曹宇堃，郭 梟，宋 北，姜英龍，李蘇珊，趙松柏

(哈爾濱焊接研究院有限公司，哈爾濱 150028)

0 引言

奧氏體不銹鋼具有足夠的強(qiáng)度、韌性及優(yōu)良的耐腐蝕和抗輻照損傷等特性，廣泛應(yīng)用于石油、石化、核電等行業(yè)中的壓力容器、反應(yīng)器、管道和閥門等關(guān)鍵裝備與部件的制造。焊接作為主要的連接方式，是設(shè)備制造及安裝的關(guān)鍵技術(shù)和重要環(huán)節(jié)[1]。不銹鋼熔敷金屬中存在的δ鐵素體能提高熔敷金屬的強(qiáng)度和抗晶間腐蝕性能，防止焊接熱裂紋產(chǎn)生；但過多的δ鐵素體就會(huì)造成σ相脆化和δ相選擇性腐蝕[2-6]。總體而言，δ鐵素體含量是奧氏體不銹鋼焊材研制和應(yīng)用性能評價(jià)的重要技術(shù)指標(biāo)之一，而精準(zhǔn)、可靠地測量鐵素體含量是開展相關(guān)研究的基礎(chǔ)與保障[7-9]。

常見的不銹鋼熔敷金屬中δ鐵素體含量測量方法有金相法、圖譜法和磁性法。金相法屬于破壞性檢驗(yàn)，通過直接觀察金相試樣中的δ鐵素體來計(jì)算面積比，進(jìn)而推算體積分?jǐn)?shù)，該方法受試樣選取位置及視場選擇的影響較大，若所觀測位置中δ鐵素體含量或形態(tài)分布不均勻，則結(jié)果的重現(xiàn)性和精確度較差。圖譜法通過計(jì)算材料中的鎳當(dāng)量和鉻當(dāng)量，以及對比經(jīng)驗(yàn)圖來間接獲得δ鐵素體含量，目前主流的方法為Schaeffler，Delong圖和WRC-92圖，方法簡單，但所得結(jié)果對合金元素含量測量的準(zhǔn)確性依賴度較高，且實(shí)際合金元素與δ鐵素體含量的關(guān)系并非標(biāo)準(zhǔn)圖示的線性關(guān)系，測量值與實(shí)際值必然存在一定偏差。磁性法通過奧氏體鋼中的δ鐵素體含量與鋼的鐵磁性成正比，采用專門的磁性測量儀可直接在焊件上或者焊縫上讀出鐵素體含量，是目前較為有效、精確度較高、操作簡單快捷的方法，在焊材研制、焊接制造等單位均得到了廣泛應(yīng)用[10]。盡管實(shí)際操作中常用的金相法和磁性法均有相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但目前的標(biāo)準(zhǔn)中未考慮鐵素體的三維形態(tài)是否對于測量結(jié)果有一定影響。本文同時(shí)采用金相法和磁性法，分別對手工電弧焊(SMAW)和鎢極惰性氣體保護(hù)焊(GTAW)兩種焊接工藝下奧氏體不銹鋼熔敷金屬的3個(gè)相互垂直截面進(jìn)行δ鐵素體含量的測量，對比分析不同檢測方法所得數(shù)據(jù)的差異。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

母材采用厚度為15 mm的Q235鋼板。SMAW熔敷金屬試樣選用規(guī)格為?4.0 mm的E308L焊條進(jìn)行制備，GTAW熔敷金屬選用規(guī)格為?2.0 mm的ER308L焊絲進(jìn)行制備。鐵素體含量測量試樣分別采用SMAW，GTAW兩種焊接工藝，并按照GB/T 1954—2008《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測量方法》中要求進(jìn)行制備。兩組熔敷金屬試樣均于平焊位置焊接8層，同時(shí)為避免母材稀釋影響，控制焊接厚度大于20 mm，每道熔敷金屬寬度不大于焊芯直徑的4倍；熔敷金屬頂面尺寸不小于100 mm×20 mm，道間溫度小于100 ℃，采用空冷冷卻。兩種熔敷金屬化學(xué)成分如表1所示。

表1 不銹鋼熔敷金屬成分

從熔敷金屬表面制取鐵素體測量試樣，每種熔敷金屬取3個(gè)試樣進(jìn)行測量，測量面尺寸不小于60 mm×10 mm，考慮到磁性法與金相法試驗(yàn)結(jié)果對比，磁性法測量的試樣體積不大于10 mm3，因此，X，Y面的測量位置應(yīng)控制在距Z面3 mm的范圍內(nèi)。取樣位置及觀察方向如圖1所示。

