何金光，曾菲圓，雷斌隆，周友龍，鐘劍文

（西南交通大學 材料學院，四川 成都 610031）

0 前言

近年來異種鋼焊接應用廣泛，如石油化工和水利水電領(lǐng)域使用了雙相不銹鋼與低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的焊接結(jié)構(gòu)。異種鋼焊接結(jié)構(gòu)在滿足工程應用要求的前提下極大地降低了生產(chǎn)成本，因此備受青睞。但異種鋼焊接的物理性能、化學性能和成分差異使得異種鋼的焊接比較困難，是焊接接頭組織和性能不均均的主要根源[1]，若工藝控制不當，則無法保證焊接接頭質(zhì)量。022Cr23Ni5Mo3N是鐵素體+奧氏體雙相不銹鋼，兼有奧氏體鋼和鐵素體鋼的優(yōu)點[2]，強度較高，耐腐蝕性能和抗裂性能良好。Q345B是較高屈服強度的低合金結(jié)構(gòu)鋼，其力學性能良好，但也具有一定的淬硬傾向。在此通過金相試驗、常規(guī)力學性能試驗和微型剪切試驗，研究022Cr23Ni5Mo3N與Q345B異種鋼焊接接頭的組織與力學性能，對充分解決該異種接頭的焊接具有較高的實用價值。

1 試驗材料與方法

母材是雙相不銹鋼022Cr23Ni5Mo3N和低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼Q345B，板厚均為21 mm。焊條采用鈦鈣型藥皮雙相不銹鋼焊條CHS2209，有較好的焊接工藝性能及抗熱裂紋性能。母材和焊材的化學成分如表1所示。焊接方法是多層多道焊條電弧焊，X型坡口對接，焊接位置為平焊。打底焊道焊接電流、電壓分別為 110～120 A、17～20 V，填充與蓋面焊道焊接電流電壓分別為120～140 A、17～20 V，層間溫度約200℃。

根據(jù) GB/T 19869.1-2005/ISO 15614-1:2004標準進行常規(guī)的力學性能試驗。用1000 kN液壓單向脈動試驗機進行了拉伸和彎曲試驗；用JBN500沖擊試驗機對焊縫、熱影響區(qū)進行常溫V型缺口沖擊試驗，試樣尺寸10 mm×10 mm×55 mm；用HV-10維氏硬度計分別測量上部、中部、下部接頭的焊縫、熱影響區(qū)、母材這三個區(qū)域的硬度值；用GX40光學顯微鏡觀察接頭微觀組織，腐蝕液是15%的硝酸酒精和苦味酸；用材料機械性能微型剪切試驗裝置進行接頭的微型剪切試驗。

表1 母材和焊材的化學成分%

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 金相試驗

圖1a為022Cr23Ni5Mo3N雙相不銹鋼母材組織，可以看出其組織為鐵素體+奧氏體。其中白色為奧氏體，灰色為δ鐵素體，組織呈帶狀分布。圖1b為Q345B母材組織，其組織為鐵素體+珠光體，白色為鐵素體，黑色為珠光體，沿軋制方向呈帶狀分布。

焊縫組織如圖2所示，從圖中可知晶界為先析鐵素體組織，晶內(nèi)為奧氏體+鐵素體組織。由于采用雙相不銹鋼焊條，從焊接冶金的角度分析焊縫的凝固為F凝固模式[3]。先析出鐵素體，當溫度低于鐵素體固溶線溫度后奧氏體析出。

圖1 母材顯微組織

圖2 焊縫顯微組織

圖3a為022Cr23Ni5Mo3N一側(cè)熔合邊界的顯微組織。從圖3a中可以清楚地顯示焊接熱影響區(qū)和熔合區(qū)的組織過渡情況。022Cr23Ni5Mo3N一側(cè)的熱影響區(qū)和熔合區(qū)組織都是鐵素體+奧氏體雙相組織。由于焊條中Ni的含量高于母材，在焊接快速冷卻時能促使在熔敷金屬中形成奧氏體，確保焊縫中奧氏體相占有優(yōu)勢[4]，所以焊縫中奧氏體的體積分數(shù)明顯增加，且晶粒尺寸較小，多呈樹枝狀。熔合區(qū)中晶粒粗大。從圖3b可以看出Q345B熱影響區(qū)組織是鐵素體+珠光體。此外還發(fā)現(xiàn)異種金屬焊接特有的Ⅱ型邊界平行于熔合線伸展。熔合線與Ⅱ型邊界之間為熔合區(qū)，且寬度較窄。Nelson等人在對Ⅱ型邊界形成機理的研究中認為形成Ⅱ型邊界是因為熔合線上的熔融金屬不能在母材半熔化的δ鐵素體上向熔池進行奧氏體晶粒的同軸生長，而需要在熔池金屬中進行FCC非均質(zhì)成核，很短時間溫度降低后母材的δ鐵素體又轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體[5]。這樣熔合邊界上原來的BCC-FCC界面轉(zhuǎn)變?yōu)镕CCFCC界面，在界面的兩側(cè)存在嚴重的取向錯匹配，使熔合線成為高能量的移動界面，由于在溫度梯度、成分梯度等因素作用下熔合邊界向FCC熔敷金屬內(nèi)部遷移，當溫度繼續(xù)降低時被鎖定在離熔合邊界一個短距離的位置上，形成了Ⅱ型邊界。

圖3 熔合邊界的顯微組織

2.2 拉伸與彎曲試驗

拉伸與彎曲試驗結(jié)果分別如表2、表3所示。從拉伸試驗結(jié)果可以看出，斷裂位置都發(fā)生在母材Q345B上，抗拉強度平均值為534 MPa。焊縫抗拉強度高于Q345B母材。接頭滿足工程應用的強度要求。由彎曲試驗結(jié)果可認定彎曲試驗合格。

