焊接接头组织和性能的影响外文翻译资料

 2022-10-08 11:47:42

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焊接工艺对低合金钢和双相不锈钢异种钢

焊接接头组织和性能的影响

1)先进材料与技术研究所,北京科技大学,北京100083,中国

2)中国海洋石油总公司的研究所,北京100027,中国

(收到:2011年7月21日,修订:2011年8月17日,接收:2011年8月24日)

摘要: 为了获得高质量的异种钢焊接接头,本文在焊接过程中对双相不锈钢和低合金钢采用金属极惰性气体保护焊（MIG）和钨极惰性气体保护焊（TIG）进行比较。在扫描电镜(SEM)中观察到异种钢焊接接头的组织和腐蚀形态；通过能量色散谱（EDS）中侦察到不同区域中的化学成分；显微硬度测试，拉伸试验和冲击试验是衡量机械性能的指标；极化曲线是通过腐蚀行为进行描绘的。在熔合线和II型边界中，镍和铬之间存在明显的浓度梯度，而且硬度更高。MIG焊的焊缝金属冲击韧性高于钨极惰性气体保护电弧焊。在3.5 wt %氯化钠溶液中，TIG焊缝金属的腐蚀电流密度高于MIG焊缝金属。在低合金钢与焊缝金属之间发生的电化学腐蚀，揭露了低合金钢在工业生产中的弱点。在机械性能和耐腐蚀性能方面，MIG焊的接头质量比TIG焊的接头质量更好。在实际应用中，UNS S31803双相不锈钢和低合金钢的焊接过程中采用MIG焊和ER2009焊丝最为合适。

关键词：异种金属；焊接；不锈钢；低合金钢；显微组织；力学性能；腐蚀

（这项工作是获得国家科技部支持的重大项目）

1. 介绍

异种钢焊接已经广泛应用于石油，天然气等行业，由于它的经济效益以及可以充分利用两种金属的优点，比如强度和耐腐蚀性。随着石油和天然气在深海里面的开发，越来越多的双相不锈钢（DSS）已经被应用到生产流线上。然而，出于经济条件的考虑，低合金钢往往被应用到冷却生产流线的那部分。因此，异种钢焊接在实际生产中是不可避免的。

异种钢焊接的接头性能，甚至是焊接过程的可行性是受到很多因素的影响，比如，从低合金一侧发生的碳迁移，金相显微组织的梯度差异，焊缝金属中不同区域中所产生的不同的残余应力。在焊接过程中，如果这些因素没有加以控制，在焊缝金属里就会产生一些焊缝缺陷，比如稀释和裂缝，最终使焊缝金属的性能降低，达不到使用要求。一些研究人员已经专注在不同的焊接接头的性能，在不同的焊接接头上进行了许多重要的工作和实验，来研究他们的焊接方法和力学性能。Paventhan 等研究了中碳钢和奥氏体不锈钢在摩擦焊中的不同接头的疲劳反应，他们的结果均展示出接头的疲劳强度与接头的显微组织，显微硬度和拉伸性能有密切关系。Wang等运用钨极惰性气体保护焊(GTAW)和自动金属极电弧焊（SMAW）研究UNS S31803双相不锈钢和16MnR低合金钢的焊接接头的微观组织结构，力学性能和耐腐蚀性。他们的结论是钨极惰性气体保护焊（GTAW）是连接UNS S31803双相不锈钢和16MnR低合金钢的最合适的焊接方法。然而，焊接过程中不同的双相不锈钢（DSS）和低合金管线钢接接头性能的影响却很少被研究。

为了获得高质量的异种钢焊接接头，去研究焊接过程中不同的焊接接头组织的显微结构，力学性能，耐腐蚀性的影响和作用是很重要的。在本文里面，我们采用金属极惰性气体保护焊（MIG）和钨极惰性气体保护焊（TIG）对双相不锈钢和低合金钢得到异种钢的焊接接头。异种钢的焊接接头的微观结构，机械性能和腐蚀反应会通过扫描电子显微镜（SEM），拉伸试验，低温作用的影响测试，显微硬度测量和极化技术进行研究。

2. 实验

本文采用的基体金属是低合金钢（API X70)和双相不锈钢（UNS S31803），它们的化学成分在表1中给出。基体金属的加工尺寸为200毫米times;100毫米times;8毫米，一个角度为60°的单槽。焊接接头的示意图如图1所示。焊接接头是由两种不同的焊接方法进行焊接的，分别是用ER209作为焊丝的MIG焊和TIG焊，具体的焊接参数在表2总结了出来。

