短时间焊后热处理对S32101双相不锈钢板激光焊焊缝组织和性能的影响
短时间焊后热处理对S32101双相不锈钢板激光焊焊缝组织和性能的影响
jxgccl
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引用本文：
王保军，白露，陈龙，等. 短时间焊后热处理对S32101双相不锈钢板激光焊 焊缝组织和性能的影响 [J].机械工程材料，2023，47（7）：67-71.
Wang B J, Bai L, Chen L, et al. Effect of Short Time Post-Weld Heat Treatment on Microstructure and Properties of S32101 Duplex Stainless Steel Plate Laser Welding , 2023, 47（7）: 67-71.
DOI:10.11973/jxgccl202307011
对厚度为6.5mm的S32101双相不锈钢板进行激光焊接，并进行不同温度(800~ 1100℃)和不同保温时间(0~180s)的焊后热处理，研究了焊后热处理对焊缝显微组织和性能的 影响。结果表明：热处理后焊缝中奥氏体含量高于焊态焊缝，并且其含量随保温时间的延长整体呈 增大的趋势，随热处理温度的升高整体呈先增大后减小的趋势；在1000~1100℃下保温0~180s 后焊缝中的奥氏体体积分数均超过30%，热处理温度为1075℃时奥氏体体积分数最高；热处理后 焊缝的平均显微硬度低于焊态焊缝，与母材相近；在热处理温度为1075℃，保温时间为0下，焊缝 的自腐蚀电位与焊态焊缝相近，当保温时间延长至180s时，自腐蚀电位提高，腐蚀倾向降低。
1 试样制备与试验方法
1.1 试样制备
试验材料为固溶态S32101双相不锈钢板，厚 度为6.5mm，由太原钢铁集团提供，其化学成分(质 量分 数/%)为 0.02C，21.64Cr，1.42Ni，0.19N， 0.52Si，5.21Mn，0.13Cu，0.16Mo，余Fe。在不锈钢 板上取尺寸为160mm×75mm×6.5mm的待焊试 样，长边方向平行于轧件的横向(TD)，短边方向平行 于轧制方向(RD)，对其待焊面进行打磨和清洗。使 用如图1(图中ND为轧制面法向)所示的激光焊接平 台进行激光对接焊，不开坡口，焊接功率为3kW，焊 接速度为50cm·min -1 ，离焦量为-2mm，纯氩气保 护，焊接方向沿待焊试样长边方向(平行于TD)。焊 接完成后，以焊缝为中心垂直焊接方向取尺寸为 10mm×8mm×6.5mm的待热处理试样。
使用JMatPro软件计算S32101双相不锈钢相 图，可知当温度为800~1100℃时，不锈钢中奥氏 体体积分数较高。使用COMSOL有限元分析软件 计算升温时间，材料相关参数由文献得到。 根据相图和计算结果制定焊后热处理工艺如下：使 用马弗炉将待热处理试样分别加热至 800，900，950，1000，1025，1050，1075，1100℃， 升至对应温度的时 间分别为167，141，129，127， 122，129，114，108s，保温时间分别为0，30，60， 180s，水淬至室温。
1.2 试验方法
热处理前后的接头试样经研磨、抛光，用 BeharaⅡ腐蚀液(100mLH 2 O+20mLHCl+1gK 2 S 2 O 5 )腐蚀约25s后，使用光学显微镜观察焊缝区显微组织，使用Image-ProPlus软件统计焊缝中各相含量。使用维氏硬度计对焊缝和母材进行硬度测试，载荷为4.9N，保载时间为10s，每隔100μm测1个点，分别测18，17个点取平均值。由于激光焊热影响区极小，因此未对热影响区进行硬度测试。使用电化学系统进行电化学试验，采用三电极体系，参比电极为甘汞电极，辅助电极为铂电极，工作电极为接头试样,试验介质为质量分数3.5%的NaCl溶液，电压在-1.5~1.5V，扫描速率为1mV·s -1 。
