杜榮臻，劉西洋，馬一鳴，李偉，徐亦楠，宋南

1.中機(jī)焊業(yè)科技（福建）有限公司 福建三明 365500

2.上海電機(jī)學(xué)院 上海 201306

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1 序言

傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼合金元素主要為Cr和Ni，具有優(yōu)良的抗腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、核電裝備、海洋工程、化工機(jī)械及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1，2]。但因其消耗鎳資源、成本高，20世紀(jì)初國(guó)外學(xué)者就已經(jīng)開(kāi)始研究用氮代鎳來(lái)穩(wěn)定奧氏體，提高鋼的強(qiáng)度和耐腐蝕性能[3，4]。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼：QN1803，氮含量在2000ppm（1ppm=10-6）以上，相對(duì)于傳統(tǒng)304奧氏體不銹鋼節(jié)鎳約60%，點(diǎn)蝕當(dāng)量PREN在19.0以上，抗拉強(qiáng)度≥650MPa，成本降低1/4[5]。

雖然節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼具有價(jià)格低、強(qiáng)度高、耐蝕性好等優(yōu)勢(shì)，但固溶氮容易在焊接過(guò)程中逸出，使節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接接頭性能下降，進(jìn)而限制了其推廣和應(yīng)用[6，7]。

文中采用MAG和SAW兩種焊接方法，研究了節(jié)鎳奧氏體不銹鋼焊接接頭組織和力學(xué)性能，對(duì)比分析了兩種焊接方法對(duì)焊接接頭宏觀形貌、顯微硬度、力學(xué)性能、微觀組織及晶粒度的影響規(guī)律，對(duì)節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼工程化應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆倪x用0 8 C r 1 9 M n N i 3 C u 2 N節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼，試板尺寸規(guī)格為300mm×150mm×12mm，如圖1所示。試驗(yàn)用明弧焊絲選用ER307Si，直徑為1.2mm；埋弧焊絲選用SAW308L，直徑為3.2mm，焊劑選用堿性SJ601A。選用的試驗(yàn)材料成分和力學(xué)性能見(jiàn)表1、表2。

表1 試驗(yàn)材料成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 試驗(yàn)材料力學(xué)性能

圖1 對(duì)接試板坡口尺寸

2.2 試驗(yàn)方法

M A G弧焊電源型號(hào)為T(mén) P S4000，保護(hù)氣為95%Ar+5%CO2，試驗(yàn)焊接參數(shù)見(jiàn)表3；SAW電源型號(hào)為DC-1000，試驗(yàn)焊接參數(shù)見(jiàn)表4。

表3 MAG試驗(yàn)焊接參數(shù)

表4 SAW試驗(yàn)焊接參數(shù)

2.3 檢測(cè)設(shè)備

焊縫組織形貌采用Olympus光學(xué)顯微鏡（OM）觀察；焊縫中鐵素體含量采用菲希爾FMP鐵素體測(cè)量?jī)x測(cè)量；焊縫組織顯微硬度采用HV-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)量；焊縫相組成及含量、奧氏體晶粒度采用XRD-6000型X射線衍射儀測(cè)量；點(diǎn)蝕試驗(yàn)按GB/T 17897—2016中B法進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 焊接接頭宏觀質(zhì)量

圖2為采用MAG和SAW焊接的節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接接頭宏觀金相形貌。從圖2可看出，兩種焊接方法的焊接接頭均結(jié)合良好，未見(jiàn)氣孔、裂紋、夾渣等焊接缺陷，射線和滲透檢測(cè)結(jié)果均為Ⅰ級(jí)。

圖2 焊接接頭宏觀金相形貌

3.2 焊接接頭顯微硬度

圖3為采用MAG和SAW焊接的低鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接接頭顯微硬度。

由圖3可知，兩種焊接方法的焊接接頭熱影響區(qū)硬度略高于母材，焊縫區(qū)的顯微硬度略低于母材，接頭的顯微硬度無(wú)顯著變化。這是因?yàn)楹附訒r(shí)焊縫區(qū)發(fā)生了氮的逸出，氮的固溶強(qiáng)化作用下降，導(dǎo)致焊縫區(qū)的顯微硬度降低；而熱影響區(qū)有脆硬的碳化物析出，提升了其顯微硬度。說(shuō)明采用兩種焊接方法焊接節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼，其焊接接頭不存在明顯軟化區(qū)。

