對(duì)厚度為6.5mm的S32101雙相不銹鋼板進(jìn)行激光焊接，并進(jìn)行不同溫度(800~1100℃)和不同保溫時(shí)間(0~180s)的焊后熱處理，研究了焊后熱處理對(duì)焊縫顯微組織和性能的影響。結(jié)果表明：熱處理后焊縫中奧氏體含量高于焊態(tài)焊縫，并且其含量隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)整體呈增大的趨勢(shì)，隨熱處理溫度的升高整體呈先增大后減小的趨勢(shì)；在1000~1100℃下保溫0~180s后焊縫中的奧氏體體積分?jǐn)?shù)均超過(guò)30%，熱處理溫度為1075℃時(shí)奧氏體體積分?jǐn)?shù)最高；熱處理后焊縫的平均顯微硬度低于焊態(tài)焊縫，與母材相近；在熱處理溫度為1075℃，保溫時(shí)間為0下，焊縫的自腐蝕電位與焊態(tài)焊縫相近，當(dāng)保溫時(shí)間延長(zhǎng)至180s時(shí)，自腐蝕電位提高，腐蝕傾向降低。
1、 試樣制備與試驗(yàn)方法
1.1 試樣制備
試驗(yàn)材料為固溶態(tài)S32101雙相不銹鋼板，厚度為6.5mm，由太原鋼鐵集團(tuán)提供，其化學(xué)成分(質(zhì)量分 數(shù)/%)為 0.02C，21.64Cr，1.42Ni，0.19N，0.52Si，5.21Mn，0.13Cu，0.16Mo，余Fe。在不銹鋼板上取尺寸為160mm×75mm×6.5mm的待焊試樣，長(zhǎng)邊方向平行于軋件的橫向(TD)，短邊方向平行于軋制方向(RD)，對(duì)其待焊面進(jìn)行打磨和清洗。使用如圖1(圖中ND為軋制面法向)所示的激光焊接平臺(tái)進(jìn)行激光對(duì)接焊，不開坡口，焊接功率為3kW，焊接速度為50cm·min-1，離焦量為-2mm，純氬氣保護(hù)，焊接方向沿待焊試樣長(zhǎng)邊方向(平行于TD)。焊接完成后，以焊縫為中心垂直焊接方向取尺寸為10mm×8mm×6.5mm的待熱處理試樣。
使用JMatPro軟件計(jì)算S32101雙相不銹鋼相圖，可知當(dāng)溫度為800~1100℃時(shí)，不銹鋼中奧氏體體積分?jǐn)?shù)較高。使用COMSOL有限元分析軟件計(jì)算升溫時(shí)間，材料相關(guān)參數(shù)由文獻(xiàn)得到。根據(jù)相圖和計(jì)算結(jié)果制定焊后熱處理工藝如下：使用馬弗爐將待熱處理試樣分別加熱至800，900，950，1000，1025，1050，1075，1100℃，升至對(duì)應(yīng)溫度的時(shí) 間分別為167，141，129，127，122，129，114，108s，保溫時(shí)間分別為0，30，60，180s，水淬至室溫。
1.2 試驗(yàn)方法
熱處理前后的接頭試樣經(jīng)研磨、拋光，用BeharaⅡ腐蝕液(100mLH2O+20mLHCl+1gK2S2O5)腐蝕約25s后，使用光學(xué)顯微鏡觀察焊縫區(qū)顯微組織，使用Image-ProPlus軟件統(tǒng)計(jì)焊縫中各相含量。使用維氏硬度計(jì)對(duì)焊縫和母材進(jìn)行硬度測(cè)試，載荷為4.9N，保載時(shí)間為10s，每隔100μm測(cè)1個(gè)點(diǎn)，分別測(cè)18，17個(gè)點(diǎn)取平均值。由于激光焊熱影響區(qū)極小，因此未對(duì)熱影響區(qū)進(jìn)行硬度測(cè)試。使用電化學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行電化學(xué)試驗(yàn)，采用三電極體系，參比電極為甘汞電極，輔助電極為鉑電極，工作電極為接頭試樣,試驗(yàn)介質(zhì)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的NaCl溶液，電壓在-1.5~1.5V，掃描速率為1mV·s-1。
2、 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 對(duì)顯微組織的影響
由圖2可見，焊態(tài)焊縫的顯微組織以鐵素體為主，奧氏體體積分?jǐn)?shù)約為16.32%。這是因?yàn)榧す夂改芰枯斎胼^低且冷卻速率較快，鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變不充分。焊縫中少量的奧氏體主要以晶界奧氏體(GBA)的形式存在，這是因?yàn)榫Ы缣幘哂懈叩淖杂赡?，有利于奧氏體的優(yōu)先形核。
圖3中亮白色相為奧氏體相，暗灰色相為鐵素體相。由圖3可見，與焊態(tài)焊縫相比，不同條件熱處理后的焊縫中均形成了魏氏奧氏體(MA)。當(dāng)熱處理溫度升高到1000℃及以上時(shí)，焊縫中除了存在晶界奧氏體外，還出現(xiàn)了晶內(nèi)奧氏體(IGA)。當(dāng)溫度由950℃升高至1050 ℃時(shí)，魏氏奧氏體長(zhǎng)大粗化，同時(shí)晶內(nèi)奧氏體持續(xù)析出，奧氏體數(shù)量增多；當(dāng)溫度繼續(xù)升高至1100℃時(shí)，部分魏氏奧氏體轉(zhuǎn)變成鐵素體。在同一熱處理溫度下，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，焊縫中的晶界奧氏體、晶內(nèi)奧氏體和魏氏奧氏體均發(fā)生長(zhǎng)大。
