張 敏，杜明科，張云龍，王 剛，朱子越

(西安理工大學材料科學與工程學院，西安 710048)

0 引 言

近年來，單一金屬材料制備的結構件已無法滿足工業(yè)生產(chǎn)需求，異種金屬復合結構件逐漸成為加工制造領域的研究熱點。異種金屬焊接結構件不僅充分發(fā)揮了每種金屬的優(yōu)勢，還大大降低了生產(chǎn)成本[1]。然而，由于熔點、線膨脹系數(shù)等物理和化學性質(zhì)存在較大差異，異種金屬之間的焊接難度較大[2-4]。國內(nèi)外學者在異種金屬焊接方面做了大量工作，在焊接工藝優(yōu)化、接頭組織和性能演化方面取得了豐碩的成果[5-8]，為異種金屬的焊接提供了一定的數(shù)據(jù)支撐和理論保障。岑耀東等[9]研究了SPCC低碳鋼與TRIP980高強鋼電阻點焊接頭的組織和力學性能，發(fā)現(xiàn)近SPCC低碳鋼側熔合區(qū)產(chǎn)生的應力集中是影響接頭力學性能的主要原因。溫飛娟等[10]研究了L360鋼與X65鋼的焊接工藝，發(fā)現(xiàn)采用焊條電弧焊打底，利用自保護藥芯焊絲半自動焊進行焊縫的填充、蓋面可以實現(xiàn)這兩種材料的高質(zhì)量連接。歐平等[11]研究了SA508/316L異種鋼焊接接頭的顯微組織，發(fā)現(xiàn)焊縫呈粗大的樹枝晶凝固組織，并且晶界處存在鏈狀分布的碳化物。

目前關于異種金屬復合結構件的研究較多[12-14]，但有關無磁鋼與其他材料連接接頭的研究較少。在國內(nèi)大型變壓器制造中，為了防止漏磁、降低能量損耗，常采用20Mn23Al無磁鋼材料。20Mn23Al無磁鋼的組織穩(wěn)定，力學性能優(yōu)良，但在實際生產(chǎn)中存在利用率低、價格昂貴等問題；而20Mn23Al無磁鋼與低碳鋼的復合結構件不僅能保證強度，起到防止漏磁的作用，還能降低生產(chǎn)成本，這彌補了單一材料的不足[15]。在無磁鋼與低碳鋼連接過程中，焊縫區(qū)域易產(chǎn)生脆性馬氏體相，導致接頭的開裂傾向增大；同時由于兩種鋼的熱物理性能存在差異，焊接接頭容易產(chǎn)生應力集中，增大焊接件的變形，嚴重影響接頭的服役性能。目前，解決20Mn23Al無磁鋼與低碳鋼之間的焊接難題成為研究熱點。作者采用E316LT0-1不銹鋼焊絲對Q345B低碳鋼和20Mn23Al無磁鋼進行異種材料焊接，研究了焊接接頭的顯微組織和力學性能，以期為實際生產(chǎn)中這兩種鋼材之間的焊接提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

母材為Q345B低碳鋼和20Mn23Al無磁鋼，尺寸均為300 mm×150 mm×16 mm；焊接材料為直徑1.2 mm的E316LT0-1不銹鋼焊絲。母材和焊絲的化學成分見表1，拉伸性能見表2。

表1 母材與焊絲的化學成分(質(zhì)量分數(shù))

表2 母材與焊絲的拉伸性能

使用Panasonic YD-500GL型氣體保護焊機進行熔化極氣體保護焊(MAG)，采用對接接頭形式，坡口為雙V形坡口。焊前利用機械清理和超聲清洗將坡口周圍10～20 mm范圍內(nèi)的鐵銹、氧化皮及其他雜物去除。采用多層多道焊接方法，焊接過程中每一層焊道都進行機械打磨以清除焊縫表面雜質(zhì)及缺陷。采用正反面依次焊接成形工藝，接頭尺寸和熔覆順序如圖1所示；這種工藝有利于減小焊接接頭的熱變形量。焊接時使用的保護氣體為體積分數(shù)80%氬氣+體積分數(shù)20%CO2，氣體流量為15 L·min-1，焊接速度在3～4 mm·s-1，打底焊焊接電流為180～186 A、焊接電壓為25～26 V，填充焊和蓋面焊的焊接電流為190～202 A、焊接電壓為26～27 V。

