劉培茹，路 平，徐志欣

（1.福建省特種能場制造重點實驗室（華僑大學），福建廈門361021；2.廈門市數(shù)字化視覺測量重點實驗室（華僑大學），福建廈門361021）

固溶處理對304/Q245R焊接接頭組織及性能的影響

劉培茹1，2，路 平1，2，徐志欣1，2

（1.福建省特種能場制造重點實驗室（華僑大學），福建廈門361021；2.廈門市數(shù)字化視覺測量重點實驗室（華僑大學），福建廈門361021）

為研究固溶處理對304奧氏體不銹鋼和Q245R碳鋼異種金屬焊接接頭顯微組織及性能的影響，采用E309-16奧氏體不銹鋼焊絲對6 mm厚的304/Q245R板材進行手工電弧焊，焊后使用箱式電阻爐對焊接接頭進行固溶處理，對焊接接頭進行顯微組織觀察和力學性能測試.結果表明：相對于固溶處理前，固溶處理后的接頭焊縫組織為灰色奧氏體和黑色鐵素體，枝晶偏析程度明顯降低，Cr、Ni等合金元素分布較為均勻；焊縫和碳鋼側熱影響區(qū)硬度值均有所提高，最高硬度值為304.59 HV，出現(xiàn)在焊縫位置；接頭抗拉強度較高，達570 MPa，拉伸斷裂發(fā)生在母材Q245R碳鋼部位.另外，對焊縫進行XRD測定，未檢測到不利于接頭性能的相，這表明固溶處理后的異種金屬接頭性能良好，能夠滿足工程中的實際需求.

固溶處理；異種金屬；焊接接頭；顯微組織；力學性能

異種金屬制造的零部件可以充分發(fā)揮各自金屬優(yōu)異的材料物理性能，滿足在不同環(huán)境和不同條件下的使用要求，并且具有節(jié)約成本、提高收益的優(yōu)點，因此，裝備制造業(yè)中常通過焊接異種金屬的方法制造零部件.不銹鋼具有耐腐蝕、耐氧化等優(yōu)良性能，在壓力容器等制造中經(jīng)常將其與碳鋼焊接成構件［1］.但是，由于304奧氏體不銹鋼和Q245R碳鋼的化學成分、物理性能及化學性能等存在很大差異，焊接過程中不可避免地產(chǎn)生熱應力、碳遷移等問題，使得焊接接頭組織極易形成偏析，從而導致構件的耐腐蝕性能、力學性能變差，嚴重降低接頭的使用性能［2-4］.因此，采用熱處理的方式減少或消除偏析顯得尤為重要.

本文主要對304/Q245R異種金屬焊接接頭進行固溶處理，通過固溶處理前后接頭的顯微組織和局部微區(qū)化學成分及其力學性能分析，探究了固溶處理工藝對接頭組織及性能的影響，為異種金屬焊接接頭的實際應用提供了理論依據(jù).

1 實 驗

異種金屬304奧氏體不銹鋼、Q245R碳鋼、E309-16不銹鋼焊絲的化學成分見表1，力學性能見表2［5］.施焊前，將焊件連接處預先加工成X坡口型形狀［6］，試樣尺寸為200 mm×100 mm× 6 mm，焊接方式為雙道焊，焊接工藝參數(shù)見表3.

表1　焊絲的化學成分（質量分數(shù)/％）Table 1 Chemical composition of welding wire（wt％）

表2　Q245R碳鋼和304奧氏體不銹鋼的力學性能Table 2 Mechanical properties of Q245R carbon steel and 304 austenitic stainless steel

表3　接頭焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding parameters of joint

固溶處理條件如下：KSL-1200X箱式電阻爐預熱至600℃后，把焊后試樣放入加熱爐中隨爐加熱到1 050℃，保溫0.5 h后取出，進行水淬處理［7］.金相試樣母材不銹鋼采用王水（V（硝酸）∶V（鹽酸）=1∶3）腐蝕，腐蝕時間為25 s；碳鋼用體積分數(shù)4％的硝酸酒精溶液腐蝕，腐蝕時間為10 s.采用AxioLab.A1ZEISS金相顯微鏡進行組織觀察，使用JEOL JXA-8230電子探針進行元素線掃描，并用D/Max2500Pc X射線衍射儀進行物相分析.在FM-700/SVDM4R顯微硬度計上測量焊接接頭硬度，并使用WDW-200E萬能試驗機進行抗拉強度試驗.

焊接接頭抗拉強度試驗主要參照國標GB 2651—2008制備板狀拉伸試樣.拉伸試樣的形狀、尺寸見圖1.試驗中，接頭和母材均測量3次，然后取其平均值.

