焊接方法对Q345R和S31803焊接接头组织形态的影响

采用SMAW和GTAW焊接方法对Q345R和S31803双相不锈钢焊管进行焊接，通过光镜及EDX对接头组织及其特征区的元素进行了分析。结果表明：GTAW接头中Q345R侧出现碳迁移，碳迁移微区的Fe3C以颗粒状和链岛状存在；GTAW接头中S31803侧过热区的组织比SMAW接头中粗大，GTAW接头的焊缝中奥氏体比例要明显高于SMAW接头；SMAW、GTAW接头中Q345R侧熔合线附近的“舌状物”均为从母材脱落的一部分。

S31803是一种Cr含量(wCr)为22%的双相不锈钢焊管，一般以固溶状态交货，具有大约50%的铁素体和50%的奥氏体双相组织。因此，该钢兼有奥氏体不锈钢高韧性与铁素体不锈钢耐蚀性双重特点，故其在海洋、造纸和化学等行业具有广阔应用前景。

国内外的科研工作者对双相不锈钢焊管及相似钢种进行了大量研究，杨莉等对双相不锈钢焊管S31803埋弧焊焊接接头组织和性能进行了测试分析，王仓等研究了焊接工艺对16mm厚2205双相不锈钢焊管板焊接接头组织和性能的影响，Urn軌a等研究了等离子弧焊焊接双相不锈钢焊管的焊接性，Sathiya等[5]研究了保护气氛对双相不锈钢焊管焊接接头力学性能和冶金性能的影响，OmymaHassanIbrahim等[6]研究了高温时效对奥氏体和双相不锈钢焊管焊接接头冲击韧性的影响。但是国内外对于S31803双相不锈钢焊管与低合金高强钢Q345R的焊接性研究却很少涉及。本文针对生产实际，重点研究Q345R与S31803焊接接头的组织形态，并讨论焊接方法对其组织形态的影响，为后续的科研工作和生产实践提供指导。

1试验材料及方法

Q345R、S31803焊接试板的尺寸均为400mm×125mm×10mm，开60°“V”形坡口，间隙和钝边分别为1~2mm。焊前，对坡口两侧30mm范围进行除油、除锈。焊接时，钨极氩弧焊(GTAW)打底，手工电弧焊(SMAW)填满，其中GTAW直流正接，电压11～15V，电流90～130A，焊接速度50～80mm/min，气体流量10～15L/min，SMAW直流反接，电压24～25V，电流110～135A，焊接速度80～120mm/min。焊接过程中，严格控制层间温度在120℃以下，每焊一层都要进行铁素体含量的测定。为减少金属间相的析出和母材Q345R对焊缝金属的稀释作用，采用多层多道焊以减少高温区停留时间。焊后，沿垂直焊接方向截取试样，抛光后，采用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，再采用NaOH溶液电解腐蚀。在Q345R侧熔合区用线切割获得薄片，依次用800目和1000目的砂纸将薄片磨至厚度约40μm；在薄片上冲下直径为3mm的圆片，再在减薄仪上减薄成中间薄边缘厚的穿孔薄片，最后采用JEM-200CX型透射电镜观察试样。采用扫描电镜，对接头Q345R-焊缝(WM)界面处“舌状物”进行元素线扫描分析。

2结果与讨论

2.1焊接方法对Q345R侧组织形态的影响

两种焊接工艺下接头Q345R侧的组织形态如图1所示。由于采用的腐蚀介质为4%的硝酸酒精溶液，故Q345R母材能够被腐蚀，而双相组织的焊缝不能被腐蚀。

根据扩散理论，由于碳的扩散是在多组元体系中进行的，它受到多体系中化学位的制约，即物质总是向化学位低的方向扩散。由于母材Q345R与焊缝金属之间强碳化物形成元素含量和种类差异很大，特别是Cr元素含量的差异，造成在熔合线两侧存在碳的化学势梯度，这种化学势梯度就是碳迁移的驱动力。从图1(a)、(b)中均可观察到明显的碳迁移现象。而比较两者又可以发现，不同的焊接工艺引起的碳迁移又不一样，SMAW接头中的碳迁移程度要小于GTAW接头。分析发现SMAW的热输入大于GTAW，但是受焊接次序的制约，GTAW接头在高温区停留时间比SMAW接头长，高温时，碳原子的活度大，扩散能力强。因此造成了GTAW接头中的碳迁移程度较大。

