熔焊过程中施加的磁场对2205双相不锈钢接头疲劳损伤的影响

本文研究了在2205双相不锈钢焊接过程中施加3mT电磁场(EMF)对焊接试样在高周疲劳(HCF)和超高周疲劳(VHCF)条件下抗疲劳损伤性能的影响。

研究了在2205双相不锈钢焊接过程中施加3 mT电磁场(EMF)对焊接试样在高周疲劳(HCF)和超高周疲劳(VHCF)条件下抗疲劳损伤性能的影响。气体电弧焊时,电势的作用可使焊缝中铁素体晶粒细化,热影响区再生奥氏体体积分数高,焊缝中柱状晶粒变小。热循环过程中组织演化的改善增加了组织屏障数量,阻碍了组织短裂纹的形核和生长。

双相不锈钢(DSS)是一种铁基合金,其显微组织由奥氏体和铁素体相组成。该合金结合了奥氏体和铁素体不锈钢的优良工程性能,如良好的韧性,高抗疲劳损伤和高抗拉强度。良好的可焊接性和适当的成形性也是DSS的重要优点,它们具有优异的抗应力腐蚀开裂、局部腐蚀和一般腐蚀能力。DSS经常用于石油、造纸、一般化学工程和能源发电行业的结构和部件,作为奥氏体和铁素体不锈钢的替代材料,因为它们具有优越的机械强度和优异的耐腐蚀性,主要是应力腐蚀开裂和腐蚀疲劳开裂会对基础设施构成威胁。

用双相合金建造设备和工程结构,经常需要零件的焊接连接。虽然熔焊是一个受控和标准化的过程,但由于热循环,DSS经历了严重的组织转变,影响了高温热影响区(HTHAZ)和焊缝金属(WM)中的相分布和平衡。有害相的相变和析出影响了合金的机械性能和耐局部腐蚀性能。热循环促进了铁素体相(δ)的晶粒长大,这是由于在HTHAZ中奥氏体相(γ)的全部或部分溶解。σ相等有害相沿δ/γ界面成核并生长为δ相,降低了合金的韧性和局部腐蚀能力。CrN也是一种金属间相,它在δ相晶粒内部以及δ-δ和δ-γ晶界中析出,降低了DSS的断裂韧性。在600-950 °C的温度范围内,金属间相的析出导致韧性的大量损失,由于变形能力有限,降低了抗疲劳损伤的能力。因此,为了确定焊接DSS结构的实际性能,必须深入了解δ-γ平衡、织构、局部取向错误和晶粒形态与机械性能之间的关系。虽然焊后热处理是一种技术选择,用来溶解这些有害的相和减少残余应力,但这种方法因为昂贵、耗时和难以执行大型结构而不实用。

根据Curiel等的报道,在304不锈钢熔焊过程中应用小强度外部电势可以提高热影响区的耐局部腐蚀能力。采用类似方法连接AISI 2205 DSS表明,在GMA焊接过程中施加3 mT的外电势,促进了γ和δ相的平衡体积分数,并通过限制δ相晶粒粗化阻碍了富cr相的析出。允许较高的γ相再生,提高了抗晶间腐蚀和点蚀。在凝固过程中,电磁搅拌(EMS)抑制了柱状晶的生长,晶粒细化,促进了γ相的形成。实验中观察到,由于母材(BM)的较大溶解,HTHAZ区域的尺寸减小。本文还报道了3 mT电动势辅助熔焊的屈服应力、维氏显微硬度和夏比冲击韧性与常规焊接的DSS试样相比有较大的提高。在拉伸试验中,WM是优先失效区,而HTHAZ是最容易局部腐蚀的区域,无论焊接条件如何。维氏硬度测试结果表明,WM是接头的最硬区域,符合接头冲击断裂韧性和延性较低的特点。微观结构演变,在γ相体积分数、二次相沉淀和晶粒细化方面,对DSS的平均延展性、断裂韧性和抗局部腐蚀能力有显著影响。

焊接态金属的光学显微照片。(a)母材,(b)熔合线附近的WM,(c)WM中心(IGA晶内奥氏体,WA,魏氏奥氏体;GBA,晶界奥氏体),(d)热影响区(热影响区显示在熔合线之间)。

