不同焊丝TIG焊SUS316L_15CrMo异种钢接头的显微组织与力学性能.pdf
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1、43MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERINGVol.47No.10Oct.20232023年10 月第47 卷第10 期2023机械工程材料D0l:10.11973/jxgccl202310007不同焊丝TIG焊SUS316L/15CrMo异种钢接头的显微组织与力学性能李亚杰,刘涛,洪磊,洪亮?,黄爱颐(1.江苏理工学院材料工程学院,常州2 130 0 1;2.江苏贝特管件有限责任公司,泰州2 2 550 0;3.江苏省特种设备安全监督检验研究院泰州分院,泰州2 2 559 9)摘要:分别采用ERNiCrMo-3镍基合金焊丝和ER309不锈钢焊丝,通过钨极情性气
2、体保护(T I G)焊工艺对SUS316L不锈钢和15CrMo低合金钢进行异种钢焊接,对比研究了2 种焊接接头的显微组织和力学性能。结果表明:采用ERNiCrMo-3与ER309焊丝所得焊缝的凝固模式分别为奥氏体与奥氏体-铁素体凝固模式,凝固组织分别为完全奥氏体组织与奥氏体-铁素体混合组织;相较于ER309焊丝,使用ERNiCrMo-3焊丝可以抑制15CrMo钢侧焊接过程中的碳元素扩散,获得具有更高抗拉强度和断后伸长率的焊接接头;2 种焊接接头的峰值硬度均出现在15CrMo钢侧的粗晶热影响区,采用ERNiCrMo-3焊丝所得焊缝因存在Laves相,硬度比采用ER309焊丝时高出30HV左右。关
3、键词:镍基合金焊丝;不锈钢焊丝;异种钢焊接;力学性能;显微组织中图分类号:TG422.3文献标志码:A文章编号:10 0 0-37 38(2 0 2 3)10-0 0 43-0 7Microstructure and Mechanical Properties of SUS316L/15CrMo Dissimilar SteelJoint by TIG Welding with Different Welding WiresLI Yajie,LIU Tao,HONG Lei?,HONG Liang,HUANG Aiyi?(1.School of Materials Engineering,Ji
4、angsu University of Technology,Changzhou 213001,China;2.Jiangsu Beite Pipe Fittings Co.,Ltd.,Taizhou 225500,China;3.Taizhou Branch of Jiangsu Special Equipment Safety Supervision and Inspection Institute,Taizhou 225599,China)Abstract:Dissimilar steel welding was carried out on SUS316L stainless stee
5、l and 15CrMo low-alloy steel bytungsten inert gas(TIG)welding with nickel base alloy welding wire ERNiCrMo-3 and stainless steel welding wireER309.The microstructure and mechanical properties of the two welded joints were studied and compared.Theresults show that the solidification modes of the weld
6、s obtained with ERNiCrMo-3 and ER309 welding wires wereaustenitic and austeniteferrite solidification modes,respectively,and the solidification structures were completeaustenitic and mixed austenite-ferrite structures,respectively.Compared with using ER309 welding wire,usingERNiCrMo-3 welding wire c
7、ould inhibit the diffusion of carbon in the welding process on 15CrMo steel side,andobtain a welded joint with higher tensile strength and percentage elongation after fracture.The peak hardness of thetwo welded joints appeared in the coarse-grained heat affected zone on 15CrMo steel side.Due to Lave
8、s phase in theweld obtained with ERNiCrMo-3 welding wire,the hardness was about 30 HV higher than that with ER309 welding wire.Key words:nickel base alloy welding wire;stainless steel welding wire;dissimilar steel welding;mechanicalproperty;microstructure收稿日期:2 0 2 2-0 8-31;修订日期:2 0 2 3-0 8-18基金项目:国
