李方亮， 程尚華， 邵珠晶， 武少杰， 程方杰，2

(1.天津大學(xué),天津 300072; 2.天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點實驗室,天津 300072)

0 前言

工業(yè)革命以來，人類對化石燃料的消耗越來越大，這導(dǎo)致了環(huán)境污染和全球變暖等問題，液化天然氣(LNG)作為一種新能源形式，不僅碳排放量比煤炭要低，而且產(chǎn)生的熱能多。由于LNG的生產(chǎn)、運輸和存儲設(shè)備都是在極低的溫度下工作的，這對于建造材料的耐低溫性能提出了很高的要求。

奧氏體不銹鋼因具有面心立方結(jié)構(gòu)而沒有明顯的低溫脆性，且具有較高的強(qiáng)度、塑韌性，較好的耐腐蝕能力，易加工和可焊性強(qiáng)等特點，使得其在LNG相關(guān)設(shè)備的制造中得到大量應(yīng)用。一般來說，在奧氏體不銹鋼焊接過程中不可避免地會產(chǎn)生一定量的鐵素體，少量鐵素體可以抑制焊接熱裂紋的產(chǎn)生[1]。但由于鐵素體是體心立方結(jié)構(gòu)，具有低溫脆性，因此鐵素體含量過高將嚴(yán)重降低奧氏體不銹鋼的低溫性能。為了保證奧氏體不銹鋼焊接接頭的低溫韌性和耐腐蝕性，必須嚴(yán)格控制焊縫中鐵素體的含量。傳統(tǒng)的方法是通過使用高Ni焊材來穩(wěn)定奧氏體相和控制鐵素體含量，然而高Ni焊材的高成本限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的大規(guī)模應(yīng)用。N元素能夠替代昂貴的Ni元素作為奧氏體穩(wěn)定元素，而且添加方式有多種，其中通過保護(hù)氣體添加N元素就是一種方便而且靈活的方法[2-6]。

1 試驗材料與方案

試驗所選母材為304L奧氏體不銹鋼板，焊材為308L奧氏體不銹鋼實心焊絲，母材和焊材的主要成分見表1。

在研究氮氣比例和電弧電壓這兩個因素的影響時，采用的是多層多道堆焊工藝，試驗用焊接平板尺寸為300 mm×250 mm×6 mm，焊接參數(shù)見表2，1～5組改變N2比例，3，6，7組改變電弧電壓。每層堆焊厚度約為2 mm，焊道排布如圖1所示，為了便于檢測每一層的鐵素體數(shù)(FN)和化學(xué)成分，每一層堆焊層比上一層短20～25 mm。層間溫度均控制在150 ℃以下。

表1 試驗用材料的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 多層多道焊接試驗參數(shù)

圖1 304L鋼板多層多道焊示意圖

探究焊接速度影響時，采用單層單道堆焊方法，試驗用焊接平板尺寸為200 mm×150 mm×3 mm，焊接試驗參數(shù)見表3。

在堆焊過程中，采用直流正接施焊。對焊后試樣分別進(jìn)行成分分析、FN測量及顯微組織觀察，探討氮氣含量、電弧電壓和焊接速度對焊縫FN和組織的影響規(guī)律。

使用型號為FMP30鐵素體檢測儀測量每道焊縫的FN，為后續(xù)的FN分析提供支持。該設(shè)備利用磁感應(yīng)原理制成，室溫下殘留的δ-鐵素體相是磁性的，而奧氏體則是非磁性的，這樣就可以對試樣中的鐵素體含量進(jìn)行測量，其具有無損測量、簡單易用等特點。從FN測量儀獲得的單道焊縫FN值受幾個約束因素的影響，如薄板厚度、焊道厚度及表面曲率等，后面會對此有詳細(xì)討論?？紤]到焊縫不同位置鐵素體含量不同，每次在熔覆金屬表面四個不同位置測量試樣的FN，并根據(jù)測量值計算FN平均值，為后續(xù)分析FN變化規(guī)律提供依據(jù)。

