0.   引言

能源是社會經濟增長和發展的基礎,為了經濟的可持續發展,國家大力發展水電、核電等行業。新建的水電站中800~1 000 MW級特大型水電機組轉輪主要由上冠、下環和葉片組焊而成,在運轉過程中要承受幾十至幾百米高水流沖擊和泥沙的沖蝕,因此對接頭性能要求非常嚴格[1-3]。用作水輪機轉輪的材料主要為0Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼[4-6],常用的焊接工藝包括電弧焊、氣體保護焊、鎢極氣體保護焊和激光焊等[7]。目前,有關0Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼鑄造和熱處理工藝的研究很多[8-10],但對其焊接工藝的研究卻較少,相關研究也主要集中在選擇合適的焊接材料以獲得與0Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼相匹配的化學成分和力學性能、焊接結構的設計以及焊接接頭的應力腐蝕行為等方面[11-12]。0Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼在實際工程應用中會出現較多的焊接問題,如焊接接頭脆化和微裂紋等,導致產品返修量增大、生產成本提高[13]。焊接工藝參數會影響焊接接頭的質量和性能,其研究有著重要的意義。焊接熱輸入則是綜合焊接電流、焊接速度、電弧電壓的一種參數,對焊接接頭組織與性能有重要影響。因此,作者對中厚0Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼板進行多層多道電弧焊,研究了不同焊接熱輸入下焊接接頭的顯微組織及力學性能,以期為該材料的水電機組關鍵部位焊接工藝參數制定提供技術參考。 

1.   試樣制備與試驗方法

試驗用母材為尺寸300 mm×150 mm×20 mm的0Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼板,處理工藝為鍛造→二次正火（1 040 ℃+1 010 ℃）→二次回火（620 ℃+600 ℃）；顯微組織如圖1所示,為回火馬氏體和少量δ鐵素體,其抗拉強度和屈服強度分別為780,580 MPa。焊接材料選用E410NiMo-15焊條,焊條直徑為4.0 mm,其抗拉強度和屈服強度分別為850,620 MPa。母材及焊接材料的化學成分如表1所示。采用IGBT型逆變式直流弧焊機對試驗鋼板進行多層多道焊,接頭所開坡口形式為V形坡口,坡口角度為60°,采用單面焊雙面成型,具體的焊接方法如圖2所示,基板預熱溫度為140 ℃,層間溫度為200 ℃,焊接電壓為25~27 V,焊接電流為150,160,170 A,焊接速度為14~18 cm·min−1,參考文獻[14]計算得到的焊接熱輸入分別為9,13,17 kJ·cm−1。 

圖  1  0Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼的顯微組織

Figure  1.  Microstructure of 0Cr13Ni4Mo martensitic stainless steel

圖  2  焊接方法示意

Figure  2.  Schematic of welding method

焊接完成后,在焊接接頭焊縫和熱影響區取樣,經磨拋,用100 mL三氯化鐵鹽酸溶液（40 mL濃鹽酸、10 g三氯化鐵和蒸餾水組成）腐蝕后,采用SK-2009型倒置式光學顯微鏡觀察顯微組織。采用DX-2500型X射線衍射儀（XRD）對焊縫和熱影響區的物相組成進行分析,采用銅靶,Kα射線,工作電壓為30 kV,工作電流為10 mA,掃描范圍為20°~90°,掃描速率為0.01 （°）·s−1。采用HVS-1000型維氏顯微硬度計測焊接接頭的硬度,載荷為4.903 N,保載時間為20 s,測試位置為焊縫、熱影響區及母材,測試間距為0.5 mm。按照GB/T 2650—2008,在焊接接頭上沿焊接方向截取標準V型缺口沖擊試樣,缺口位于焊縫中心,缺口方向垂直于焊縫表面,在PTM2302型沖擊試驗機上進行常溫（22 ℃）沖擊試驗。按照GB/T 2651—2008,以焊縫為中心沿焊接方向截取如圖3所示的拉伸試樣,采用SHT4305型萬能拉伸試驗機進行室溫拉伸試驗,拉伸速度為5 mm·min−1,測4次取平均值。 

圖  3  拉伸試樣尺寸

Figure  3.  Size of tensile sample

2.   試驗結果與討論

2.1   顯微組織

由圖4可知,當焊接熱輸入為9 kJ·cm−1時,焊縫和熱影響區組織均為板條馬氏體、少量δ鐵素體和殘余奧氏體,且組織均比母材細小。母材與焊接材料中較高含量的鉻、鉬等合金元素使得δ相區右移,γ-Fe相區左移,奧氏體相區縮小,焊接時組織在高溫停留時間較短,冷卻速率太快,高溫δ鐵素體來不及向奧氏體轉變從而保留至室溫組織中[15]。當焊接熱輸入為13 kJ·cm−1時,焊縫和熱影響區的組織均為板條馬氏體、少量δ鐵素體和殘余奧氏體,相比焊接熱輸入為9 kJ·cm−1的組織略顯粗大。當焊接熱輸入為17 kJ·cm−1時,焊縫組織為粗大的馬氏體柱狀晶、少量δ鐵素體和殘余奧氏體,熱影響區組織為板條馬氏體、殘余奧氏體和δ鐵素體,馬氏體呈條束狀,但組織致密性較差。3種焊接熱輸入下焊縫的板條馬氏體組織比熱影響區細小,但二者均比母材細小,且焊縫和熱影響區中都存在少量δ鐵素體。隨著焊接熱輸入的增大,焊接接頭焊縫和熱影響區的板條馬氏體組織變粗大,δ鐵素體含量增多。熱輸入的增大會加速原子的擴散速率而促進相變,奧氏體向δ鐵素體轉變的動力學增強,從而導致δ鐵素體含量增加；同時較大的熱輸入也為δ鐵素體的形成提供了更多的時間,因此保留至室溫的δ鐵素體增多[16]。 

