022Cr23Ni5Mo3N與Q345B異種鋼焊接接頭的組織與力學性能分析

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域使用了雙相不銹鋼與低合金高強度結構鋼的焊接結構。異種鋼焊接結構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構鋼，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和低合金高強度結構鋼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鐵素體又轉變?yōu)閵W氏體[5]。這樣熔合邊界上原來的BCC-FCC界面轉變?yōu)镕CCFCC界面，在界面的兩側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

拉伸與彎曲試驗結果分別如表2、表3所示。從拉伸試驗結果可以看出，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 拉伸試驗結果

表3 彎曲試驗結果

表4 沖擊試驗結果J

焊接接頭硬度分布如圖4所示，左側為022Cr-23Ni5Mo3N，右側為Q345B。由圖4可以看出，不銹鋼一側的母材和熱影響區(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，焊縫中鐵素體轉化為奧氏體不充分。②碳的擴散遷移。由于Q345B一側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一側的剪切點，右邊是Q345B一側的剪切點，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一側熱影響區(qū)、母材的剪切強度小于焊縫和022Cr23-Ni5Mo3N一側的熱影響區(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。

3 結論

（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，相對而言Q345B一側強度較低、塑性較高。

圖5 強度梯度曲線

圖6 塑性梯度曲線

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