表3 單層單道焊接試驗參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 氮氣含量對堆焊層平均鐵素體數(shù)的影響

對所測每道焊縫的化學(xué)成分取平均值，使用WRC-1992相圖的當(dāng)量公式(1)和(2)分別計算焊縫的Creq和Nieq，計算結(jié)果見表4。

Creq=Cr+Mo+0.7Nb

(1)

Nieq=Ni+35C+20N+0.25Cu

(2)

表4 保護(hù)氣中氮氣含量對Creq和Nieq的影響

在Fe-Cr-Ni系ω(Fe)=70%的偽二元相圖上，鉻、鎳比18∶12是凝固先析出相改變的分界線，鉻鎳比高于此值為FA凝固模式，低于此值為AF凝固模式。通過計算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)保護(hù)氣中氮氣的百分比達(dá)到1.5%以上時，可能會發(fā)生凝固模式的轉(zhuǎn)變，即從FA模式轉(zhuǎn)變?yōu)锳F模式。

根據(jù)計算的Creq和Nieq在WRC-1992相圖中的位置預(yù)測焊縫的FN，與實際測量的多層多道焊縫FN平均值繪制在一張圖中，如圖2所示。由圖2中的兩條曲線可以發(fā)現(xiàn)，實測的FN值普遍比根據(jù)相圖預(yù)測的結(jié)果低。分析認(rèn)為，這是因為WRC-1992相圖是基于單道焊的試驗結(jié)果，而在該研究所采用的多層多道焊中后續(xù)焊道對前一焊道的再熱作用導(dǎo)致了復(fù)雜的固態(tài)相變發(fā)生，從而使得鐵素體含量進(jìn)一步減少。

圖2 保護(hù)氣中氮氣含量對FN的影響

在圖2中，鐵素體數(shù)FN隨氮氣體積分?jǐn)?shù)增加而減小，這說明通過增加混合氣中的氮氣含量，電弧空間中電離的氮原子隨之增多，從而使焊縫含氮量增加[7]。從圖2中還可以看出，當(dāng)混合氣中氮含量增加至1.5%時，堆焊層的FN降低趨勢減緩。分析認(rèn)為，當(dāng)混合氣中的氮含量增大至1.5%時，堆焊層中溶入了更多的氮元素，導(dǎo)致堆焊層中的氮濃度逐漸趨于飽和，從而使堆焊層中的FN也趨于穩(wěn)定[8]。

圖3為純Ar和Ar-2.0%N2混合氣下的堆焊層組織，黑色相和白色相分別代表鐵素體和奧氏體。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混合氣為純Ar時，堆焊層的鐵素體主要以骨架狀和少量的板條狀形式分布于奧氏體基體上。對于Ar-2.0%N2混合氣下的堆焊層來說，其堆焊層的鐵素體含量明顯低于純氬堆焊層的鐵素體密度，這與圖2所示的結(jié)果一致。

圖3 保護(hù)氣中氮氣含量對金相組織的影響

通過進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，在Ar-2.0%N2混合氣下相鄰的焊道之間會出現(xiàn)大塊的奧氏體區(qū)。在多層多道焊接的層間熱循環(huán)溫度高于1 300 ℃的區(qū)域內(nèi)，氮原子在鐵素體中的溶解度比奧氏體中的要高出許多，少量的原鐵素體相會吸收從附近奧氏體中擴(kuò)散出來的氮原子，而在隨后較快的冷卻過程中，鐵素體中由于氮濃度增高導(dǎo)致鎳當(dāng)量變大，從而促使其轉(zhuǎn)變成了奧氏體。

2.2 電弧電壓對堆焊層平均鐵素體數(shù)的影響

在TIG焊工藝中，電弧電壓與弧長近似成正比，電弧電壓的變化會顯著影響電弧的特性。不同電弧電壓下多層多道焊熔覆金屬內(nèi)鐵素體平均含量的測量結(jié)果如圖4所示。圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著電弧電壓的升高，熔覆金屬中的鐵素體含量逐漸減少，特別是當(dāng)電弧電壓達(dá)到18 V時，鐵素體含量會急劇降低，其平均FN低于1 FN。