圖3 HV5 顯微硬度分布曲線

3.3 焊接接頭拉伸性能

表5為采用MAG和SAW焊接的節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果。由表5可知，MAG和SAW焊接接頭抗拉強(qiáng)度無(wú)顯著差別，均略低于母材，接頭斷在焊縫。兩種焊接方法的焊接接頭抗拉強(qiáng)度明顯高于焊材，尤其是SAW接頭，這是因?yàn)楹附訒r(shí)母材中固溶氮發(fā)生逸出，部分逸出的氮又重新固溶到焊縫中，提升了焊縫的抗拉強(qiáng)度。

表5 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.4 焊接接頭沖擊性能

表6為采用MAG和SAW焊接的節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接接頭沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果。由表6可知，MAG和SAW焊接接頭都具有良好的低溫沖擊性能，兩種焊接方法的焊接接頭沖擊性能無(wú)明顯差別。

表6 焊接接頭沖擊性能

3.5 焊接接頭金相組織及晶粒度

圖4、圖5分別為采用MAG和SAW兩種焊接方法焊接的節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接接頭微觀組織。

由圖4a、圖5a可知，兩種焊接方法焊接的節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接接頭焊縫組織均為奧氏體+δ-鐵素體，隨機(jī)選取5個(gè)視場(chǎng)依次測(cè)得MAG和SAW焊接接頭的鐵素體含量分別為10.0%和10.1%。

由圖4b、圖5b可知，兩種焊接方法焊接的節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接接頭熔合區(qū)沒(méi)有明顯的熔合線，熔合區(qū)在晶粒內(nèi)部連續(xù)過(guò)渡，說(shuō)明母材和焊縫熔合良好。

由圖4c、圖5c可知，兩種焊接方法焊接的節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接接頭過(guò)熱區(qū)組織均為奧氏體+δ-鐵素體，晶粒度都在7級(jí)以上，均未產(chǎn)生晶粒明顯長(zhǎng)大的現(xiàn)象，對(duì)接頭性能影響較小。由此說(shuō)明，采用MAG和SAW焊接節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼均可獲得理想的焊縫組織和力學(xué)性能。

圖4 MAG焊接接頭微觀組織

圖5 SAW焊接接頭微觀組織

3.6 焊接接頭點(diǎn)蝕性能

圖6、圖7為采用MAG和SAW兩種焊接方法焊接的節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接接頭點(diǎn)蝕形貌。表7為試樣失重?cái)?shù)據(jù)、尺寸以及計(jì)算獲得的腐蝕速率。由表7數(shù)據(jù)可知，MAG和SAW兩種焊接方法焊接的點(diǎn)蝕試樣腐蝕均較為嚴(yán)重，這是因?yàn)楹附z中鎳含量較低，降低了其耐點(diǎn)蝕性能；另外，從組織構(gòu)成分析可知，兩種接頭均由奧氏體和δ-鐵素體雙相組織構(gòu)成，存在大量的γ-δ晶界，故兩種接頭的抗點(diǎn)蝕能力較差。

圖6 MAG焊接接頭點(diǎn)蝕試樣

圖7 SAW焊接接頭點(diǎn)蝕試樣

表7 焊接接頭點(diǎn)蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接問(wèn)題，采用MAG和SAW兩種焊接方法，分析了其焊接接頭的組織和性能。

1）08Cr19MnNi3Cu2N節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼兩種焊接接頭中焊縫與母材熔合良好，未見(jiàn)氣孔、裂紋、夾渣等缺陷，射線和滲透檢測(cè)結(jié)果均為Ⅰ級(jí)。

2）兩種焊接接頭熱影響區(qū)顯微硬度略高于母材，焊縫區(qū)的顯微硬度略低于母材，接頭的顯微硬度無(wú)顯著變化，不存在軟化區(qū)。

3）兩種焊接接頭焊縫和熱影響區(qū)組織均由奧氏體+δ鐵素體組成，晶粒沒(méi)有明顯的粗化現(xiàn)象，晶粒度均在7級(jí)以上，具有良好的拉伸和沖擊性能，但抗點(diǎn)蝕能力較差。

4）兩種焊接方法均適用于08Cr19MnNi3Cu2N節(jié)鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接，在需要抗點(diǎn)蝕的工況條件下，可以考慮選擇鎳含量較高的焊絲進(jìn)行焊接。