2.3 沖擊與硬度試驗

接頭沖擊值見表4。由于022Cr23Ni5Mo3N的熱影響區(qū)和焊縫含有奧氏體相，而Q345B一側(cè)卻沒有奧氏體相，所以Q345B的熱影響區(qū)的沖擊韌性最低。

表2 拉伸試驗結(jié)果

表3 彎曲試驗結(jié)果

表4 沖擊試驗結(jié)果J

焊接接頭硬度分布如圖4所示，左側(cè)為022Cr-23Ni5Mo3N，右側(cè)為Q345B。由圖4可以看出，不銹鋼一側(cè)的母材和熱影響區(qū)硬度變化不大，而焊縫硬度值較低，這是因為母材和熱影響區(qū)組織奧氏體含量變化不大，而焊縫中的奧氏體數(shù)量明顯多于母材和熱影響區(qū)，而奧氏體的顯微硬度低于鐵素體[6]。焊縫中部的硬度值比焊縫下部和上部的硬度值要高，而中部Q345B熱影響區(qū)的硬度值小于底部和頂部的Q345B熱影響區(qū)硬度值，這主要是因為:①焊縫中部熱輸入不高，冷卻速度較快，焊縫中鐵素體轉(zhuǎn)化為奧氏體不充分。②碳的擴散遷移。由于Q345B一側(cè)與焊縫存在碳的成分梯度以及碳對高鉻含量的焊縫親和力大，又加上多層多道焊后續(xù)焊道對前面焊道具有熱處理的作用，從而使中部Q345B熱影響區(qū)的碳向焊縫擴散，導致中部焊縫硬化而中部Q345B熱影響區(qū)軟化。

2.4 微型剪切試驗

采用微型剪切試驗研究異種鋼焊接接頭性能具有一定的優(yōu)勢[7]，在此進行了微型剪切試驗，試圖通過性能梯度曲線來反映022Cr23Ni5Mo3N/Q345B焊接接頭的力學性能。

圖4 硬度曲線

以Q345B熔合線作為參考點，左邊為022Cr23-Ni5Mo3N一側(cè)的剪切點，右邊是Q345B一側(cè)的剪切點，中間為焊縫的剪切點。強度梯度曲線和塑性梯度曲線分別如圖5、圖6所示。由圖5可知，接頭中部、下部和上部位置的剪切強度梯度曲線都是以Q345B熔合線為界出現(xiàn)明顯的梯度變化，Q345B一側(cè)熱影響區(qū)、母材的剪切強度小于焊縫和022Cr23-Ni5Mo3N一側(cè)的熱影響區(qū)和母材的剪切強度，022Cr23Ni5Mo3N母材和熱影響區(qū)的剪切強度與焊縫的剪切強度相差不大。此外，接頭中部焊縫剪切強度大于接頭上部焊縫和下部焊縫的剪切強度，這與硬度分布曲線相符。由圖6可知，上部焊縫和下部焊縫的壓入率大于中部焊縫，塑性比中部焊縫的要好，這是因為上部和下部焊縫受到前層焊道的預熱和后續(xù)焊道的熱作用，使塑性得到了改善，而中部焊縫最先施焊，冷卻速度快、塑性低。此外，通過性能梯度曲線可以確定焊縫與022Cr23Ni5Mo3N一側(cè)性能均勻，022Cr23Ni5Mo3N與Q345B異種鋼焊接接頭性能不均勻性主要體現(xiàn)Q345B一側(cè)。

3 結(jié)論

（1）022Cr23Ni5Mo3N與Q345B異種鋼焊接接頭的焊縫為鐵素體+奧氏體雙相組織。

（2）接頭力學性能良好。焊縫抗拉強度高于Q345B母材。22Cr23Ni5Mo3N熱影響區(qū)韌性最高，其次是焊縫，Q345B熱影響區(qū)的韌性最低。

（3）Q345B一側(cè)熔合區(qū)范圍小，存在異種金屬焊接特有的Ⅱ型邊界。

（4）通過微剪試驗可知焊縫與022Cr23Ni5Mo3N性能匹配教好，022Cr23Ni5Mo3N與Q345B異種鋼焊接接頭性能不均勻性主要體現(xiàn)Q345B一側(cè)，相對而言Q345B一側(cè)強度較低、塑性較高。

圖5 強度梯度曲線

圖6 塑性梯度曲線

[1]包曄峰，宋曉科，張孺洪，等.雙相不銹鋼鋼管埋弧焊焊接接頭微觀組織及力學性能[J].石油化工設(shè)備，2008，37(4):4-7.

[2]吳 玖，姜世振，韓俊嬡，等.雙相不銹鋼[M].北京:冶金工業(yè)出版社，1999.

[3]周振豐.焊接冶金學（金屬焊接性）[M].北京：機械工業(yè)出版社，1996.

[4]王曉燕，張 雷，路民旭.雙相不銹鋼與微合金鋼異金屬焊接接頭的組織及性能[J].北京科技大學學報，2008，30(2)：131-136.

[5]Nelson T W，Lippold J C，Mills.Nature and evolution of the fusion boundary in ferritic-austenitic dissimilar metal welds[J].Welding Journal，2000，79(10)：267-277.

[6]王英輝，王寶生，付向南.奧氏體鋼與珠光體鋼異種鋼的焊接研究[J].吉林化工學院學報，2011，28(7)：49-51.

[7]雷斌隆，高 勇.用性能梯度曲線研究異種鋼焊接接頭性能[J].機械工程材料，2003，27(10)：23-25.