圖1 焊接接頭尺寸和熔敷順序Fig.1 Size and cladding sequence of welded joint

1.2 試驗方法

利用超聲波儀檢測焊縫內(nèi)部質(zhì)量，在檢測合格的焊接接頭上距起弧或熄弧位置大于25 mm處截取尺寸為25 mm×10 mm×16 mm的金相試樣，研磨、拋光后，用體積分數(shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕Q345B鋼側，用由10 mL鹽酸+1 g氯化鐵組成的溶液腐蝕20Mn23Al鋼側和焊縫，采用SM-6700F型掃描電鏡(SEM)觀察焊接接頭顯微組織，利用附帶的能譜儀(EDS)進行微區(qū)成分分析。

在檢測合格的焊接接頭上，以焊縫為中心垂直于焊縫截取如圖2(a)所示的拉伸試樣，在HT-2402型拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為2 mm·min-1。使用MHV1000Z型數(shù)顯顯微維氏硬度計測試焊接接頭的顯微硬度，載荷為0.98 N，保載時間為15 s，從焊縫向兩側母材每隔2 mm取點測試，測試位置如圖2(b)所示。

圖2 拉伸試樣尺寸及硬度測試位置Fig.2 Size of tensile sample (a) and position of hardness test (b)

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖3(a)可以看出，Q345B低碳鋼的室溫組織為黑色珠光體+白色鐵素體，沿軋制方向呈帶狀分布。由圖3(b)和圖3(c)可以看出，Q345B鋼側過熱粗晶區(qū)的組織主要為針狀貝氏體和魏氏體，相變重結晶區(qū)的組織主要為珠光體和鐵素體。在焊接過程中，靠近焊縫區(qū)域的加熱溫度超過1 100 ℃，該處金屬處于過熱狀態(tài)，奧氏體晶粒長大嚴重，并且由于板厚較大，焊后冷卻速率較快，因此形成了粗大的淬硬組織；離焊縫較遠區(qū)域的金屬被加熱到Ac3(加熱時鐵素體全部轉變?yōu)閵W氏體的終了溫度)以上而發(fā)生重結晶，冷卻后得到均勻細小的珠光體和鐵素體，這對該區(qū)域強度和韌性的提高有積極作用。由圖3(d)和圖3(e)可以看出，20Mn23Al鋼的室溫組織為孿晶奧氏體和少量鐵素體，與母材相比，熱影響區(qū)(HAZ)晶粒發(fā)生了明顯粗化，近焊縫區(qū)的晶粒粗化嚴重。這會導致該區(qū)域的塑韌性較差，容易出現(xiàn)脆化和開裂現(xiàn)象。

圖3 焊接接頭熱影響區(qū)和母材的顯微組織Fig.3 Microstructures of heat-affected zone and base metals of welded joint: (a) Q345B steel base metal; (b) overheated coarse-grained zone, Q345B steel side; (c) phase transformation recrystallization zone, Q345B steel side; (d) 20Mn23Al steel base metal and (e) heat-affected zone, 20Mn23Al steel side

由圖4可以看出，焊縫中心填充焊層的顯微組織由骨骼狀的δ鐵素體和奧氏體組成，打底焊層的顯微組織主要由細小的樹枝狀鐵素體和奧氏體組成，奧氏體基體上彌散分布著少量的碳化物顆粒，未見脆性馬氏體相。根據(jù)焊縫金屬凝固結晶的特征及舍弗勒組分圖[16-17]，當鉻鎳當量在1.5～2.0之間時，凝固模式為FA(鐵素體+奧氏體)模式，即以δ鐵素體為先析出相，通過包晶反應和共晶反應生成奧氏體。由于焊接試樣的尺寸較大，大部分熱量通過熱傳導方式快速散失，焊后冷卻速率較大，而δ鐵素體轉變?yōu)閵W氏體是一個緩慢的過程，因此δ鐵素體向奧氏體的轉變不完全，部分δ鐵素體保留下來。打底焊層由于受到多次熱循環(huán)作用，焊縫中的鐵素體形態(tài)發(fā)生了變化，形成了大量的樹枝狀鐵素體。鐵素體的存在可防止焊縫中產(chǎn)生熱裂紋，提高焊接接頭的塑韌性和耐晶間腐蝕性能。

圖4 焊接接頭焊縫的顯微組織Fig.4 Microstructure of weld zone of welded joint: (a) filling weld layer and (b) backing weld layer

