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.pdf
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1、67MATERIALS FORMECHANICAL ENGINEERINGVol.47No.7Jul.20232023年7 月第47 卷第7 期2023机械工程材料D0I:10.11973/jxgccl202307011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王保军,白露,陈龙,2,沈鑫珺(1.苏州大学沙钢钢铁学院,苏州2 1513 1;2.西南林业大学机械与交通学院,昆明6 50 0 0 0)摘要: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(8 0 0 1100)和不同保温时间(0 18 0 s)的焊后热处理,研究了焊后热处理对焊缝显
2、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10 0 0 110 0 下保温0 18 0 s后焊缝中的奥氏体体积分数均超过3 0%,热处理温度为10 7 5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10 7 5,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18 0 s时,自腐蚀电位提高,腐蚀倾向降低。关键词:S32101双相不锈钢;激光焊;热处理;显微硬度;耐腐蚀性能中图分类号:TG161文献标志码:A文章编号:1
3、0 0 0-3 7 3 8(2 0 2 3)0 7-0 0 6 7-0 5Effect of Short Time Post-Weld Heat Treatment on Microstructure andProperties of S32101 Duplex Stainless Steel Plate Laser WeldingWANG Baojun,BAI Lu,CHEN Longl-2,SHEN Xinjun(1.School of Iron and Steel,Soochow University,Suzhou 215131,China;2.School of Machinery a
4、nd Transportation,Southwest Forestry University,Kunming 650000,China)Abstract:S32101 duplex stainless steel plate with a thickness of 6.5 mm was welded by laser welding.Thepost-weld heat treatment at different temperatures(800-1 100 C)and different holding time(0-180 s)wascarried out.The effects of
5、post-weld heat treatment on the microstructure and properties of the weld were studied.The results show that the austenite content in the weld after heat treatment was higher than that of as-welded weld,its content increased with the extension of holding time,and increased first and then decreased w
6、ith the increase ofheat treatment temperature.The austenite volume fraction was more than 30%after the weld was held at 1 000-1 100 C for O-180 s,and the austenite volume fraction was the highest when the heat treatment temperature was1 075 C.The average microhardness of the weld after heat treatmen
7、t was lower than that of the as-welded weld andsimilar to that of the base metal.When the heat treatment temperature was 1 o75 C,and the holding time was O,the free-corrosion potential of the weld was similar to that of the as-welded weld.When the holding time wasextended to 18o s,the free-corrosion
8、 potential increased,and the corrosion tendency decreased.Key words:S32101 duplex stainless steel;laser welding;heat treatment;microhardness;corrosion resistance0引言收稿日期:2 0 2 2-0 5-0 5;修订日期:2 0 2 3-0 5-16基金项目:苏州大学第二十四批大学生课外学术科研基金资助项目(K Y2 0 2 2 0 0 96 A);苏州大学优秀青年学者学术启动经费资助项目(NH14400222)作者简介:王保军(1997
9、 一),男,江苏连云港人,硕士研究生通信作者(导师):沈鑫珺副教授为实现“碳达峰”和“碳中和”,同时满足生产和生活对能源的需求,核能作为一种高效率的清洁能源逐渐受到重视。鉴于核能可能出现的高危险性,核电设备所用材料的性能要求极高。节镍型S32101双相不锈钢具有良好的力学性能和耐腐蚀68MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING王保军,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机械工程材料性能,相较于传统的3 16 L、2 2 0 5等不锈钢,其镍元素含量少,生产成本低-2 ,在第三代核电站的建设中得到广泛应用。焊接是材料在各种工程应用