9、家自然科学青年基金资助项目(516 0 10 7 8);江苏省政府留学奖学金项目(JS-2019-322)作者简介:李亚杰(19 9 4一),男,安徽亳州人,硕士研究生导师:刘涛副教授0引言SUS316L奥氏体不锈钢具有良好的塑韧性,较高的抗拉强度以及良好的耐高温酸性介质腐蚀能力,广泛应用于化工制药、航空航天、能源运输、火力44MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING李亚杰,等不同焊丝TIG焊SUS316L/15CrMo异种钢接头的显微组织与力学性能2023机械工程材料发电等领域 1-2 。15CrMo珠光体低合金钢具有良好的蠕变断裂性能、抗高温断裂性能、抗氧化
10、性能和耐腐蚀性能,广泛应用于石油化工、火力发电等领域 3-4。在制造机械设备时,常需要对不同材料制成的部件进行连接,例如锅炉中15CrMo钢集热器与SUS316L钢再热器管的连接 5-6 ,因此异种材料焊接工艺的研究意义重大。15CrMo低合金钢和SUS316L奥氏体不锈钢的异种钢焊接接头已在亚临界火电机组中得到广泛应用。然而,SUS316L钢和15CrMo钢除了化学成分存在差异,物理性能如线膨胀系数、热导率等也存在较大差异 7,这些差异不仅会导致二者焊接时在熔合线附近区域产生脆性金属化合物,还会形成裂纹等焊接缺陷 8-9 。因此,有必要进一步对SUS316L/15CrMo异种钢焊接工艺参数和
11、方法进行研究。焊丝显著影响着焊接接头的抗拉强度、塑韧性以及焊接缺陷的产生,决定着整个焊接接头的质量 6 。选择合适的焊丝,可以有效改善异种钢焊接因材料差异而产生的问题,从而提升接头的力学性能。目前,SUS316L钢和15CrMo钢之间的焊接普遍使用的焊丝是不锈钢焊丝 3。不锈钢焊丝的成分和性能接近于SUS316L钢,但与低合金钢之间存在较大差别,容易产生热裂纹、气孔等焊接缺陷6 因此,有学者开始尝试选用成分介于15CrMo钢和奥氏体不锈钢之间的镍基合金焊丝对2 种钢进行焊接。为了比较2 种焊丝的适用性,作者选用ER309不锈钢焊丝和ERNiCrMo-3镍基合金焊丝,采用钨极惰性气体保护焊(TI
12、G),对SUS316L钢和15CrMo钢进行对接多道焊,对比了2 种焊丝焊接接头的显微组织和力学性能,拟为SUS316L/15CrMo异种钢焊接焊丝的选择提供参考。1试样制备与试验方法1.1试样制备试验用母材为15CrMo珠光体低合金钢板和SUS316L奥氏体不锈钢板,尺寸均为150 mmX75mmX10mm,供货状态为热轧态;焊接材料分别为ERNiCrMo-3镍基合金焊丝和ER309不锈钢焊丝,直径均为2.4mm。母材和焊丝均由江苏贝特管件有限责任公司提供,化学成分如表1所示。根据铬、镍当量计算公式 10 1,得到15CrMo钢和SUS316L钢的铬镍当量比分别为0.9 4,1.6 8;按照
13、30%稀释率计算,采用ER309焊丝和ERNiCrMo-3焊丝形成的焊缝的铬镍当量比分别为1.6 3,0.51。表1母材与焊丝的化学成分Table 1Chemical composition of base metals and welding wires质量分数/%牌号CCrNiMoMnSiCuPNbSFe15CrMo0.131.170.120.450.500.280.060.0040.002余SUS316L0.007616.7710.392.031.110.5130.045 90.02870.0032余ERNiCrMo-30.01222.2364.899.230.370.0910.010.
14、0083.50.001余ER3090.0623.513.70.62.050.340.4余为保证焊接质量,焊前使用角磨机和丙酮去除钢板表面的氧化膜与油渍。钢板开V型坡口(带钝边,尺寸为1.5mm),坡口角度为7 5,根部间隙为1.5mm,使用PrecisionTIG型GTAW焊机进行三层单道对接焊,使用氧-乙炔火焰对钢板进行预热和层间保温,预热和层间保温温度分别为2 0 0,2 50;焊接速度为8 0 9 0 mm?min-1,氩气流量为15L.min-1,焊接电流为145 155A,焊接电压为16.2 V,热输人为0.9 39 1.0 9 6 kJmml。1.2试验方法采用D8Advance型
15、X射线衍射仪(XRD)对焊缝进行物相分析,扫描范围为2 0 10 0 扫描速率为4()min-1。在焊接接头上取样,经打磨、抛光,分别使用质量分数为6%的FeCl3溶液、王水、质量分数为4%的硝酸乙醇溶液对焊缝、热影响区、SUS316L钢母材和15CrMo钢母材腐蚀后,采用OlympusModelBX51型光学显微镜(OM)和Sigma500型扫描电镜(SEM)观察显微组织,采用X-MaxN80型能谱仪(EDS)进行微区成分分析。利用HVS-100B型数显转塔式显微硬度计测试硬度,相邻点之间的距离为0.5mm,加载力为4.9 N,保载时间为13s。采用电火花线切割机以焊缝为中心切取如图1所示的