2.2 微區(qū)成分

由圖5可以看出：焊縫和母材Q345B鋼中的鉻元素存在濃度梯度，鉻元素向母材中擴散，形成了厚度約為15 μm的擴散層;焊縫區(qū)鉻元素含量較高，這不利于焊接接頭的塑性和韌性；錳、鎳元素也發(fā)生了一定程度的擴散。

圖5 Q345B鋼側熔合線附近元素線掃描位置及結果Fig.5 Element linear scanning position (a) and results (b) near fusion line on Q345B steel side

由圖6可以看出，在20Mn23Al鋼側熔合線處，鉻和鎳元素由焊縫向20Mn23Al鋼中擴散，而鋁和錳元素則由20Mn23Al鋼向焊縫中擴散，形成的合金元素擴散層厚度約為25 μm，這有利于提高焊接接頭的強度和抗氧化性。元素擴散主要受濃度梯度驅使。

圖6 20Mn23Al鋼側熔合線附近元素線掃描位置及結果Fig.6 Element linear scanning position (a) and results (b-c) near fusion line on 20Mn23Al steel side:(b) chromium and nickel distribution and (c) aluminum and manganese distribution

2.3 拉伸性能

在試驗條件下拉伸后，焊接接頭均在Q345B鋼母材處斷裂。測得焊接接頭的平均屈服強度為395 MPa，高于2種母材屈服強度的下限值，抗拉強度為498 MPa，斷后伸長率為29.5%，抗拉強度和斷后伸長率均高于Q345B鋼的下限值但低于20Mn23Al鋼的下限值，拉伸性能優(yōu)于Q345B鋼但略差于20Mn23Al鋼。

結合組織分析可知：焊縫中的δ鐵素體連續(xù)且密集地分布在奧氏體基體上，使得晶界增多，有效阻礙了位錯運動；同時，焊絲及母材中的部分合金元素在高溫熔融狀態(tài)下會與碳元素反應形成碳化物，對位錯運動起到釘扎作用，從而使焊縫強化。焊接過程中采用多層多道焊工藝，后一道焊縫對前一道焊縫起到熱處理作用，降低了焊縫的殘余應力，有利于提高焊縫質(zhì)量。在濃度梯度的驅使下，鎳、鉻等元素發(fā)生了充分的擴散，對兩側熱影響區(qū)起到固溶強化作用，提高了該區(qū)域的強度[18]。Q345B鋼母材組織主要為鐵素體和珠光體，具有較好的韌性，但強度較低，是焊接接頭薄弱區(qū)，因此拉伸時均在該區(qū)域斷裂。

2.4 硬 度

由圖7可以看出：焊接接頭焊縫區(qū)的硬度最大，熱影響區(qū)硬度次之，母材硬度最?。?0Mn23Al鋼側熱影響區(qū)的硬度高于Q345B鋼側的。焊縫中合金元素的含量高于兩側母材的，這些合金元素起到細晶強化和固溶強化作用，提高了焊縫區(qū)域的硬度。在較大焊接熱輸入作用下，Q345B鋼側熱影響區(qū)的晶粒發(fā)生粗化，并出現(xiàn)少量淬硬組織，因此熱影響區(qū)的硬度高于Q345B鋼母材的；在20Mn23Al鋼側熱影響區(qū)，在濃度梯度的驅使下，鎳、鉻等元素充分擴散，起到固溶強化作用，因此該區(qū)域的硬度較20Mn23Al鋼母材高。

圖7 焊接接頭顯微硬度分布曲線Fig.7 Microhardness distribution curve of welded joint

3 結 論

(1) Q345B低碳鋼和20Mn23Al無磁鋼異種金屬焊接接頭焊縫區(qū)填充焊層組織主要為骨骼狀的δ鐵素體和奧氏體，打底焊層主要為樹枝狀鐵素體和奧氏體，奧氏體基體上分布著少量碳化物；Q345B鋼側過熱粗晶區(qū)組織為貝氏體和魏氏體，相變重結晶區(qū)組織為珠光體和鐵素體，20Mn23Al鋼側熱影響區(qū)組織為孿晶奧氏體和少量鐵素體。

(2) 母材和焊縫中的合金元素存在濃度梯度，使得合金元素沿熔合線發(fā)生互擴散，Q345B鋼側擴散層厚度在15 μm左右，20Mn23Al鋼側在25 μm左右。

(3) 拉伸過程中，焊接接頭均斷裂于Q345B鋼母材；接頭拉伸性能優(yōu)于Q345B鋼但略差于20Mn23Al鋼；接頭焊縫區(qū)域的硬度最大，熱影響區(qū)次之。