10、中不可或缺的加工工艺,其中激光焊具有自动化程度高和效率高等优点,在工程制造领域中应用广泛。但激光焊的能量输人低、冷却速率快,铁素体向奥氏体转变不充分,导致焊缝中奥氏体含量偏低 3-4,铁素体与奥氏体相比例失衡,且会析出CrzN有害相,严重影响焊接接头的耐腐蚀性能 5焊后热处理是提高双相不锈钢焊缝中奥氏体含量并消除有害析出相的有效方法 L6-7。YA NG 等 8 研究发现,厚度为1.5mm的UNSS31803双相不锈钢板激光焊焊缝经10 8 0 热处理3 min后,耐点蚀性能得到改善。王维东等 9研究发现,厚度为3mm的2 2 0 5双相不锈钢板激光焊焊缝经10 50 热处理5min后,可获得
11、合适的铁素体与奥氏体相比例。但已有研究中焊后热处理时间过长,通常大于10 min,甚至达到2 h,不利于生产效率的提高和成本的降低。张志强等 10 1研究认为,双相不锈钢焊缝经短时间热处理后可以满足奥氏体体积分数大于30%的使用要求。但目前有关中厚双相不锈钢板激光焊接头的短时间焊后热处理的研究还较少。因此,作者以厚度为6.5mm的S32101双相不锈钢板为研究对象,对其进行激光对接焊,并对焊接接头进行不同温度和保温时间下的短时间热处理,研究了焊后热处理温度和保温时间对焊缝显微组织和性能的影响,拟为短时间焊后热处理的工程应用提供数据支撑。1试样制备与试验方法1.1试样制备试验材料为固溶态S321
12、01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0.0 2 C,2 1.6 4C r,1.42 Ni,0.19 N,0.52Si,5.21Mn,0.13 Cu,0.16 M o,余Fe。在不锈钢板上取尺寸为16 0 mm75mm6.5mm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3 kW,焊接速度为50 cmmin-1,离焦量为一2 mm,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
13、中心垂直焊接方向取尺寸为10 mmX8mmX6.5mm的待热处理试样。激光器夹具Ar不锈钢板ND焊接方向TDRD图1激光焊接平台示意Fig.1Schematic of laser welding platform使用JMatPro软件计算S32101双相不锈钢相图,可知当温度为8 0 0 110 0 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 11-12 得到。根据相图和计算结果制定焊后热处理工艺如下:使用KSL-1200型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
14、间分别为16 7,141,12 9,12 7,122,12 9,114,10 8 s,保温时间分别为0,3 0,6 0,180s,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Beharall腐蚀液(10 0 mL H,O+20 mL HCl+1 gK,S,O,)腐蚀约2 5s后,使用MR3000型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MH-500型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10 s,每隔10 0 m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
15、用VersaSTAT3F型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NaCI溶液,电压在一1.51.5V,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16.3 2%。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69MATERIALSFOR MECHANICAL ENGINEERING王保军,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2023机械工
16、程材料体(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 13 GBA10um图2 焊态焊缝的显微组织Fig.2Microstructure of as-welded weld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10 0 0 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10 50 时,魏氏奥氏体长大粗化,同时晶内奥氏体持续析出 14,奥氏体数量增多;当温度继续升高至110 0 时,部分魏氏奥氏体转变成铁素体。在
17、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。GBAWAGBAIGAWAIGAIGAWAWA20m20um20umGBA20um(a)950,0(b)1 000,0(c)1 050,0(d)1 100,0GBAGBAWAWAGBAWAIGAIGAIGAWAGBA20um20um20m20um(e)950,6 0 s(f)1 000,6 0 s(g)1 050,6 0 s(h)1 100,6 0 sGBAGBAWAIGAWAIGAWAWAGBAGBAIGA20m20 m20um20um(i)950,18 0 s(Gj)1000,18 0 s(k)10
18、50,18 0 s(1)1 100,18 0 s图3不同焊后热处理工艺下焊缝的显微组织Fig.3Microstructure of weld under different post-weld heat treatment processes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90 3 时,焊缝中的CrzN相会快速重溶,促进奥氏体的形成 15。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10 7 5时达到最大。随着温度的升高,奥
19、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10 0 0 1100下保温0 18 0 s后,均可获得超过3 0%的奥氏体组织,满足双相不锈钢对相比例的要求 10 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2 53.4,2 43.4HV,焊缝的平均显微硬度高于70MATERIALS FOR MECHANICAL
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