赵 菲，张梦强
(太原科技大学 材料科学与工程学院，太原 030024)
石油化工容器、核电设备等厚壁压力容器在高温高压下运行，会受到介质的腐蚀作用。
一般厚壁压力容器的设计要求是从成本方面考虑，在容器内壁焊接不锈钢功能层，达到防腐蚀目的[1-3]。常见的不锈钢功能层主要有308L、316L和347，其中在母材和耐蚀层之间堆焊309L主要是为了起过渡作用，有效阻止熔敷金属裂纹向基体发展，还能够防止功能层贫铬现象的发生，使熔敷金属的合金成分达到规定要求。最后堆焊的功能层308L、316L以及347达到耐腐蚀的目的[4-5]。相对于电弧焊和气保焊而言，埋弧堆焊具有较高的熔敷率和较低的稀释率，堆焊后的试件无需机械加工即可使用，不容易造成焊接缺陷和焊接接头质量问题[6-7]。母材与不锈钢焊带通过熔化焊接进行两者的连接，由于焊接时具有较大的热输入，因此母材与熔敷金属熔合线附近的区域是焊接性能较差的位置，大多数情况下焊接试件的损坏由焊接熔合区开始[8-10]。
关于异种钢焊接界面熔合区的应力状况，大部分研究人员认为焊缝与熔合区附近的金属受拉应力作用，热影响区靠近焊缝的金属主要受压应力作用，更远处的金属又为拉应力[11-12]。H.A.Schimmoeller等人[13]认为，热影响区受到拉应力作用，熔合区附近不受应力作用；
焊接试件热处理之后，各部位受应力作用会发生变化，熔合线附近受拉应力作用，热影响区受压应力作用。杨庆祥[14]等人认为，在熔敷金属中心部位和熔合区附近热影响区有两个残余应力的峰值，并且随着试样尺寸的变大，残余应力的峰值也会变大。研究人员对堆焊得到的不锈钢复合钢材进行残余应力分析，认为堆焊过程中材料的差异性会导致材料内部存在复杂的残余应力分布情况[15-16]。
1.1 堆焊试验
本试验材料选用太原钢铁集团有限公司(太钢)生产的不锈钢焊带材料，母材Q345R碳钢尺寸为400 mm×200 mm×30 mm，其化学成分见表1；
不锈钢焊带EQ309L尺寸为60 mm×0.5 mm，不锈钢焊带EQ316L尺寸为60 mm×0.5 mm，不锈钢焊带化学成分见表2.
表1 Q345R钢板化学成分(质量分数，%)
表2 焊接材料化学成分(质量分数，%)
选用带极埋弧堆焊，过渡层选用EQ309L焊带，过渡层堆焊厚度为3 mm；
面层选用EQ316L焊带，堆焊厚度为6 mm.本试验采用带极埋弧堆焊焊接工艺参数如表3所示。堆焊后试样如图1所示。
表3 焊接工艺参数
图1 堆焊试样及残余应力选点图
1.2 依据NB/T 47018标准试验研究
1.2.1 熔敷金属铁素体含量(FN值)
少量的铁素体可以改善熔敷金属的强度以及提高耐腐蚀性，还具有晶粒细化的作用。当铁素体含量达到一定临界点时，反而会降低焊接试件的韧性，甚至会导致焊接试件发生脆性断裂。由表4可知，堆焊层熔敷金属铁素体含量满足要求。
表4 熔敷金属FN值
1.2.2 晶间腐蚀试验
首先按照标准制备试样尺寸为80 mm×10 mm×4 mm的试样两块，在硫酸-硫酸铜溶液微沸状态进行浸泡，随后进行三点面弯试验，弯曲直径10 mm，最大弯曲力7.4 kN，最后观察试样表面有无晶间腐蚀裂纹，弯曲后的表面如图2所示，没有出现宏观裂纹。
图2 晶间腐蚀试验图
1.2.3 熔敷金属化学成分分析
本试验使用光谱仪测定堆焊后的熔敷金属化学成分，取样位置在堆焊耐蚀层表面以下(1.5～2.5)mm处，结果如表5所示。
表5 熔敷金属化学成分(质量分数，%)
如表5所示，可以看出熔敷金属各主要属元素，其中含有较多Cr元素，能提高不锈钢的耐蚀性，Ni元素可以提高熔敷金属的韧性，且C元素含量不高，不易与Cr形成化合物在晶间形成贫铬区，进而降低不锈钢的耐蚀性。
1.3 残余应力测定
本试验选择加拿大Proto公司的IXRD残余应力仪，其满足欧盟标准EN15305-2008以及美国标准ASTM E915-10.本试验残余应力测定选点如图1所示，在试样上进行的X射线衍射特性见表6.