16、拉伸152059图1拉伸试样的形状和尺寸Fig.1Shape and size of tensile sample45MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING李亚杰,等:不同焊丝TIG焊SUS316L/15CrMo异种钢接头的显微组织与力学性能2023机械工程材料试样,标距为15mm,采用WDW3200型万能拉伸试验机在室温环境下进行拉伸试验,拉伸速度为2mmmin-1,采用Sigma500型扫描电镜观察拉伸断口形貌。2试验结果与讨论2.1显微组织由图2 可见:在采用ERNiCrMo-3焊丝制备的焊接接头中,15CrMo钢侧可以分为焊缝区、熔合区、粗晶热影响区、
17、细晶热影响区、临界热影响区和母材区6 个区域。15CrMo钢母材的显微组织为黑色珠光体与白色铁素体;与焊缝距离较近的粗晶热影响区由于受焊接高温影响较大,形成了脆硬的马氏体和贝氏体组织,组织明显粗化;距离焊缝较远的细晶热影响区在较低的焊接循环热影响下发生回火分解,形成细小的铁素体和粒状贝氏体组织;与母材相邻的临界热影响区受焊接循环热影响较小,只发生部分相变重结晶,形成铁素体和回火索氏体组织,晶粒尺寸与母材相比未发生明显变化。在采用ER309焊丝制备的焊接接头中,在15CrMo钢侧热影响区观察到了类似的显微组织和晶粒尺寸。签合区细品热影区材热影响区20um50um50m(a)低倍形貌(b)母材(c
18、)粗晶热影响区50um50um(d)细晶热影响区(e)临界热影响区图2 买采用ERNiCrMo-3焊丝焊接接头15CrMo钢侧不同区域的OM形貌Fig.2OM morphology of different areas on 15CrMo steel side of welded joint with ERNiCrMo-3 welding wire:(a)low magnificationmorphology;(b)base mateal;(c)coarse-grained heat affected zone;(d)fine-grained heat affected zone and(e)
19、critical heat affected zone由图3可见:在采用ERNiCrMo-3焊丝制备的焊接接头中,SUS316L钢侧可分为焊缝区、热影响区和母材区3个区域。SUS316L钢母材为典型的多边形奥氏体晶粒和退火李晶组织。热影响区的显微组织由长条状铁素体和多边形奥氏体晶粒组成,其宽度在10 0 2 0 0 m,比15CrMo钢侧热影响区(约10 0 0 m)窄,主要原因是SUS316L钢的热导率较低;条状铁素体主要存在于靠近熔合区的热影响区中,其铬、镍元素的含量较高。当熔池边界铬和镍的当量比较高时,在熔池边界处往往会形成铁素体;铁素体的生成可以抑制热影响区的液化开裂 10。在采用ER
20、309焊丝制备的焊接接头中,于316 L钢侧热影响区观察到了相似的显微组织。由图4可知:无论使用ER309焊丝还是ERNiCrMo-3焊丝,在15CrMo钢侧焊接边界区域内的铁、铬、镍、钼元素含量均发生了变化;采用ER309焊丝焊接后,在15CrMo钢侧焊缝的碳含量较热影响区有所增加,而热影响区中的碳含量较离焊缝侧较远的母材有所减少,说明的碳元素向焊缝中发生了迁移;而在采用ERNiCrMo-3焊丝焊接的接头中,15CrMo钢侧焊缝区的碳含量未发生明显变化,说明碳元素未发生迁移。由此可知,采用铬和镍含量较高的ERNiCrMo-3焊丝对SUS316L钢和15CrMo钢进行焊接可以有效抑制15CrM
21、o钢中碳元素向熔池中的迁移。46MATERIALSFOR MECHANICALENGINEERING李亚杰,等:不同焊丝TIG焊SUS316L/15CrMo异种钢接头的显微组织与力学性能2023机械工程材料维SUS316L钢熔合区铁素体热影响区EDS点扫一位置50um20 m(a)OM形貌(b)SEM形貌Fe元素质量分数/%FeFe65.3Cr19.4Ni11.2CrC2.7Mo1.3NiMoNiCNiMoMo05101520能量/keV(c)EDS 分析结果图3采采用ERNiCrMo-3焊丝焊接接头SUS316L钢侧的形貌和EDS分析结果Fig.3 Morphology(a-b)and ED
22、S analysis result(b)on SUS316L steel side of welded joint with ERNiCrMo-3 welding wire:(a)OM morphology and(b)SEM morphology焊缝母材母材焊缝Cr-CYMoMo50 um100mNiNi(a)ER 30 9 焊丝,不同元素线扫描结果(b)ERNiCrMo-3焊丝,不同元素线扫描结果3520母材焊缝1830162514I-S/1-S/122010158106452020040060080002004006008001000距离/um距离/um(c)ER309焊丝,碳元素线扫描
23、结果(d)ERNiCrMo-3焊丝,碳元素线扫描结果图4采用ER309和ERNiCrMo-3焊丝焊接接头15CrMo钢侧的EDS线扫描结果Fig.4 EDS linear scanning results on 15CrMo steel side of joint welded with ER309(a,c)and ERNiCrMo-3(b,d)welding wires:(a-b)linear scanning results of different elements and(c-d)linear scanning results of carbon element由图5可以看出:采用ER
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