圖1　拉伸試樣的形狀和尺寸Fig.1 The shape and size of the tensile sample

2 結果及分析

2.1顯微組織

焊接接頭金相組織見圖2.圖2（A）為固溶處理前打底焊母材Q245R側的熱影響區(qū)組織——粗大的魏氏鐵素體，形成魏氏鐵素體組織的原因有以下3點［8］：1）焊接熱循環(huán)過程中，熱量集中且高溫停留時間較長，使得奧氏體晶粒過于粗大.冷卻時，由于碳原子從晶界向晶內(nèi)擴散為長程擴散，奧氏體中碳量的升高較小，不會導致WS（魏氏鐵素體的形成溫度）低于鋼的實際溫度，故利于生成魏氏鐵素體.2）晶粒粗大時，鐵素體的形核率較小，網(wǎng)狀鐵素體形成困難，從而有利于形成魏氏鐵素體.3）連續(xù)冷卻時冷卻速度適中；若冷卻速度過快，過冷度過大，碳難于擴散，抑制魏氏鐵素體生長；而若冷卻速度過慢，過冷度又很小，則利于網(wǎng)狀鐵素體的形成，結果難以形成魏氏鐵素體.通常魏氏鐵素體危害性極大，會降低鋼的強度、塑性和韌性，導致其機械性能變壞.圖2（a）為固溶處理后打底焊母材Q245R側的熱影響區(qū)組織——奧氏體+少量板條狀馬氏體.固溶處理后魏氏鐵素體明顯消除，從而提高了接頭的使用性能.

圖2 固溶處理前后焊接接頭不同位置的金相組織Fig 2 Metallographic organization of weld joint in different positions before and after solid solution treatment

圖2（B）和2（b）分別為固溶處理前后靠近Q245R側金屬區(qū)域的熔合區(qū).B中靠近熔合線的碳鋼組織為粗大的魏氏鐵素體，而靠近熔合線的焊縫組織為分布于奧氏體基體上具有一定取向的鐵素體.焊接熱循環(huán)過程中，熔合區(qū)熱量集中、高溫時間長，奧氏體晶粒粗大，冷卻時，沿奧氏體晶界析出粗大的針狀鐵素體后，剩余的奧氏體繼續(xù)轉變?yōu)橹楣怏w，析出的鐵素體沿著奧氏體晶粒內(nèi)某慣習面不斷長大，最終形成了魏氏鐵素體組織［9］.固溶處理后，魏氏鐵素體組織消失，并且靠近熔合線的焊縫中鐵素體含量明顯減少，可見，采用固溶處理的方法可有效減少鐵素體的含量，從而減少偏析.

圖2（C）為固溶處理前蓋面焊Q245R側的熱影響區(qū)，為細小的鐵素體+珠光體組織.由于Q245R含碳量低，珠光體的比例低于鐵素體的比例，受到焊接熱循環(huán)的影響，最先由珠光體向奧氏體轉變，連續(xù)冷卻過程中奧氏體發(fā)生相變，生成細小的鐵素體和珠光體.固溶后組織為奧氏體+板條狀馬氏體，且圖2（c）與圖2（a）相比，晶粒尺寸并無較大差異.

圖2（E）和2（e）分別為固溶處理前、后靠近304側熔合區(qū)的組織.固溶處理后，靠近熔合線的不銹鋼組織仍為奧氏體，但熔合線消失，且靠近熔合線的焊縫中具有一定取向的枝晶組織明顯消除［10］.在焊接時采用Cr、Ni含量較高的E309-16焊絲作為填充材料，固溶處理過程中，高溫停留時間較長，C、Cr、Ni等元素擴散較為完全，熔合區(qū)與母材304不銹鋼化學成分差異不大，因此冷卻后熔合線消失.

固溶處理前打底焊、蓋面焊的焊縫組織分別如圖2（F）、2（D）所示，均為黑色鐵素體分布于灰色奧氏體基體上.形成這種組織的原因是：采用E309-16焊條作為填充金屬，Cr、Ni元素含量較高，并且焊接時熱輸入較低，焊縫熔合比小，因此，焊接過程中不銹鋼及碳鋼對焊縫造成的稀釋作用并不明顯，最終形成了骨骼狀δ-鐵素體+奧氏體組織.焊縫中的δ相富Cr，可以阻礙奧氏體晶粒形成貧Cr層，并且分布于奧氏體基體上的δ-鐵素體打亂奧氏體結晶時的方向，不利于形成連續(xù)的貧Cr層，減小晶間腐蝕發(fā)生的可能性，一般情況下，焊縫中存在4％～12％的δ相較好，過量的δ相存在易促使形成σ相，不利于高溫工作［11］.比較圖2（F）、2（D）可以看出，打底焊焊縫中的骨骼狀δ-鐵素體較為粗大，這是因為蓋面焊的施加對打底焊焊縫起到熱處理的作用，形成較為粗大的δ-鐵素體；蓋面焊焊縫冷卻時，冷卻速度較大且焊接熱循環(huán)高溫時間停留較短，因此形成的δ-鐵素體較為細小.固溶處理后，如圖2（f）、2（d）所示，δ-鐵素體含量明顯減少，焊縫成分較為均勻. 2.2 熔合區(qū)、焊縫合金元素線掃描及能譜分析