圖1 鐵素體測量試樣取樣示意

1.2 試驗(yàn)方法

采用光學(xué)顯微鏡和鐵素體測量儀，依據(jù)GB/T 1954—2008對圖1中所示X面(與堆焊方向垂直的熔敷金屬縱截面)、Y面(與堆焊方向平行的熔敷金屬橫截面)及Z面(與母材表面平行且遠(yuǎn)離母材表面一側(cè)的熔敷金屬橫截面)的鐵素體百分含量進(jìn)行測定，由于標(biāo)準(zhǔn)中操作規(guī)程僅針對Z面，故X，Y面在進(jìn)行鐵素體含量測量時(shí)操作方法參考Z面。

圖譜法首先采用熒光光譜儀對試樣表面層進(jìn)行化學(xué)成分分析，按照圖譜法獲得鐵素體含量計(jì)算結(jié)果。

磁性法選用Feritscope FMP30鐵素體含量測定儀，每種熔敷金屬取3個(gè)試樣，對每一個(gè)試樣的測試面選取6個(gè)位置，每個(gè)位置各測5次數(shù)據(jù)，每個(gè)位置的鐵素體含量取5次測量的平均值作為試樣的測試結(jié)果，最終以6個(gè)位置的測試結(jié)果均值作為最終的鐵素體含量結(jié)果。

金相法在頂面熔敷金屬中心部位取樣，每種熔敷金屬取3個(gè)試樣。對垂直于熔敷金屬X,Y,Z三個(gè)方向的觀測面分別進(jìn)行研磨和拋光，制備完成后采用氯化高鐵、鹽酸水溶液進(jìn)行腐蝕，并在金相顯微鏡下觀察試樣表面形貌，放大倍數(shù)選用500倍，在視場內(nèi)用含有100個(gè)分度的直線切割到的鐵素體相對量即為該視場內(nèi)鐵素體的相對含量，每個(gè)試樣選擇10個(gè)有代表性的視場，取其平均值作為該試樣的鐵素體含量。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 圖譜法

采用Delong圖，根據(jù)熔敷金屬的化學(xué)成分，分別折算成鎳當(dāng)量和鉻當(dāng)量，在組織圖中查出熔敷金屬組織的相組織和鐵素體的含量。計(jì)算得出SMAW，GTAW熔敷金屬試驗(yàn)材料中對應(yīng)δ鐵素體含量分別為6.9%和7.9%，如圖2所示，圖中縱坐標(biāo)為Nieq，反映不銹鋼熔敷金屬組織奧氏體化程度；橫坐標(biāo)為Creq，反映熔敷金屬組織的鐵素體化程度[11-12]。

(a)SMAW

2.2 磁性法

Feritscope FMP30鐵素體測定儀是采用磁導(dǎo)率測量原理，用脈沖電流通過帶有鐵磁芯的線圈與試驗(yàn)材料接觸，通過評估試驗(yàn)材料的體積磁響應(yīng)間接讀出某一測點(diǎn)附近的鐵素體體積與總體積的占比。所測得的SMAW，GTAW熔敷金屬X,Y,Z三個(gè)面結(jié)果如圖3所示。由數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，磁性法在試樣3個(gè)方向上所測得的數(shù)據(jù)離散系數(shù)cv均較低，且3個(gè)方向均值差異不大，這表明磁性法的測量結(jié)果主要受測量點(diǎn)位置的影響；由于測量原理為體積法，熔敷金屬中鐵素體的三維形態(tài)及分布位置等因素并未對測量結(jié)果造成較大的影響，盡管在測量過程中被測試樣會(huì)受到化學(xué)成分、晶格常數(shù)、鐵素體組織形態(tài)分布等因素的影響[13-14]，但是在不同的方向測量值偏差不大，在實(shí)際操作中，當(dāng)試樣加工及測量位置的統(tǒng)一性較好時(shí)，結(jié)果的重現(xiàn)性和準(zhǔn)確性也較好。最終測得SMAW熔敷金屬δ鐵素體含量為8.5%，GTAW熔敷金屬δ鐵素體含量為10.2%。

柱狀圖為實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，虛線表示數(shù)據(jù)區(qū)間分布規(guī)律，實(shí)線表示數(shù)據(jù)累計(jì)百分比。

