張 晨，董利明

（常熟理工學(xué)院 汽車工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

1 引言

在核電、化工等領(lǐng)域中，很多焊接構(gòu)件需要滿足高強(qiáng)度、高韌性以及酸堿工況下的耐腐蝕等性能［1］.采用異種金屬進(jìn)行焊接，能夠充分利用異種金屬材料強(qiáng)度、韌性及耐蝕性能，且還具有降低生產(chǎn)成本等優(yōu)勢(shì)［2-3］.因此，異種鋼焊接在核電、化工等諸多領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用［4-5］.

國(guó)內(nèi)外關(guān)于異種鋼焊接的代表性研究有：黃本生等采用氣體保護(hù)的鎢極氬弧焊的焊接工藝，將Q345/316L異種鋼焊接，在Q345側(cè)熱影響區(qū)（HAZ）發(fā)現(xiàn)有明顯的碳的遷移［6］.馬麗等利用等離子弧技術(shù)對(duì)Q235和1Cr17Mn6Ni5N兩種鋼進(jìn)行焊接，在熔合線的低碳鋼側(cè)附近也產(chǎn)生了碳遷移，不銹鋼側(cè)的熱影響區(qū)組織為奧氏體和δ-鐵素體，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)有少量ε-馬氏體的形成［7］.Sieurin H等采用埋弧焊（SAW）的焊接工藝對(duì)雙相不銹鋼2205進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在空冷后焊縫得到滿意的奧氏體量以及阻止生成σ相［8］.Chuaiphan W等采用氣體保護(hù)的鎢極焊將AISI 304不銹鋼和AISI 1020碳鋼薄板與AISI 308L，AISI 309L和AISI 316L不銹鋼絲連接起來(lái)，所焊接金屬的強(qiáng)度相對(duì)較高［9］.本文采用奧氏體不銹鋼焊絲配合堿性焊劑，開(kāi)展奧氏體不銹鋼308L與低合金鋼Q345的埋弧焊焊接，針對(duì)焊縫及Q345側(cè)熱影響區(qū)進(jìn)行微觀組織表征及力學(xué)性能分析，研究異種鋼不同位置組織特征對(duì)接頭的強(qiáng)度和韌性的影響.

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

焊接試驗(yàn)?zāi)覆臑閮蓧K尺寸均為160 mm×150 mm×25 mm的308L不銹鋼和Q345鋼，選用奧林康OE-308L和OP 70Cr Spezial分別作為埋弧焊絲，這些焊接材料的成分如表1、表2所示.由表1、表2可見(jiàn)，OE-308L屬于超低碳奧氏體不銹鋼焊絲，其中0.03% C和10%左右的Ni具有穩(wěn)定奧氏體組織的作用，20%的Cr起著穩(wěn)定鐵素體組織的作用，超低的C含量使C不易從308L中析出，也很難形成Cr的碳化物，具有良好的耐腐蝕性能，同時(shí)焊接過(guò)程中不易出現(xiàn)熱裂紋、結(jié)晶裂紋等焊接缺陷，并且能夠保證良好的熔覆金屬性能.此外，308L母材和Q345母材的原始組織形貌如圖1所示，前者為奧氏體+少量鐵素體為主，后者包含鐵素體+珠光體+少量碳化物.

圖1 308L母材和Q345母材的金相組織

表1 焊接材料的合金成分（wt.%）

表2 焊劑成分含量（wt.%）

表3 焊接工藝參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)時(shí)采用多層多道埋弧焊，坡口角度為60°的V型坡口，坡口根部間隙為4 mm，鈍邊為4 mm，坡口形式如圖2所示.埋弧焊劑OP 70Cr Spezial置于干燥箱中350 ℃烘烤2 h.焊接前對(duì)焊縫及其周圍進(jìn)行清理，去除表面的油污、氧化皮.預(yù)熱溫度和層間溫度控制在150 ℃左右，埋弧焊焊接參數(shù)如表2所示.在焊接接頭對(duì)焊縫、熱影響區(qū)分別取樣，進(jìn)行研磨、拋光，然后用氯化鐵鹽酸溶液（5 g FeCl3+50 ml HCl+100 ml H2O）侵蝕，在Olympus光學(xué)倒置顯微鏡下觀察異種鋼焊接接頭不同位置處的顯微組織.按GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，焊縫處于試件中部，加載速率8 mm/min，加載載荷10 kN.按照GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》對(duì)樣品進(jìn)行低溫夏比沖擊試驗(yàn)，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，V型缺口分別開(kāi)在焊縫中心與Q345側(cè)熱影響區(qū)（熔合線外1 mm處）.

