mo3N 双相不锈钢（SAF2205）和低合金高强钢 16MnR，将母材试样加工成尺寸为 300mm150mm8mm，选用含 Ni 量较高的 ER309 焊丝（直径为 2mm）作为填充材料，试验母材和焊丝的化学成分见表 1。表 1 母材和焊丝的化学成分（wt%
9、）Table 1 Chemical compositions of base metal and welding wire合金元素 C Mn P S Si Cr Ni Mo NSAF2205 0.016 0.82 0.024 0.001 0.36 22.48 5.46 3.12 0.16母材16MnR 0.15 1.38 0.016 0.014 0.32 焊丝 ER309 0.08 1.63 0.02 0.01 0.42 23.8 13.1 采用钨极氩弧焊方法，接头型式为对接接头，为了保证焊透，开单面 V 型坡口，接头型式如图 1 所示。焊接前先用丙酮、酒精对焊接区进行严格清洗。采用多层多道焊
10、，每焊完一层焊缝都应彻底清理打磨干净，再焊接下一层焊缝。焊接过程中应严格控制层间温度，以尽量减少焊缝在脆性温度区间的停留时间，降低接头中脆性相析出的可能性，层间温度不得高于 150。本试验中所用的焊机为 ZX7-400 型钨极 氩弧焊机，采用直流正接法，以利于穿透背面，成形良好。所用的保护气体为纯 Ar 气，纯度为 99.99%。具体的焊接工艺参数见表 2。图 1 接头坡口型式Fig.1 Type of welding Groove表 2 接头焊接工艺参数Table 2 Welding technology parameters焊接层数 焊接电流 / A 焊接电压 / V 焊接速度/cm mi
11、n-11（打底） 110130 1214 10122-4（盖面） 120140 1416 1012焊接后，根据有关国家标准，在 CMT5105 型电子万能试验机上进行接头的拉伸强度实验；在 JB300 型冲击试验机上进行接头冲击试验；在 HXS-1000A 型显微硬度计上测定接头区域的显微硬度分布；在 Quanta200 型扫描电镜上观察接头冲击试样的断口微观形貌；在 MM6 型金相显微镜上观察接头区的金相组织；采用 D8 Advance 型 X 射线衍射仪测定接头的相结构组成。2 实验结果及分析2.1 力学性能测试2.1.1 接头拉伸强度参照相关国家标准，将接头试样加工成标准的拉伸试样。拉伸
12、实验的测试条件为：加载速率 8mm/min，加载载荷 10kN。接头拉伸实验结果见表 3。表 3 接头拉伸实验结果Table 3 Tensile test results of the welded joint试样号 抗拉强度/MPa 延伸率% 断裂位置1 581.4 18.7% 16MnR 母材2 578.6 16.9% 16MnR 母材3 579.2 18.4% 16MnR 母材由表 3 中可以得出，接头的抗拉强度平均值为 579.7MPa，且拉伸试样断裂均发生在抗拉强度相对较低的 16MnR 母材上，接头焊缝的抗拉强度大于一侧母材，表明接头的强度可以满足实际使用要求。分析其原因，这可能是
13、由于接头焊缝金属的显微组织由奥氏体和铁素体双相组织构成（参见后续的金相组织观察） ，铁素体相的存在有利于防止焊缝区奥氏体晶粒粗化，提高焊缝的屈服强度，防止焊接热裂纹的出现，因为铁素体比奥氏体对杂质等元素有更大的溶解度，这对提高焊缝区的性能有利，因此，从获得接头的抗拉强度值来判断，接头质量合格。2.1.2 冲击试验根据 ASTM A370 标准要求，对焊接接头的焊缝金属区、16MnR 侧热影响区及母材本身进行冲击试验（试验温度为 0） 。试验时，将接头试样加工成尺寸55mm10mm5mm，V 型缺口冲击试样。在 JB300 型冲击试验机上进行接头冲击试验，母材及接头不同区域的测试结果如图 2 所