表6 X射线衍射特性
2.1 残余应力分析
图3为3组残余应力多次测定取平均值同一水平位置处的平均残余应力误差曲线。如图3所示，残余应力多次测定实验误差为(5～30)MPa，远远小于图5中316L层、309L层以及Q345R层残余应力的测定值(160～280)MPa，则表明残余应力测定试验具有较高的准确性。如图4所示，为选取3组不同位置进行残余应力测定的残余应力曲线，其中，横坐标为测试点距离功能层熔敷金属上表面的垂直距离，纵坐标为每个测试点的残余应力测定值，“-”值表示测定的残余应力为压应力。从功能层熔敷金属上表面到316L与309L界面延伸至309L层附近残余应力为压应力并且逐渐增大，从316L与309L界面附近到309L与Q345R界面附近的热影响区残余应力为压应力并且逐渐减小，从309L与Q345R界面附近的热影响区到Q345R(距离上表面12 mm处)残余应力还是压应力并且逐渐增大，功能层熔敷金属残余应力最大值为240 MPa，出现在316L与309L界面附近，功能层熔敷金属残余应力最小值为160 MPa，出现在316L层上表面附近。
图3 平均残余应力误差值
图4 试样残余应力曲线
2.2 微观组织分析
如图5所示，为不锈钢309L和Q345R碳钢界面的EBSD组织图：图5(a)为IPF图，图中左侧是基体Q345R碳钢，右侧是不锈钢309L层，从图中可以看出309L层晶粒粗大，呈柱状晶形貌；
图5(b)为其相图，由图可知Q345R为铁素体体心立方结构(bcc)，309L为奥氏体面心立方结构(fcc)；
图5(c)为其晶粒形态图，其中黑色晶粒为再结晶，白色晶粒为亚晶，灰色晶粒为变形晶，由图5(c)可知，Q345R主要由细小再结晶晶粒组成，309L堆焊层组织主要为粗大亚晶，而他们之间的过渡区主由弥散的变形晶构成。在埋弧堆焊过程中，刚开始进行埋弧堆焊时，在碳钢Q345R和不锈钢309L界面附近会出现晶粒细化主要是因为塑性变形；
随着埋弧堆焊层次增多时，碳钢和不锈钢界面出现晶粒细化主要是因为塑性变形和动态再结晶的相互作用。随着堆焊层次的增加，因为应变具有不可逆性，则应变会累积，最终导致大晶粒破碎充分。
图5 309L和Q345R界面EBSD组织图
图6显示了Q345R碳钢在不同距离309L和Q345R界面的IPF图和取向图，其中图6(a)为距离界面2 mm处Q345R碳钢的IPF图；
图6(b)为距离界面15 mm处Q345R碳钢的IPF图；
图6(c)为距离界面5 mm处Q345R碳钢的IPF图。可以看出Q345R的平均晶粒尺寸在界面附近(图6(c)所示，约为(30～40)μm)大于Q345R基体核心(图6(a)、(b)所示，约为(10～30)μm)，即在埋弧堆焊过程中，距离熔合线较近时，热影响区的热输入较高，晶粒的直径越大长大越明显。主要是因为在Q345R碳钢上堆焊不锈钢焊带309L的过程中，会产生显著的温度梯度，进一步会引起较大的残余应力，最终会加速热影响区附近Q345R碳钢的动态再结晶过程，随着距离熔合线较远时，成核形成的新晶粒不能足够长大，并保持在环境温度下，较小的晶粒结构就形成了。因此，距离熔合线较近的部位Q345R的平均晶粒尺寸大于远离融合线部位Q345R的平均晶粒尺寸。
图6 Q345R在不同距离309L和Q345R界面的IPF图和方向图
图7为不锈钢309L层EBSD表征图，由图7可以看出309L层晶粒尺寸较大并且是柱状晶。不锈钢基体Q345R为体心立方结构而309L为面心立方结构，熔合线附近的309L晶粒结构取决于新晶胞的形核，远离熔合线的区域，晶粒结构主要由择优生长决定。在熔敷金属凝固过程中，由于温度梯度和散热快慢的影响，晶粒倾向于沿着垂直于熔合线的方向生长。但是，在每个晶粒里的柱状晶或者晶胞都倾向于沿着最容易生长的方向生长，对于面心立方结构的材料，<100>是容易生长的方向。因此，在凝固过程中，那些生长方向与熔池边界大致垂直的晶粒将更容易长大，并将排挤那些取向不利的晶粒，这种竞争生长机制决定了熔敷金属的晶粒结构。
图7 309L层EBSD表征图
2.3 残余应力与微观组织关系
由图4、图5(a)、图6可知，在碳钢Q345R和不锈钢309L界面附近会出现晶粒细化，导致界面附近残余应力较小。随着堆焊层次的增加，从309L和316L界面到Q345R和不锈钢309L界面由于应变具有不可逆性，逐渐累积，最终导致大晶粒破碎充分，随着晶粒细化残余应力也会变小；
在Q345R层热影响区附近动态再结晶过程，导致该部位残余应力较小，随着距离熔合线较远时，成核形成的新晶粒不能足够长大，并保持在环境温度下，较小的晶粒结构形成，因此，距离熔合线较近的部位Q345R的残余应力小于远离融合线部位的残余应力。
(1)依据NB/T 47018标准进行试验，太钢生产的国产不锈钢焊带堆焊后熔敷金属铁素体含量、化学成分、晶间腐蚀都满足标准要求，与焊剂匹配使用后焊接性能与进口焊带相当。
(2)经过热处理后堆焊试件，界面附近受残余应力是压应力，功能层熔敷金属残余应力最大值为240 MPa，出现在316L与309L界面附近，功能层熔敷金属残余应力最小值为160 MPa，出现在316L层上表面附近；
沿厚度方向，从熔敷金属表面至母材残余应力先逐步增加后逐步减小最后再逐步增加。
(3)在309L与Q345R的熔合线附近出现晶粒细化的现象，主要是由于显著的温度梯度和较大的应力。在热影响区，距离熔合线越近，热输入越大，晶粒直径也越大；
在熔敷金属冷却凝固过程中，晶粒倾向于沿着垂直于熔合线的方向生长。
(4)在碳钢Q345R和不锈钢309L界面附近会出现晶粒细化，导致界面附近残余应力较小。从309L和316L界面到Q345R和不锈钢309L界面由于应变具有不可逆性，逐渐累积，导致大晶粒破碎充分，随着晶粒破碎残余应力也会变小；
在Q345R层热影响区附近动态再结晶过程，导致该部位残余应力较小，随着距离熔合线较远时，成核形成的新晶粒不能足够长大，并保持在环境温度下，较小的晶粒结构就形成了，因此，距离熔合线较近的部位Q345R的残余应力小于远离融合线部位的残余应力。