圖2 焊接坡口形式

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 焊接接頭的組織分析

3.1.1 焊縫組織分析

從圖3（a）、圖3（b）可以看出焊縫組織以?shī)W氏體等軸晶為主，淺黃色區(qū)域奧氏體晶粒較大，鐵素體含量相對(duì)較少.深黃色區(qū)域奧氏體晶粒細(xì)小，鐵素體較密集.在相同腐蝕液條件下鐵素體密集的區(qū)域耐腐蝕性較差，呈現(xiàn)深黃色.從圖3（c）、圖3（d）可以明顯觀察到黑色點(diǎn)狀物質(zhì).奧氏體不銹鋼焊接接頭在焊后快速冷卻，碳在奧氏體組織中將呈現(xiàn)過(guò)飽和狀態(tài).一旦在敏感溫度區(qū)間適當(dāng)停留，將會(huì)在晶界析出Cr的碳化物，造成附近區(qū)域貧Cr，在產(chǎn)品服役過(guò)程中極易發(fā)生晶間腐蝕［10］.對(duì)比焊后焊縫成分與焊前焊絲成分，C和Cr成分都有所降低，所以猜測(cè)圖中黑色點(diǎn)狀物質(zhì)為Cr的碳化物.

圖3 焊縫區(qū)的組織

3.1.2 Q345側(cè)熱影響區(qū)的組織分析

在熔合線靠近焊縫側(cè)形成了增碳層，在熱影響區(qū)側(cè)為脫碳層，如圖4所示.其原理是Q345鋼和焊縫中的308L有不同的含碳量，在焊接過(guò)程中產(chǎn)生了碳遷移現(xiàn)象，碳原子具備上坡擴(kuò)散的特征［11］.增碳層處有大量的碳化物析出，或組織發(fā)生變化，引起的原因是增碳現(xiàn)象［12］.脫碳層主要由粗大的鐵素體構(gòu)成，且與圖1（b）中Q345的組織在相同倍數(shù)下對(duì)比晶粒變粗.因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中，產(chǎn)生的熱量對(duì)熱影響區(qū)進(jìn)行了熱循環(huán)，使晶粒粗化.此區(qū)域韌性下降，易產(chǎn)生脆化或裂紋，是焊接接頭的薄弱地帶.所以主要觀察脫碳層，即Q345側(cè)熱影響區(qū)的組織.

圖4 Q345側(cè)熔合線處組織

圖5為不同倍數(shù)下的Q345側(cè)熱影響區(qū)金相組織.由圖5可知，Q345側(cè)的熱影響區(qū)的主要組織為鐵素體和珠光體.由于焊接過(guò)程受熱不均勻，熱影響區(qū)組織變化不均勻，組織大小不一.熔和區(qū)靠近焊縫距離最近，受熱循環(huán)影響很大，此區(qū)的鐵素體組織很粗大.而過(guò)熱區(qū)緊鄰熔和區(qū)，是組織最為復(fù)雜的區(qū)域，此區(qū)的溫度范圍處于固相線以下到1 100 ℃左右.金屬處于過(guò)熱狀態(tài)，奧氏體晶粒發(fā)生嚴(yán)重的長(zhǎng)大現(xiàn)象，在較快的冷卻速度下會(huì)形成一種特殊的過(guò)熱組織，其組織特征為在一個(gè)粗大的奧氏體晶粒內(nèi)會(huì)形成許多平行的鐵素體（滲碳體）針片，即為魏氏體組織.

