热输入对SAF2507焊接热影响区组织转变的影响★

王 新，白永杰，刘 洁，李 岩，杨 森，吕孝根

（太原科技大学材料科学与工程学院，山西 太原 030024）

试（实）验研究

热输入对SAF2507焊接热影响区组织转变的影响★

王 新，白永杰，刘 洁，李 岩，杨 森，吕孝根

（太原科技大学材料科学与工程学院，山西 太原 030024）

采用GLEEBLE3800型试验机进行焊接热模拟实验，研究了焊接热输入对SAF2507超级双相不锈钢热影响区（HAZ）组织演变的影响规律。结果表明：随着焊接热输入的增加，焊接HAZ组织中铁素体向奥氏体转变更加充分，奥氏体含量不断增加且变得粗大。热模拟实验可以为制定和调整焊接工艺提供理论参考依据，推荐在实际焊接生产中采用热输入为1～1.5 kJ/mm的焊接工艺。

SAF2507 热模拟 HAZ σ相 热输入

SAF2507超级双相不锈钢是双相不锈钢中耐点蚀当量（Pitting Resistance Equivalent Numbers，PREN）指数大于40的一类钢种，与一般双相不锈钢相比，其碳含量更低、合金元素含量更高，从而具备更加优良的机械性能和耐氯化物腐蚀性［1-2］。因此，在海洋油气田开采、船舶制造业、海水淡化和海底管道铺设等高强度和高耐蚀性需求的领域中发挥着越来越重要的作用［3-5］。然而，在焊接过程中，焊接工艺参数对α相与γ相的组织形貌、两相比例及金属间相的产生有很大影响，进而会影响材料的力学性能和耐腐蚀性能。从国内外的研究来看，焊接热影响区通常是焊接接头中最薄弱的区域，常规的焊接试验方法难以对该狭小区域的组织和性能进行准确的实验评价，而焊接热模拟实验却为研究该区域的组织性能提供了良好的技术手段。近年来，许多研究人员采用热模拟实验机对SAF2205和2304双相不锈钢进行了焊接热模拟研究，深入研究了焊接热模拟工艺对SAF2205和2304双相不锈钢焊接热影响区组织变化和耐腐蚀性的影响［6-11］。然而，目前关于SAF2507超级双相不锈钢该方面的研究还较少［12-13］，因此，通过焊接热模拟实验，探讨焊接热输入对SAF2507超级双相不锈钢模拟焊接热影响区显微组织演变的影响规律。

1 实验材料与方法

母材为太钢生产的固溶态超级双相不锈钢SAF2507，其主要成分如表1所示。焊接热模拟实验依据Rykalin-2D曲线，采用GLEEBLE3800型实验机进行，实验保持初始温度、加热速度及峰值温度Tmax不变，采用单一变量法研究焊接热输入对HAZ组织转变的影响，热模拟试件尺寸选取10mm×10mm×55 mm，实验后采用线切割机切取HAZ试样，尺寸为10 mm×10 mm×10 mm，腐蚀液采用5 g FeCl3+50 mL HCl+100 mLH2O，用KEYENCE VHX-2000超景深光学显微镜观察试样的微观组织，相比例的测定按照《ASTME562用系统人工点计数法测定体积分数的试验方法》测得［14］。

表1 SAF2507的化学成分 %

2 实验结果与分析

下页图1为SAF2507超级双相不锈钢母材的金相组织照片，可以看出，母材由铁素体和奥氏体两相组成，条带状的白色奥氏体被灰色的铁素体基体组织包围着，铁素体相和奥氏体相体积分数大体相当。