元素線掃描位置和結果如圖3所示.圖3（a）為固溶處理后母材304側熔合區(qū)線掃描曲線，可以看出，固溶處理后母材304奧氏體不銹鋼側的熔合線消失，與金相實驗觀察到的結果相吻合，并且靠近不銹鋼位置時，Cr、Ni元素的含量逐漸升高，并且整體最終趨于穩(wěn)定.圖3（b）為固溶處理后焊縫線掃描曲線，可以看出，Cr、Ni元素在焊縫中總體上分布較均勻，并未發(fā)現(xiàn)有明顯偏聚，在微小區(qū)域內(nèi)存在濃度波動的情況，這是由于接頭焊縫中δ-鐵素體是分散地分布在奧氏體基體上.根據(jù)文獻［12］研究，奧氏體與鐵素體中的Cr、Ni含量有所不同，其中，鐵素體中Cr元素的含量比奧氏體中的高，而奧氏體中Ni元素的含量比鐵素體中的高.因此，固溶處理可以有效地減少偏析，均勻組織，從而改善焊接接頭的組織和性能.

圖3　固溶處理后熔合區(qū)、焊縫合金元素線掃描曲線Fig3 Alloying element line scan curve of fusion zone（a）and weld seam（b）after solid solution treatment

2.3焊縫金屬的物相分析

焊接過程中，由于304/Q245R焊接接頭受到焊接熱循環(huán)的影響，當焊縫冷卻至450～850℃時，Cr原子的擴散速度明顯小于C原子的擴散速度，并且由于奧氏體晶粒晶界部位的不完整性，C原子很容易向晶界處擴散，在晶界處易與其他合金元素形成M23C6等有害相；若焊縫中存在過多的δ相，易促使形成σ相，這些硬脆相的存在，將嚴重影響焊接接頭的力學性能，使焊縫的脆性增大，容易導致脆斷.另外，晶界處M23C6等有害相的析出，會導致奧氏體晶粒邊界區(qū)域形成貧Cr層，引起焊接接頭發(fā)生晶間腐蝕，降低304/Q245R焊接接頭的耐腐蝕性能［13］.因此，對焊縫進行XRD物相分析，角度為10°～90°，測速設置為8（°）/min.固溶處理后焊縫X射線衍射曲線如圖4所示，可以看出，固溶處理后接頭焊縫主要由γ相組成，未發(fā)現(xiàn)M23C6相、σ相等有害相析出，說明固溶處理后的接頭焊縫質量良好，能夠滿足工程中的使用要求.

圖4　固溶處理后焊縫X射線衍射曲線Fig.4 The X-ray diffraction rocking curves of weld seam after solid solution treatment

2.4力學性能測試分析

2.4.1顯微硬度

圖5給出了焊接接頭顯微硬度的變化規(guī)律.固溶處理后，焊接接頭硬度最大值由216.76 HV上升到304.59 HV，平均值由176.7 HV上升到189.3 HV.從硬度分布曲線可以看出，相比于固溶處理前，焊縫和碳鋼側熱影響區(qū)硬度值均有所提高.結合2.1～2.3小節(jié)關于焊縫顯微組織、成分的分析可知，固溶處理后焊縫枝晶偏析程度明顯降低且合金元素分布較為均勻，從而影響焊縫的力學性能，使得硬度增大［14］.根據(jù)文獻［15］中幾種典型組織的硬度關系為馬氏體＞貝氏體＞珠光體＞鐵素體，固溶處理后碳鋼側熱影響區(qū)形成了部分馬氏體組織，因此硬度增大.由于Q245R母材與填充材料的化學成分差異較大，故在碳鋼-焊縫界面處，碳元素和合金元素的遷移比較強烈，使熔合區(qū)顯微硬度存在突變區(qū).比較圖5（a）、5（b）可以看出，固溶處理促進了碳鋼側碳的遷移，使得在碳鋼側熔合線兩側的硬度突變值增大.