圖5 Q345側(cè)熱影響區(qū)組織

3.2 焊接接頭的力學(xué)性能分析

3.2.1 拉伸性能

表3為焊接接頭拉伸性能.結(jié)合表中數(shù)據(jù)，試樣直徑為10.01 mm，原始標(biāo)距為100.00 mm，抗拉強(qiáng)度為559 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為34.0%.斷裂于焊縫，表明異種金屬連接位置強(qiáng)度能夠滿足工程構(gòu)件對(duì)其的強(qiáng)度要求.其原因是OE308L焊絲的中碳元素含量比Q345鋼的含量低一些，較低的碳含量對(duì)合金的拉伸性能是有利的.其中OE308L焊絲的鎳元素也起到了減弱熔合區(qū)碳原子的遷移作用［13］，避免接頭焊縫中有害相的產(chǎn)生.Q345鋼中錳元素與鐵發(fā)生固溶強(qiáng)化［14-16］，提高了308L/Q345異種鋼焊接接頭的抗拉強(qiáng)度.

3.2.2 沖擊性能

對(duì)試樣分別進(jìn)行沖擊溫度-80 ℃、-60 ℃、-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、20 ℃的沖擊試驗(yàn)，沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示，低溫沖擊試驗(yàn)趨勢(shì)如圖6所示.

表4 沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 低溫沖擊試驗(yàn)趨勢(shì)圖

由圖6可知，對(duì)于以?shī)W氏體組織為主焊縫區(qū)，結(jié)果顯示從20 ℃到-60 ℃隨著溫度的下降，吸收能量逐漸減少，且隨著下降趨勢(shì)的逐漸增大，焊縫韌性逐漸變差.隨后的-60 ℃到-80 ℃的焊縫韌性有所提升，這是因?yàn)殡S著溫度的進(jìn)一步下降焊縫韌性的下降趨勢(shì)有所緩解或者焊縫韌性趨于穩(wěn)定.在所測(cè)試的溫度區(qū)間，焊縫的沖擊吸收能量都在76 J以上，可見(jiàn)焊縫對(duì)低溫沖擊韌性優(yōu)良.

對(duì)于熱影響區(qū)，隨著沖擊試驗(yàn)溫度的降低，吸收能量整體呈下降趨勢(shì)，低溫韌性逐漸變差.在-40 ℃時(shí)其吸收能量即降低至17 J，這是因?yàn)樵撐恢檬艿矫撎技盁嵫h(huán)的作用，鐵素體組織較粗大，且過(guò)熱區(qū)內(nèi)奧氏體晶粒發(fā)生嚴(yán)重長(zhǎng)大現(xiàn)象，在較快的冷卻速度下易形成魏氏體組織.從而導(dǎo)致熱影響區(qū)與焊縫及母材的組織類型呈現(xiàn)較大差異，易產(chǎn)生脆化或裂紋，成為異種鋼焊接接頭的薄弱區(qū)域.

4 結(jié)論

1）焊縫區(qū)的組織主要為奧氏體和鐵素體，鐵素體密集的區(qū)域耐腐蝕性較差，且鐵素體周圍有Cr的碳化物析出.Q345焊縫界面處的熔合線處產(chǎn)生了碳遷移，是因?yàn)?08L和Q345兩種鋼的碳含量有區(qū)別，于熔合線的兩側(cè)分別出現(xiàn)了增碳層、脫碳層.Q345側(cè)熱影響區(qū)的主要組織為珠光體和鐵素體，在熔合線+1 mm位置出現(xiàn)大量魏氏體組織.

2）焊接接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)559 MPa，斷于焊縫，表明異種金屬連接位置（Q345側(cè)熔合線處）強(qiáng)度能夠滿足工程構(gòu)件對(duì)其的強(qiáng)度要求.原因是OE308L焊絲的中碳元素含量比Q345鋼低，較低的碳含量對(duì)合金的拉伸性能是有利的；OE308L焊絲中的鎳元素減弱了熔合區(qū)碳原子的遷移，避免接頭焊縫中有害相的產(chǎn)生.

3）隨著沖擊試驗(yàn)溫度的降低，焊接接頭的吸收能量整體呈下降趨勢(shì)，低溫韌性逐漸變差.焊縫的沖擊吸收能量都在76 J以上，焊縫低溫沖擊韌性優(yōu)良.對(duì)于熱影響區(qū)，在-40 ℃時(shí)其吸收能量即降低至17 J，在于該位置受到脫碳及熱循環(huán)的作用，鐵素體組織較粗大，出現(xiàn)大量魏氏體組織，從而導(dǎo)致熱影響區(qū)與焊縫及母材的組織類型呈現(xiàn)較大差異，易產(chǎn)生脆化或裂紋，成為異種鋼焊接接頭的薄弱地帶.