下页图2为8种不同热输入下SAF2507的热模拟组织形貌。由图2可以看出，不同参数下的金相组织形态及两相比例差异较大，当热输入较小时（如图2-1、2-2、2-3），焊后冷却速度过快，组织在高温停留时间短，高温铁素体来不及向奥氏体转变就会保留至室温，从而能够保持着母材条带状的形貌；当热输入较大时（如图2-4），高温停留时间相对延长，促进了高温铁素体向奥氏体的转变，同时发现，铁素体晶粒边界开始析出二次奥氏体（γ2）和魏氏体状奥氏体（WA），并向铁素体内部生长；当热输入继续增大时（如图2-5—2-8），合金元素拥有充分的时间进行扩散，二次奥氏体（γ2）和魏氏体状奥氏体（WA）的数量逐渐增多，尺寸也进一步增大，最终相互交集在一起形成网状结构［15］。由此可见，热输入对HAZ的组织形貌有着极其重要的影响。

图1 SAF2507母材的光学显微组织

图2 模拟热影响区在不同热输入下的显微组织

图3为SAF2507超级双相不锈钢热影响区奥氏体含量随热输入变化的示意图。由图3可知，随着热输入的不断增加，奥氏体含量也相应增加。当热输入为0.5 kJ/mm时，高温停留时间较短，一定程度上限制了高温铁素体向奥氏体的大量转变，奥氏体含量（体积分数）约为47.4%；当热输入增加至1.0 kJ/mm时，高温停留时间延长，奥氏体含量（体积分数）增大至49.8%；当热输入增大至1.5 kJ/mm时，奥氏体含量（体积分数）增大至50.7%；继续增大热输入至2.0 kJ/mm时，奥氏体含量（体积分数）增大至52.3%。由此可见，随着热输入的不断增大，间隙元素拥有越来越多的时间进行扩散，促进了奥氏体的进一步形核与长大，使奥氏体含量增多，晶粒逐渐变得粗大，当热输入增加至4.0 kJ/mm时，奥氏体含量（体积分数）增大至57.8%，晶粒尺寸也进一步变大。

图3 超级双相不锈钢SAF2507在不同热输入下的奥氏体含量变化

综上所述，当焊接热输入为1.0～1.5 kJ/mm时，热影响区中的两相体积比例最接近于1∶1，而双相不锈钢的性能主要是靠合适的双相比例和合金元素分配来保证的，所以合理地选择焊接热输入对SAF2507超级双相不锈钢焊接尤其重要。因此，为了保证焊接接头优良的组织和力学性能，建议将实际焊接中的热输入取为1.0～1.5 kJ/mm。

3 结论

1）热输入的提高促进了高温铁素体向奥氏体的转变，二次奥氏体和魏氏体状奥氏体从铁素体晶内和晶界处析出长大，使得奥氏体体积分数从热输入为0.5 kJ/mm时的47.4%增加到4.0 kJ/mm时的57.8%.

2）为了保证焊接接头优良的组织和力学性能，建议将实际焊接中的热输入取为1.0～1.5 kJ/mm。

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（编辑：胡玉香）

The Impact of Heat Input on Structural Transformation of SAF2507 Welding Heat Affected Zone

Wang Xin，Bai Yongjie，Liu Jie，Li Yan，Yang Sen，Lv Xiaogen
（Materials Science and Engineering College of Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan Shanxi 030024）

The welding thermal simulation experiment is conducted by GLEEBLE3800 testing machine.The law of evolution of the impact of the welding heat input on SAF2507 super duplex stainless steel heat affected zone（HAZ）structural transformation are studied.The results show that with the increase of welding heat input welding HAZ organization ferrite transforms to austenite more fully，and austenite content increases and becomes rough.Thermal simulation experiment can provide theoretical reference basis for formulating and adjusting the welding process.Thermal 1～1.5 kJ/mm input in welding process is recommended in the actual welding production.

SAF2507，thermal simulation，HAZ，σ phase，heat input

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2015.06.07

TG142.1

A

1672-1152（2015）06-0018-03

2015-10-08

太原科技大学研究生科技创新项目（20145006）

王新（1988—），男，硕士研究生在读，研究方向：先进不锈钢焊接工艺。