由圖4可見，不同條件熱處理后焊縫中的奧氏體含量均高于焊態(tài)焊縫。這是因?yàn)楹笐B(tài)焊縫中奧氏體體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)低于平衡態(tài)，熱處理會(huì)促進(jìn)鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變；此外，當(dāng)熱處理溫度超過(guò)903℃時(shí)，焊縫中的Cr2N相會(huì)快速重溶，促進(jìn)奧氏體的形成。隨熱處理溫度升高，焊縫中奧氏體體積分?jǐn)?shù)整體上呈現(xiàn)增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)熱處理溫度在1075℃時(shí)達(dá)到最大。隨著溫度的升高，奧氏體長(zhǎng)大并且形成新生奧氏體，奧氏體體積分?jǐn)?shù)增加，而當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，部分魏氏奧氏體發(fā)生分解，導(dǎo)致奧氏體體積分?jǐn)?shù)減小。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，焊縫中奧氏體體積分?jǐn)?shù)整體呈增大的變化趨勢(shì)，當(dāng)熱處理溫度為950℃時(shí)，保溫時(shí)間對(duì)焊縫中奧氏體體積分?jǐn)?shù)影響最為顯著。這是因?yàn)樵诖藴囟认卵娱L(zhǎng)保溫時(shí)間后，魏氏奧氏體發(fā)生明顯生長(zhǎng)。焊縫在1000~1100℃下保溫0~180s后，均可獲得超過(guò)30%的奧氏體組織，滿足雙相不銹鋼對(duì)相比例的要求。
2.2 對(duì)顯微硬度的影響
未焊后熱處理時(shí)，焊縫和母材的平均顯微硬度分別為253.4，243.4HV，焊縫的平均顯微硬度高于母材。這是因?yàn)橐环矫婧笐B(tài)焊縫的顯微組織以鐵素體為主，且鐵素體的硬度高于奧氏體；另一方面焊接過(guò)程中雜質(zhì)的摻入也會(huì)導(dǎo)致焊態(tài)焊縫硬度增加。由表1可見，不同焊后熱處理工藝下焊縫的顯微硬度均低于焊態(tài)焊縫，且與母材相近。這是因?yàn)闊崽幚砗蠛缚p中形成了更多的奧氏體，導(dǎo)致了硬度下降。
表1 不同焊后熱處理工藝下焊縫和母材的平均顯微硬度
2.3 對(duì)耐腐蝕性能的影響
由前文可知，當(dāng)熱處理溫度為1075℃時(shí)，焊縫中奧氏體體積分?jǐn)?shù)最高，有望獲得最為優(yōu)異的耐腐蝕性能，因此取1075℃下焊縫的極化曲線進(jìn)行分析。由圖5可見：在1075℃以及保溫時(shí)間為0條件下，焊縫的自腐蝕電位為-498mV，與焊態(tài)焊縫的-494mV相近，說(shuō)明二者的腐蝕傾向相近；延長(zhǎng)保溫時(shí)間至180s時(shí)，焊縫的自腐蝕電位提高至-203mV，腐蝕傾向降低。這可能是因?yàn)橛蔁崽幚懋a(chǎn)生的二次奧氏體(γ2)是通過(guò)不穩(wěn)定的鐵素體轉(zhuǎn)變而來(lái)，相較于焊接過(guò)程中形成的一次奧氏體，二次奧氏體中鉻、鉬、氮等元素含量較低，因此容易發(fā)生腐蝕；隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，鉻、鉬、氮元素充分?jǐn)U散至二次奧氏體中，因此耐腐蝕性能提高。
3、 結(jié)論
(1)S32101雙相不銹鋼激光焊焊縫中奧氏體體積分?jǐn)?shù)隨熱處理溫度的升高整體上呈先增大后減小的趨勢(shì)，隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)整體上呈增大的趨勢(shì)；在1000~1100℃下保溫0~180s后焊縫中的奧氏體體積分?jǐn)?shù)均超過(guò) 30%，當(dāng)熱處理溫度為1075℃時(shí)焊縫中奧氏體體積分?jǐn)?shù)最高。
(2)不同條件熱處理后焊縫的平均顯微硬度低于焊態(tài)焊縫，且與母材相近。
(3)在熱處理溫度為1075℃下，當(dāng)保溫時(shí)間為0時(shí)，焊縫的自腐蝕電位與焊態(tài)焊縫相近；當(dāng)保溫時(shí)間延長(zhǎng)至180s時(shí)，自腐蝕電位提高，腐蝕傾向降低。
引用本文：
王保軍，白露，陳龍，等.短時(shí)間焊后熱處理對(duì)S32101雙相不銹鋼板激光焊焊縫組織和性能的影響[J].機(jī)械工程材料，2023，47（7）：67-71.
Wang B J, Bai L, Chen L, et al.Effect of Short Time Post-Weld Heat Treatment on Microstructure and Properties of S32101 Duplex Stainless Steel Plate Laser Welding, 2023, 47（7）: 67-71.
DOI:10.11973/jxgccl202307011
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