圖5　接頭顯微硬度分布曲線Fig.5 The microhardness distribution for welded joints

2.4.2抗拉強度

焊接接頭抗拉強度試驗結果見表4.固溶處理后接頭試樣的抗拉強度值為570 MPa，斷裂發(fā)生在母材Q245R側，滿足工程構件對焊接接頭強度的要求.試樣的斷裂位置為Q245R碳鋼部位，說明母材Q245R的抗拉強度比焊縫的低.原因如下：焊接時采用的是Cr、Ni含量較高的E309-16焊絲，接頭中合金元素含量較高，起到固溶強化作用，拉伸過程中釘扎位錯，使位錯運動受阻，接頭具有較高的強度；并且，焊接工藝采用的是雙道焊，后續(xù)的焊接對上一層焊道起到熱處理作用，在一定程度上降低了內(nèi)部應力，從而提高接頭的力學性能.

表4　焊接接頭拉伸測試結果Table 4 The result of tensile strength of welding joint

圖6所示為固溶處理前、后試樣的斷口形貌掃描照片，可以看出，固溶處理前接頭斷口表面含有大量的等軸狀韌窩，韌窩較小且分布均勻，呈現(xiàn)出明顯的韌性斷裂特征.而固溶后，斷口形貌主要為河流花樣并存在少量的淺韌窩，表現(xiàn)出解理斷裂的特征.從圖6可以觀察到，解理裂紋由晶界向晶內(nèi)定向發(fā)展，并形成了解理臺階［16］.其斷裂過程為：拉伸過程中，當承受的壓力足夠大時，金屬內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋——解理裂紋，解理裂紋與位錯相交后擴展，形成一系列伯氏矢量為b的臺階，同號臺階相互匯合長大，當匯合的臺階達到一定高度時，便形成了河流花樣；在裂紋擴展的同時，主裂紋前端將產(chǎn)生次裂紋，隨著載荷進一步增大，金屬被撕裂.

圖6　拉伸試樣斷口SEM照片F(xiàn)ig.6 The tensile specimen fracture SEM images

3 結 論

1）固溶處理后，靠近母材304側的熔合線消失，鐵素體含量明顯減少，組織更加均勻，力學性能得以改善；并且固溶處理消除了靠近母材Q245R側熔合區(qū)粗大的魏氏鐵素體組織，提高了焊接接頭的力學性能和使用性能.

2）焊縫中Cr、Ni等合金元素分布較為均勻，無明顯的偏聚現(xiàn)象，進一步說明固溶處理可以減少枝晶偏析.固溶處理后的焊縫主要為γ相，未發(fā)現(xiàn)M23C6相、σ相等有害相析出.

3）固溶處理提高了焊接接頭的硬度，最高硬度值出現(xiàn)在焊縫位置為304.59 HV.拉伸斷裂均發(fā)生在母材Q245R側，固溶處理后接頭抗拉強度值達到570 MPa，滿足304/Q245R焊接部件對強度的要求.

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（編輯 程利冬）

Effect of solution treatment on microstructure and properties of 304/Q245R welded joint

LIU Peiru1，2，LU Ping1，2，XU Zhixin1，2
（1.Fujian Provincial Key Laboratory of Special Energy Manufacturing（Huaqiao University），Xiamen 361021，China；2.Xiamen Key Laboratory of Digital Vision Measurement（Huaqiao University），Xiamen 361021，China）

In order to investigate the effect of solution treatment on microstructures and mechanical properties of welded joint made of two dissimilar metals 304 austenitic stainless steel and Q245R carbon steel，the 304 and Q245R metal plates with thickness of 6 mm were welded together by the manual arc welding method with E309-16 austenitic stainless welding wire.After welding，the welded joint was solution-treated in the box resistance furnace.The microstructures and mechanical properties of the welded joint were analyzed and investigated by means of microstructure observation and mechanical property testing.The results show that compared to the welded joint without solution treatment，the microstructures of weld are gray austenite and black ferrites，dendritic segregation alleviated，and the alloy elements especially Cr and Ni are uniformly distributed.The micro-hardness are increases for the welding seam and welding heat affected zone of carbon steel，and the highest micro-hardness ia about 304.59 HV in the welding seam.The ultimate tensile strength of the welded joint is improved to a maximum value of 570 MPa，moreover the fracture happens in the Q235R carbon steel.In addition，XRD analysis shows that no harmful phase affect the mechanical properties of welded joint.The research results indicat that the mechanical properties of welded joint made of dissimilar metals are significantly improved by solution treatment.

solid solution treatment；dissimilar metal；welded joints；microstructure；mechanical property

TG15

A

1005-0299（2016）04-0040-06

10.11951/j.issn.1005-0299.20160406

2016-01-16.

國家自然科學基金（51305144）；福建省自然科學基金（2015J01203）；華僑大學中青年教師科研提升資助計劃（ZQN-PY203）；福建省科技計劃重點項目（2008H0085）.

劉培茹（1990—），女，碩士研究生.

路 平，E-mail：pinglu@hqu.edu.cn.