14、示（注：接头 2205 侧热影响区的宽度有限，无法精确测量其冲击韧性） 。图2 母材及接头不同区域的冲击韧性HAZ焊接热影响区；WM 焊缝金属Fig.2 Impact toughness of base metal and different regions of the welded joint从图 2 中可以看出，双相不锈钢本身和焊缝金属的冲击韧性较高，而 16MnR 一侧热影响区的冲击韧性最低。依据相关文献报道 4，组织中的 奥氏体相能抑制铁素体相中已产生微裂纹的继续扩展，并且能溶解更多的 C、N 等间隙元素，在高温冷却时不易析出碳氮化合物，从而抑制晶界脆化。相比较而言，SAF2205
15、母材和焊缝金属中奥氏体相的含量较高，所以双相不锈钢和焊缝金属的韧性较高，16MnR 热影响区的韧性有所降低。虽然焊缝金属中奥氏体的含量高于 SAF2205 母材中奥氏体的含量，约占焊缝组织的 75%90%，但焊缝金属的韧性比双相不锈钢母材本身的韧性要低，这是因为双相不锈钢母材中奥氏体和铁素体两相晶粒分布均匀，相界平滑，更易抵抗微裂纹的扩展。2.1.3 显微硬度测试采用 HXS-1000A 型显微硬度计沿“母材热影响区焊缝金属 ”测量接头区域的显微硬度分布，测试条件为：负荷 100g，加载时间 15s。在 16MnR-WM 侧（注：WM 焊缝金属） ，测量点之间的间距为 0.5mm，而在 WM-
16、2205 侧，由于双相不锈钢热影响区宽度只有 200m 左右（具体参见后续接头微观组织） ，故测量点之间的间距取为 50m，测量结果如图 3 所示。由图 3（a）中可以看出，焊缝金属的硬度值要比 16MnR 母材和热影响区的硬度值高，而且在熔合线附近接头的硬度值有明显突变，存在这种突变的可能原因有以下两点：（1）依据文献 5,6，异种金属焊接接头熔合区界面易出现 M、 M23C6、类马氏体等脆性化合物，导致焊缝硬度升高；（2）由于碳元素迁移造成的，在熔合线附近 16MnR 侧出现脱碳层导致接头软化，而在焊缝一侧出现增碳层导致接头硬化。图 3（b）中，2205 双相不锈钢热影响区的硬度值比母材的
17、稍低，这是由于奥氏体相的强度低于铁素体相的强度，而双相不锈钢热影响区奥氏体相的含量较母材组织中多，从而引起硬度下降。此外，在焊缝金属中，由于奥氏体化合金元素 Ni 的加入，使组织中奥氏体相含量增多从而导致该区硬度呈下降趋势。（a ）16MnR-WM 界面 （b） SAF2205-WM 界面图 3 接头显微硬度分布曲线Fig.3 Hardness curves of the welded joint2.2 接头微观结构分析2.2.1 冲击试样断口扫描观察图 4 为缺口开在焊缝中心部位冲击试样的断口形貌 SEM 照片，从图中可以观察到，断口为典型的等轴状韧窝，韧窝的数量多且分布密集，韧窝尺寸较小，
18、这种断口形貌特征是由于奥氏体本身的晶粒形态和奥氏体/铁素体相之间存在更多的相界所致，表现出较好的韧性。在剪切应力作用下，焊缝内部产生微裂纹，该断口是由微孔聚合机制引起的塑性断裂，在外力的持续作用下，微裂纹逐渐长大，最终微裂纹间相互联系导致产生断裂。图 4 冲击试样 SEM 照片Fig.4 SEM photo of the impact specimen2.2.2 焊缝金属 XRD 相结构分析对靠近 16MnR 侧熔合线的焊缝金属进行 XRD 相结构组成分析，测试结果如图 5 所示。从图中可以看出，接头试样中该区主要含由 和 两种组成相，符合预期希望获得双相组织的设想，并未发现有 M23C6、M
19、 和类马氏体等有害相在焊缝金属中析出。因此，从接头组成相角度分析，焊缝金属的相结构组成符合要求，获得接头质量良好。图 5 接头焊缝金属的 XRD 衍射曲线Fig.5 XRD curve of the welded joint2.2.3 金相组织观察对获得的接头进行磨制、抛光和腐蚀后制成金相试样，采用 MM6 型光学金相显微镜观察接头区域的微观组织。接头 2205 双相不锈钢侧及焊缝金属所用的腐蚀试剂为王水（HCl:HNO 3 = 3:1） ，16MnR 侧腐蚀试剂为 5%的硝酸酒精溶液。拍摄接头不同区域的显微组织照片分别如图 6、图 7 所示。图6为焊缝金属区组织形貌，未发现有微裂纹、气孔和夹