2 试验结果与讨论
2.1 对显微组织的影响
由图2可见，焊态焊缝的显微组织以铁素体为 主，奥氏体体积分数约为16.32%。这是因为激光 焊能量输入较低且冷却速率较快，铁素体向奥氏体 转变不充分。焊缝中少量的奥氏体主要以晶界奥氏 体(GBA)的形式存在，这是因为晶界处具有更高的 自由能，有利于奥氏体的优先形核。
图3中亮白色相为奥氏体相，暗灰色相为铁素 体相。由图3可见，与焊态焊缝相比，不同条件热处 理后的焊缝中均形成了魏氏奥氏体(MA)。当热处 理温度升高到1000℃及以上时，焊缝中除了存在 晶界奥氏体外，还出现了晶内奥氏体(IGA)。当温 度由950℃升高至1050 ℃时，魏氏奥氏体长大粗 化，同时晶内奥氏体持续析出，奥氏体数量增多； 当温度继续升高至1100℃时，部分魏氏奥氏体转 变成铁素体。在同一热处理温度下，随着保温时间 的延长，焊缝中的晶界奥氏体、晶内奥氏体和魏氏奥 氏体均发生长大。
由图4可见，不同条件热处理后焊缝中的奥氏 体含量均高于焊态焊缝。这是因为焊态焊缝中奥氏 体体积分数远低于平衡态，热处理会促进铁素体向 奥氏体的转变；此外，当热处理温度超过903℃时， 焊缝中的Cr 2 N相会快速重溶，促进奥氏体的形 成。随热处理温度升高，焊缝中奥氏体体积分数 整体上呈现增大后减小的变化趋势，当热处理温度 在1075℃时达到最大。随着温度的升高，奥氏体 长大并且形成新生奥氏体，奥氏体体积分数增加，而 当温度过高时，部分魏氏奥氏体发生分解，导致奥氏 体体积分数减小。随着保温时间的延长，焊缝中奥 氏体体积分数整体呈增大的变化趋势，当热处理温 度为950℃时，保温时间对焊缝中奥氏体体积分数 影响最为显著。这是因为在此温度下延长保温时间 后，魏氏奥氏体发生明显生长。焊缝在1000~ 1100℃下保温0~180s后，均可获得超过30%的 奥氏体组织，满足双相不锈钢对相比例的要求。
2.2 对显微硬度的影响
未焊后热处理时，焊缝和母材的平均显微硬度 分别为253.4，243.4HV，焊缝的平均显微硬度高于 母材。这是因为一方面焊态焊缝的显微组织以铁素 体为主，且铁素体的硬度高于奥氏体；另一方面 焊接过程中杂质的掺入也会导致焊态焊缝硬度增 加。由表1可见，不同焊后热处理工艺下焊缝的 显微硬度均低于焊态焊缝，且与母材相近。这是因 为热处理后焊缝中形成了更多的奥氏体，导致了硬 度下降。
表1 不同焊后热处理工艺下焊缝和母材的平均显微硬度
2.3 对耐腐蚀性能的影响
由前文可知，当热处理温度为1075℃时，焊缝 中奥氏体体积分数最高，有望获得最为优异的耐腐 蚀性能，因此取1075℃下焊缝的极化曲线进行分 析。由图5可见：在1075℃以及保温时间为0条 件下，焊缝的自腐蚀电位为-498mV，与焊态焊缝 的-494mV相近，说明二者的腐蚀倾向相近；延长 保温时间至180s时，焊缝的自腐蚀电位提高至 -203mV，腐蚀倾向降低。这可能是因为由热处理 产生的二次奥氏体(γ 2 )是通过不稳定的铁素体转变 而来，相较于焊接过程中形成的一次奥氏体，二次奥 氏体中铬、钼、氮等元素含量较低，因此容易发生腐 蚀；随着保温时间的延长，铬、钼、氮元素充分扩散至 二次奥氏体中，因此耐腐蚀性能提高。
3 结论
(1)S32101双相不锈钢激光焊焊缝中奥氏体 体积分数随热处理温度的升高整体上呈先增大后减 小的趋势，随保温时间的延长整体上呈增大的趋势； 在1000~1100℃下保温0~180s后焊缝中的奥 氏体体积分数均超过 30%，当热处理温度为 1075℃时焊缝中奥氏体体积分数最高。
(2)不同条件热处理后焊缝的平均显微硬度低 于焊态焊缝，且与母材相近。
(3)在热处理温度为1075℃下，当保温时间为 0时，焊缝的自腐蚀电位与焊态焊缝相近；当保温时 间延长至180s时，自腐蚀电位提高，腐蚀倾向降低。