2.3 金相法

金相法所測得SMAW，GTAW熔敷金屬X，Y，Z三個(gè)面結(jié)果見圖4。與磁性法測量結(jié)果相比，金相法在各個(gè)方向上的數(shù)據(jù)離散系數(shù)cv遠(yuǎn)高于磁性法，同時(shí)從金相法測量結(jié)果可看出,兩組熔敷金屬Z面的鐵素體含量數(shù)據(jù)分散系數(shù)cv均低于X，Y面，最終通過金相法測得SMAW熔敷金屬鐵素體平均含量6.7%，GTAW熔敷金屬鐵素體平均含量7.0%。初步分析產(chǎn)生該結(jié)果的原因是焊接熔池凝固過程中鐵素體受溶質(zhì)元素?cái)U(kuò)散速率及母相奧氏體取向的影響較大，導(dǎo)致試樣熔敷金屬中的鐵素體本身三維形態(tài)和在基體中分布的位置并不規(guī)則，從而對測量結(jié)果造成比較大的影響。

柱狀圖為實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，虛線表示數(shù)據(jù)區(qū)間分布規(guī)律，實(shí)線表示數(shù)據(jù)累計(jì)百分比。

由本試驗(yàn)所得測量結(jié)果可以看出，在Z向鐵素體分布要比另外兩個(gè)方向均勻，SMAW，GTAW熔敷金屬X，Y，Z三個(gè)觀察面的金相組織形態(tài)如圖5所示。

圖5 金相組織

由兩種熔敷金屬3個(gè)觀察面的金相組織可以看出,在不同方向上的組織形態(tài)存在明顯差異，X面上鐵素體形態(tài)主要為蠕蟲狀，而在Y,Z面上則呈骨架狀。這是由于焊接過程中溫度場實(shí)時(shí)變化，晶粒雖以柱狀晶的形式生長，但趨勢各不相同，取向與散熱最快方向一致的晶粒會(huì)優(yōu)先長大，其他取向與最快散熱方向不一致的晶粒會(huì)在中途停止生長[15-16]。相關(guān)研究得出[17]，在X方向上由于熔池溫度梯度與熔敷金屬中心對稱面平行，所以金相組織柱狀晶特征明顯；在熔敷金屬的厚度方向，由于熔池的輪廓與此方向并不平行，熔敷金屬內(nèi)的柱狀晶生長方向與熔敷金屬層存在著一定的夾角，因此在Z方向的切面上無法呈現(xiàn)出柱狀晶的形態(tài)。

由以上現(xiàn)象可以看出，由于不銹鋼熔敷金屬的組織形態(tài)因焊接擾動(dòng)和過程因素的影響，凝固態(tài)的熔敷金屬組織中鐵素體形態(tài)通常為各向異性，金相法在各個(gè)視場內(nèi)δ鐵素體分布及形態(tài)不均勻，結(jié)果受所取試樣和選取視場的位置影響較大，應(yīng)綜合考慮放大倍數(shù)、視場位置，選擇合適的測量方法以減少該方法中的不利影響，提高測量結(jié)果的可信度。除此之外，由于受視場選取及取樣位置等因素的影響，由面積比累計(jì)的鐵素體含量結(jié)果無法完全還原鐵素體在基體中的真實(shí)占比，所以金相法所得的結(jié)果普遍小于磁性法。

3 結(jié)論

(1)通過磁性法測得的鐵素體試樣3個(gè)方向數(shù)據(jù)離散系數(shù)cv值均遠(yuǎn)小于金相法所測得數(shù)據(jù)。金相法所測得試樣Z面的數(shù)據(jù)分散系數(shù)cv均低于X面和Y面。針對同一試樣三種方法數(shù)據(jù)存在一定差異，金相法和圖譜法所得的結(jié)果普遍小于磁性法。

(2)奧氏體不銹鋼熔敷金屬屬于各向異性的組織，由于測量原理為體積法，磁性法結(jié)果受測量方向的影響較小，具有同一位置所測得的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高、結(jié)果區(qū)間分布相對均勻的優(yōu)勢，對奧氏體不銹鋼熔敷金屬鐵素體含量能夠進(jìn)行相對精確測量且便于現(xiàn)場檢測，推薦用于實(shí)際工程操作。

(3)金相法由于測量原理為δ鐵素體占總體面積比，受熔敷金屬組織中鐵素體形態(tài)及分布特征影響較大，所取試樣和選取視場的位置對結(jié)果影響較大，應(yīng)綜合考慮放大倍數(shù)、視場位置，以減少該方法中的不利影響，提高測量結(jié)果的可信度。