为深入研究碳迁移区域的组织结构，选取碳迁移程度较大的SMAW试样，在透射电镜下观察该区域。图2(a)是SMAW接头中Q345R侧熔合区在TEM下的组织形貌，此时的组织为铁素体和少量分布在晶界上的碳化物，(b)的衍射花样表明碳化物为Fe3C。(c)、(d)为在更大倍数下观察到的组织，这些碳化物的形状大多为颗粒状,如(c)所示；此外，还有少量短棒状的碳化物在晶界上连接呈团聚状分布，如(d)所示。

2.2焊接方法对S31803侧组织形态的影响

两种焊接工艺下S31803侧过热区的组织形态如图3所示。由于采用了40%的NaOH溶液进行电解腐蚀，故未被腐蚀的相为奥氏体相，在金相照片中呈白色。

对比图3(a)、(b)中奥氏体的形态发现，通过两种工艺获得的焊接接头中的奥氏体均发生了不同程度的长大，其中GTAW接头中熔合区的奥氏体较粗大。分析可知，较长的高温区停留时间，诱发了奥氏体的长大。

2.3焊接方法对焊缝区组织形态的影响

两种焊接工艺下焊缝区的组织形态如图4所示。比较4(a)、(b)可以发现，GTAW接头焊缝区的组织要比SMAW接头中焊缝区的组织粗大，且GTAW接头中奥氏体(白色部分)要明显多于SMAW接头。分析可知，GTAW侧的焊缝在高温区停留时间较长，这有利于诱发组织的粗化。

两种焊缝的化学成分均接近于22%Cr和9%Ni，这种化学成分有利于造成双相组织，高温下焊缝的组织为铁素体(δ-Fe)，伴随温度降低，铁素体逐渐转变为奥氏体，温度到达室温时仍有部分铁素体尚未转变为奥氏体，即得到了双相组织(α-Fe和γ-Fe)[8]。GTAW焊缝在高温区停留时间长，有利于铁素体向奥氏体的转变，故GTAW接头焊缝区的奥氏体含量要高于SMAW接头。

2.4焊接方法对Q345R侧“舌状物”的影响

试验中，在两种焊接方式的焊缝中均观察到了“舌状物”，产生此现象的原因可能是：焊接时，结晶层的形成与基体金属熔化过程中熔化金属的搅拌性质有关系。在形成焊缝时，基体金属不同区段的熔化条件区别很大，首先弧柱的作用条件，彼此差别是很大的，凡是电弧直接作用到的地方，也必然是基体金属与熔敷金属相互搅拌得最剧烈的地方，这里往往可以观察到在焊缝中存在没有熔化的基体金属的“舌状物”。实验中利用元素线扫描，将扫描线跨过“舌状物”，得到“舌状物”区域的元素分析结果，如图5。结果表明“舌状物”区域的元素含量与母材基本相同，可认为“舌状物”是在复杂的焊接条件影响下从Q345R母材脱落的一部分。

3结论

(1) 由于焊接次序引起了高温停留时间的差异，GTAW接头中Q345R侧碳迁移程度比SMAW接头中大，熔合区的Fe3C以颗粒状或琏岛状分布。

(2)S31803侧过热区中奥氏体形态由母材沿轧制方向均匀分布变为无方向性的粗大条状，由于高温停留时间的差异，GTAW接头中S31803侧过热区的奥氏体组织要比SMAW接头中的粗大。

(3)GTAW接头焊缝区的组织比SMAW焊缝中的粗大，奥氏体含量要高于SMAW焊缝，这种现象不仅受到高温停留时间的影响，还受到焊材凝固过程中相转变模式的制约。

(4)SMAW、GTAW接头中Q345R母材侧发现的“舌状物”，是在复杂的焊接条件影响下从母材脱落的一部分。