Table 1. Chemical composition of base metals and filler metal wt%

Material C Si Mn P S Cr Ni Mo Nb Cu N

API X70 0.055 0.20 1.52 0.008 0.0007 0.031 0.22 0.21 0.033 0.21 0.22

UNS S31803 0.014 0.39 1.38 0.023 0.0010 22.39 5.68 3.13 0.006 0.18 0.17

ER2209 0.040 0.51 1.55 0.018 0.0150 22.92 8.61 3.12 ― ― 0.17

图一 焊槽

力学性能测试和微观结构分析是在焊接之后进行的。焊缝金属和UNS S31803 DDS母材用王水进行腐蚀，X70管线钢母材是用浓度5％的硝酸乙醇溶液腐蚀。微观结构的特点是通过光学显微镜和SEM得出的。能量色散光谱（EDS）是用于焊缝金属在不同区域的化学分析。焊接接头的机械性能测试包括显微硬度测量，拉伸试验和冲击试验。冲击试验的样品的尺寸是55毫米times;10毫米times;5毫米, 在-40℃的温度下进行的。点蚀性是通过FRA PARSTAT测2273在常温下的浓度为3.5％的NaCl溶液的电化学站进行测试的。极化曲线通过使用铂箔作为辅助电极和一个饱和甘汞电极作为参考电极的三电极电池来记录的。实验扫描速率为0.5毫伏/秒。在此期间浸泡试验，焊缝金属（WM）浸入人造深水（4℃）30 d,人工深水的组成示于表3。

3. 结果与讨论

3.1 微观结构

DSS（UNS S31803）和低合金（API X70）的显微组织示于图2。母材DSS中的奥氏体相嵌入在有着几乎相等量的铁素体基（灰度区），X70钢的显微结构显示出了针状铁素体和珠光体的混合物。

从熔合区到母材DSS，热影响区（HAZ）的光学显微结构如图3（a）和（b）所示。奥氏体晶粒出现首先沿晶界，小晶粒在熔化过程中和快速冷却铁素体晶粒的内部。结果显示，典型特征树枝状结构，细晶和粗晶区形成;同时，一些晶体在焊缝金属中出现魏氏组织，这不利于抗蚀剂裂纹扩展。与母材金属对比，在焊缝金属中奥氏体增多是由于使用了镍含量高的填充金属。

图2. UNS S31803 (a) 和 API X70 (b)的SEM 图像

图. 3 焊接热影响区HAZ的微观结构

（a）DSS的微观结构;（b）母材DSS使用TIG焊的热影响区; （c）使用MIG的WM;（d）由TIG焊得出的焊缝金属

这在焊接过程中不同的两种焊接金属表现出相似的微观结构特征，是由于晶内大铁素体晶粒和晶间奥氏体，如图3（c）和（d）。在通过MIG焊的焊缝金属中形成更多奥氏体是由于其慢冷却速度。

X70和焊缝金属之间微观结构特征和EDS曲线界面，如图4所示。异种钢的焊接接头的II型边界的特性与观察到在X70钢的熔合区平行。许多研究者研究发现,II型边界通常是裂纹。这样边界的发展归因于材料之间的晶体结构连接的差异，从焊缝金属的合金和杂质元素的扩散混入边界，和母材金属的稀释的变化，这影响了焊缝金属组合物梯度。在焊缝金属中观察到的熔合区的不同宽度分别相对于不同的热输入和冷却速率。与TIG焊相比, MIG焊较慢 冷却速度导致在更宽的熔合区域，这有利于抵抗氢致开裂。靠近X70 HAZ 熔合线的地方，还有一个粗晶区，和一个出现在MIG焊的较窄的粗晶区，可能是由较高的热输入而引起。

图4.微观结构和热影响区和焊缝金属X70钢的EDS曲线

（a）由MIG SEM图像; （b）TIG焊的SEM图像; （c）通过MIG焊的EDS谱; （d）通过TIG焊的EDS谱。

在焊件中使用EDS谱分析，显示出从熔合区到II型边界区域的化学转变。在X70钢与母材中存在铬和镍的浓度梯度。Cr的浓度明显的着地沿着熔合线降低，而镍的浓度缓慢变化。碳从X70钢到焊缝金属之间的扩散，X70钢具有的稀释作用和熔池的快速冷却影响了了熔合线[10]邻近合金元素梯度。