圖4 電弧電壓對FN的影響

分析認(rèn)為出現(xiàn)這一規(guī)律的原因大致如下：首先，由于N2在電弧的高溫?zé)嶙饔孟聲纸鉃镹原子，隨著電弧長度的增加，N2在電弧中的運動時間增加，N2受熱分解為N原子的過程進(jìn)行地更加充分，電弧區(qū)的N密度會明顯增大；第二，隨著弧長增加，電弧區(qū)也增大，電弧空間中氮原子的絕對數(shù)量也增加，這促進(jìn)了氮從電弧空間向熔池的過渡。同時，隨著電弧電壓的增大，焊縫的熔寬隨之增大，焊縫表面與保護(hù)氣接觸面積增大，溶入到焊縫中的氮原子也隨之增多，使堆焊層的FN降低；最后，增加電弧電壓使得焊接熱輸入增大，從而降低了焊縫的冷卻速度，而低的冷卻速度延長了鐵素體向奧氏體的相變(δ→γ)時間，使鐵素體含量進(jìn)一步減少[9-11]。

以上結(jié)果也可看出，為了保持奧氏體不銹鋼熔覆金屬中鐵素體含量的穩(wěn)定，采用TIG焊接工藝時，必須嚴(yán)格控制弧長。

2.3 焊接速度對堆焊層平均鐵素體含量的影響

圖5給出的是僅改變焊接速度,其它工藝參數(shù)不變條件下，熔覆金屬中FN值測量結(jié)果的變化規(guī)律。結(jié)果表明，隨著焊接速度的不斷提高，采用鐵素體測量儀測出的FN值會逐漸降低。這一規(guī)律跟經(jīng)典理論分析的趨勢是不一致的。

圖5 焊接速度對FN的影響

圖6給出了相應(yīng)焊縫的微觀照片，從金相照片上也可以定性地發(fā)現(xiàn)，隨著焊接速度的增加，鐵素體含量不是減少而是增加的。

出現(xiàn)上述問題的原因主要是由鐵素體測量儀的工作原理和試驗的具體條件造成的。根據(jù)最新的研究結(jié)果[12]可知，鐵素體測量儀實際測量的是探頭下方13 mm3球體范圍內(nèi)的總鐵素體含量。圖7給出的是該試驗兩個焊接速度下的焊縫截面圖(研究焊接速度的影響時采用的是母材為3.0 mm的薄板上的單道焊接工藝)，圖中黑色實線表示熔合線，黑色虛線球表示鐵素體檢測儀磁場范圍?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著焊接速度的增加，焊縫截面積會明顯縮小，其在測量儀探頭作用范圍內(nèi)所占的比例也明顯縮小。0.1 m/min焊接速度下的焊縫約占磁場總面積的2/3，而0.3 m/min焊接速度下的焊縫則僅占磁場總面積的1/3左右，母材的FN值僅為0.23，遠(yuǎn)低于焊縫，焊縫截面積占比越小，鐵素體檢測儀測量的結(jié)果也就越小，因此就出現(xiàn)了圖5所示的規(guī)律。

圖6 焊接速度對金相組織的影響

圖7 焊接速度對堆焊層宏觀形貌的影響

3 結(jié)論

(1)增大保護(hù)氣中的氮氣含量可以使得熔覆金屬中的鐵素體含量明顯下降，而且在多層多道焊的情況下，實測的鐵素體含量會高于WRC-1992預(yù)測的結(jié)果。

(2)保護(hù)氣體中添加氮氣時，改變電弧電壓會顯著影響熔覆金屬的鐵素體含量，因此焊接過程中要嚴(yán)格控制電弧弧長。

(3)隨著焊接速度的增加，熔覆金屬中鐵素體含量也逐漸增加，但是在薄板的單道焊接情況下，使用鐵素體測量儀測量的結(jié)果會有較大的誤差，甚至出現(xiàn)相反的結(jié)果，需要特別注意。