上图(a)显示了由奥氏体和铁素体组成的母材的光学显微组织。白色为奥氏体相,灰域为铁素体相。岛状奥氏体相嵌入连续的铁素体基体中,并沿轧制方向被拉长,没有明显的二次相析出。图(b和c)显示了WM的光学微观结构。显微照片显示,由于外延生长,WM(熔合线附近)的边缘结构由柱状铁素体晶粒组成,而在WM的中心,发现了等轴铁素体晶粒。焊接区试样的微观结构包括由晶界奥氏体(GBA)、由GBA和晶内奥氏体(IGA)形成的魏氏型奥氏体(WA)装饰的铁素体晶粒。图(b和c)清楚地描述了这三种奥氏体。如图(d)所示,根据热影响区与熔合线之间的距离,狭长区域约650–750μm的热影响区被细分为远热影响区、中热影响区和近热影响区。近热影响区的峰值温度范围为1250–1400°C,远热影响区的峰值温度范围为400–950°C。由于峰值温度、持续时间、加热和冷却速率等热经验不同,热影响区的三个部分显示出不同的微观结构。

据报道,低循环疲劳(LCF)状态下的疲劳裂纹萌生受到滑移系统的强烈控制,主要在δ相和相邻晶粒中的塑性不相容性,不受有害相的影响。DSS显示铁素体相的微观结构短裂纹萌生,要么在具有最高Schmid因子(SF)的滑移面上,要么在LCF制度下的铁素体晶界上,裂纹沿着相邻晶粒中具有最高SF的滑移面扩展。无论是相、铁素体还是奥氏体,报告了平行于最有利滑移平面的微带的发展,滑移平面是微裂纹起始的最佳位错结构。

相反,在退火DSS的HCF和VHCF载荷条件下,δ相和γ相的百分比大致相等,疲劳裂纹的产生由晶粒和晶体取向关系以及合金相的分布控制。这些作者指出,DSS在VHCF载荷条件下的疲劳降解诱导了滑移带的产生,这促进了微观结构短疲劳裂纹的高度局部起始和扩展。从工程角度来看,通常认为低于一定的循环载荷值不会发生疲劳损伤。这种方法很好地适用于像碳钢这样的BCC材料,其疲劳极限与106到107个载荷循环之间的次数有关。最近人们发现,疲劳失效发生在元件受到循环载荷相当低于传统疲劳极限后,超过107次循环。相应的疲劳状态,显示出越来越多的技术相关性,被称为超高周疲劳(UHCF)或甚高周疲劳(VHCF)。

本研究工作的重点是证明在2205 DSS的GMA焊接过程中应用3 mT的外部EMF对HCF和VHCF条件下样品的抗疲劳损伤的有益作用。该试验条件用于分析辅助熔焊工艺引起的不同微观结构演变对短疲劳裂纹的产生和扩展的影响。与传统焊接的样品(0 mT)相比,观察到的抗疲劳损伤能力的提高与晶粒形态和相平衡有关。

采用ER-2209填充丝,将6.35 mm厚、70宽、150 mm长的热轧AISI-2205 DSS板制成如图1所示的单V槽形GMAW连接。1.2 mm直径的填充丝以16.0 cm/s的速度提供,使用的是由98% Ar和2% O2组成的保护气体,流速为0.28 ls−1。GMAW火炬以21.6 cm/min的速度移动,与表面的距离为1 cm。采用直流高压电源,电极为正极。焊接变量被严格控制,以保证大约恒定的热输入1.4 kJ/mm,并考虑了效率为75%的GMAW过程。电势是由外部电源馈送螺旋电力线所示,并在之前的研究中报道。电动势的强度是用高斯计和霍尔效应装置来测量的。

图1 焊接工艺原理图的设置。(a)单“V”型坡口结构,尺寸为mm, (b)焊接前的板材。

表1给出了AISI 2205 DSS (BM)和ER-2209 DSS作为填充丝的化学成分,这些材料之前被研究组成功地使用过。在进行疲劳试验之前,进行了x射线焊缝检。