3.2 机械性能

两个焊缝金属的拉伸性能列于表4。断裂的地点都在X70母材的侧面。两个焊缝金属的抗拉强度值都是在640MPa附近。

在熔合边界和II型边界之间的狭窄区域观察到较高的硬度，如图5所示， X70侧由于碳迁移引起了较硬的微量马氏体/碳化物。

DSS母材金属的冲击强度（DSS BM），X70中的HAZ，X70母材金属（X70 BM），并且两个焊接金属都在-40℃进行测试，结果如图6呈现。

图4.焊缝金属X70钢微观结构和热影响区的EDS曲线

（a）MIG焊 SEM图像; （b）TIG焊 SEM图像; （c）MIG焊 EDS谱; （d）TIG焊 EDS谱

DSS母材金属和焊缝金属表明奥氏体含量越高，韧性越高，且分布均匀的奥氏体和铁素体使DSS的母材金属呈现出最高韧性。X70在HAZ中表现出来的韧性比母材金属要低，这是与在粗晶区有一定的关联。MIG焊的冲击韧性比TIG焊的母材金属的冲击韧性要高。MIG焊期间产生更多的奥氏体相是由于铁素体到奥氏体转变比率降低和热输入的增加和更慢的冷却速度。

在-40℃下的Charpy冲击试样的断口形貌如图7所示。当韧脆转变温度低于-50℃时，DSS母材金属示出了具有图1中的凹形结构的延性断裂，图7（a）。图7（b）是X70钢的断裂特性，其中出现了脆性断裂。TIG焊的焊缝金属和MIG焊的焊缝金属的断裂特性，如图7（c）和（e）所示。与TIG焊的焊缝金属相比，有更多的熔合区在MIG焊的焊缝金属中均匀分布，从而有更多奥氏体，奥氏体相和边界。在由MIG焊得出的X70钢的HAZ X70的多晶边界如图7（f）所示，其对应于图更细的晶体，如图4（a）所示。

图5. 焊接金属的硬度分布

图6. DSS母材金属的冲击强度（DSS BM）

（在X70HAZ，X70碱金属（X70 BM）和两个焊接金属，-40°C）

图7，Charp冲击试样的断口形貌

（a）DSS母材金属; （b）X70管线钢母材金属; （b）由TIG焊得出的焊缝金属;

（d）X70钢使用TIG焊得出的HAZ; （e）由MIG焊得出的焊缝金属; （f）X70钢使用MIG焊得出的HAZ.

3.3 耐腐蚀性能

在常温下，3.5%NaCl溶液中，母材金属，X70钢的HAZ和焊缝金属的极化曲线如图8描绘。由于DSS在焊接热影响区很窄，其腐蚀行为将被忽略。结果表明，DSS母材金属和焊缝金属具有较高的腐蚀电位。TIG焊的焊缝金属的腐蚀电流密度（I）比在3.5％的NaCl溶液的MIG焊接金属的高，这说明MIG焊接金属对海水具有高电阻的特点。与DSS相对比，X70母材金属的腐蚀电位和X70中HAZ的腐蚀电位相比是明显降低，并且X70在HAZ中显示出比X70母材金属的更高的腐蚀电位。

在4℃下，浸泡在人造深水30天之后的焊缝金属的微观形态示于图9. 与焊缝金属轻微腐蚀相比，腐蚀严重的出现在X70钢的HAZ中。不均匀腐蚀产品涵盖HAZ的表面上，并在表5中示出在焊接热影响区X70钢腐蚀产物的元素分析结果。结果表明，氧化铁和小量氧化铬在X70的HAZ被占用。X70钢和焊接金属之间不同电位导致电偶腐蚀，这导致X70钢严重腐蚀。这表明，X70母材金属在工业服务中比较薄弱。

图8. 焊件在3.5重量％的NaCl溶液中不同的区域不同的极化曲线

图9.在4℃下浸泡在人造深水30天之后的焊接金属的微观形态

（a）使用MIG焊的焊缝金属; （b）使用TIG焊的焊缝金属

表5.X70钢的HAZ中的元素分布

4. 结论

（1）与TIG焊的焊缝金属相比，通过MIG焊接的奥氏体含量更多，与DSS的母材金属对比，奥氏体的含量在焊缝金属有明显的提高，这有利于它的机械性能和耐腐蚀性能。

（2）在焊缝金属中可以观察到II型边界，靠近X70钢一侧的熔合区。镍和铬的浓度梯度在熔合线和II型边界之间是明显存在的。相比于TIG焊，在MIG焊中一个更低的冷却速率能够形成更宽的熔合区，有利于抵抗氢致开裂。

（3）焊缝金属的拉伸强度值大概是640MPa。焊缝金属的韧性比DSS母材金属的低，而冲击韧性在MIG焊中比在TIG焊中的焊缝金属高。DSS母材金属和焊缝金属的断裂是韧性断裂。

（4）在3.5％的NaCl溶液中，TIG焊的焊缝金属的电流密度比的MIG焊的焊缝金属高，这说明MIG焊接金属对海水具有高电阻的特点。X70钢中， X70钢与焊缝金属产生严重的电偶腐蚀，从而揭示X70母材金属在工业服务的薄弱。

（5）MIG焊的焊缝金属的机械性能

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