圖  4  不同焊接熱輸入下焊接接頭不同區域的顯微組織

Figure  4.  Microstructures of different areas of welded joints under different welding heat inputs: (a–c) weld and (d–f) heat affected zone

由圖5可知,不同焊接熱輸入下焊接接頭焊縫和熱影響區均會出現α相（110）、（200）、（211）晶面衍射峰,且衍射峰尖銳,表明晶粒細小。焊縫和熱影響區相同晶面指數的衍射峰強度稍有差異,這可能是因為在焊接過程中熱循環不同導致晶粒大小的不均勻以及晶粒間織構類型和密度的不同[17]。隨著焊接熱輸入的增大,焊縫的衍射峰半高寬增大,熱影響區的衍射峰半高寬變化較小,可知隨著焊接熱輸入的增大,焊縫晶粒尺寸增大,而熱影響區晶粒尺寸受焊接熱輸入的影響較小。 

圖  5  不同焊接熱輸入下焊接接頭不同區域的XRD譜

Figure  5.  XRD spectra of different regions of welded joints under different welding heat inputs: (a) weld and (b) heat affected zone

2.2   力學性能

當焊接熱輸入為9,13,17 kJ·cm−1時,焊接接頭的抗拉強度分別為811,810,815 MPa,屈服強度分別為601,602,600 MPa,均高于母材且符合項目規定（抗拉強度不低于780 MPa,屈服強度不低于580 MPa）,屈強比均小于0.9,接頭的拉伸性能良好。拉伸試樣斷裂位置均為母材,這是由于焊縫的板條馬氏體組織相對細小,抗拉強度高于母材。當焊接熱輸入為9,13,17 kJ·cm−1時,焊接接頭的沖擊吸收能量分別為44,42,36 J,隨著焊接熱輸入增大而減小,這是由于隨著焊接熱輸入的增大,焊縫的組織變粗大,δ鐵素體含量增多所致。 

由圖6可見,隨著距焊縫中心距離的增大,不同焊接熱輸入下焊接接頭的硬度基本呈先增大后減小的趨勢,硬度在熔合線附近達到最大值,這是因為靠近熔合線的完全淬火區為過熱區,在焊接過程中大量合金元素溶入奧氏體中形成硬度較高的馬氏體[15]。不同焊接熱輸入下焊縫、熱影響區和母材的平均硬度分別為320,305,290 HV。焊縫的板條馬氏體組織比熱影響區和母材細小,因此其硬度較高。隨著焊接熱輸入的增加,焊縫和熱影響區的硬度均略微降低。隨著焊接熱輸入的增大,焊縫和熱影響區的組織變粗大,因此硬度降低。由于母材和焊接材料的碳含量低,而決定馬氏體硬度的因素主要為馬氏體的碳含量,因此不同焊接熱輸入下的焊接接頭硬度整體偏低。 

圖  6  不同焊接熱輸入下焊接接頭的硬度分布曲線

Figure  6.  Distribution curves of hardness of welded joints under different welding heat inputs

2.3   沖擊斷口形貌

由圖7可見,在不同焊接熱輸入下沖擊斷口均由少量深的大型韌窩[18-19]和大量小型等軸韌窩構成,呈典型的韌性斷裂特征,說明焊縫具有良好的韌性。相較于17 kJ·cm−1焊接熱輸入下的沖擊斷口,焊接熱輸入為9,13 kJ·cm−1下沖擊斷口中的韌窩尺寸略大且均勻,且17 kJ·cm−1焊接熱輸入下韌窩內部有少量夾雜物,因此焊接熱輸入為9,13 kJ·cm−1下焊接接頭的沖擊吸收能量更高,沖擊韌性更好。韌窩的形成主要與焊縫的微觀結構有關,雖然不同焊接熱輸入下焊縫的晶粒尺寸和分布不同,但其組織主要由細小的板條馬氏體組成,這些細小且均勻分布的板條馬氏體能夠提高材料的塑性和韌性,從而發生微孔聚集型斷裂而形成韌窩。 

圖  7  不同焊接熱輸入下焊接接頭的沖擊斷口微觀形貌

Figure  7.  Impact fracture micromorphology of welded joints under different welding heat inputs: (a–c) at low magnification and (d–f) at high magnification

3.   結論

（1）0Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼焊接接頭焊縫和熱影響區的組織均為板條馬氏體、少量δ鐵素體和殘余奧氏體。焊縫中的板條馬氏體組織比熱影響區細小,二者均比母材細小。隨著焊接熱輸入的增大,焊縫和熱影響區的板條馬氏體組織變粗大,δ鐵素體含量增多。 

（2）不同焊接熱輸入下焊接接頭的抗拉強度和屈服強度分別約為810,600 MPa,均高于母材且符合項目規定,屈強比均小于0.9,接頭的拉伸性能良好,在拉伸后均在母材處斷裂。隨著焊接熱輸入增大,沖擊吸收能量減小,焊接熱輸入為9,13 kJ·cm−1下沖擊斷口中的韌窩尺寸略大且均勻,沖擊韌性更好。不同焊接熱輸入下焊縫的硬度在310~340 HV,其平均硬度高于熱影響區和母材,隨著焊接熱輸入的增加,焊縫和熱影響區的硬度均略微降低。

文章來源——材料與測試網