20、渣等焊接缺陷。从图中还可以看出，异种钢焊缝金属的组织为针状铁素体无方向性地分布在奥氏体基体上，与2205双相不锈钢母材本身组织相比，焊缝金属中的奥氏体相体积分数明显增加，这是因为填充焊丝的Ni含量较高，而Ni是强烈形成、稳定和扩大奥氏体相区的元素，所以获得了奥氏体相占优的焊缝组织。焊缝金属中的奥氏体能起到减少脆性相氮化物的析出，有利于提高焊缝的塑韧性和耐腐蚀性，增强接头的抗裂纹能力及减少多层焊时各层组织的不均匀性等作用。由于针状铁素体较细小，而且取向自由，呈大角度晶界，具有较强的抗裂纹扩展能力，并且针状铁素体内含有高密度位错，微裂纹解理扩展跨越针状铁素体时要消耗较多的能量 7，因此，这种组织有
21、利于抑制焊缝微裂纹的产生和扩展。本文中实验采用ER309焊丝焊接获得了合理的奥氏体+少量的针状铁素体焊缝组织。图 6 焊缝金属的显微组织Fig.6 Microstructure of weld metal图7（a）为16MnR-WM界面金相组织照片，从图中可以看到，在熔合线附近的低合金钢一侧存在一层白色的“脱碳层” ，而焊缝一侧存在一层黑色的“增碳层” ，形成这种组织的可能原因有：（1）碳原子为间隙型原子，间隙原子比置换型原子的扩散系数要大105106倍；（2）碳在-Fe中的活度系数大于碳在 -Fe 中的活度系数，因此，在焊缝冷却过程中，原始母材珠光体组织中的碳原子就会自发地向奥氏体相含量较多
22、的焊缝金属中扩散。（a）16MnR-WM 界面 （b）2205-WM 界面图 7 接头熔合线界面处的金相组织Fig.7 Microstructure of joint near the fusion line图7（b）为2205-WM界面金相组织，可以看出，2205双相不锈钢侧热影响区的宽度较小，约为200m 左右，无明显熔合界面。焊缝金属组织呈树枝状晶分布，晶粒比较细小且分布较均匀，而热影响区金属的组织则相对较粗大，这是可能由于接头过热引起的，形成了相对粗大的奥氏体晶粒。焊缝组织中奥氏体相的含量较高，这是因为在多层多道焊的热循环作用下，接头的冷却速度变慢，在焊接高温条件下，铁素体易于转变为奥
23、氏体，最后获得了奥氏体相占优的双相不锈钢热影响区。3 结论（1）采用钨极氩弧焊方法，选用 ER309 焊丝进行 2205 双相不锈钢和低合金高强钢16MnR 异钟金属 焊接，通过优化焊接工艺，可获得质量较高的焊接接头，接头中未发现有微裂纹、气孔和夹渣等焊接缺陷。（2）力学性能测试表明，获得接头具有较高的抗拉强度和抵抗冲击破坏的能力，拉伸试样断裂均发生在抗拉强度相对较低的 16MnR 侧母材上，接头强度能够满足工程结构对其使用性能的要求。（3）金相组织观察表明，接头焊缝金属区为奥氏体+针状铁素体的双相组织，且组织中奥氏体相的含量占优，对提高接头的力学性能具有重要作用。SEM 观察发现，冲击试样断
24、口呈现微孔聚合机制引起的塑性断裂特征。参考文献1 李伟, 栗卓新, 李国栋, 等. 国内外双相不锈钢焊接的研究进展 J. 焊接, 2007(1):1115.2 Santos I O, Zhang W, Gonccalves V M, et al. Weld bonding of stainless steel J. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2004, 44 (14): 14311439.3 韩志诚 , 王少刚, 胡经洪, 等. 焊接工艺对2205 双相不锈钢接头组织与性能的影响J. 材料工程, 2008 (8)
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