建筑結(jié)構(gòu)用鋼2Cr13和1Cr18Ni9焊接接頭的組織與力學(xué)性能分析

劉 婷

（中鐵十八局勘察設(shè)計(jì)院，天津300222）

0 引言

焊接技術(shù)自20世紀(jì)初發(fā)展至今，已經(jīng)成為現(xiàn)代生產(chǎn)中一門不可或缺的重要的制造技術(shù)［1］。焊接技術(shù)不僅可以很方便地實(shí)現(xiàn)金屬材料的高效連接，節(jié)約成本，同時(shí)還可以取得較好的材料力學(xué)性能，在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。目前，我國的工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)、高層建筑以及大跨空間結(jié)構(gòu)等都采用了大量的焊接鋼結(jié)構(gòu)，一些國外先進(jìn)的焊接技術(shù)如電阻焊、攪拌摩擦焊、激光焊接等也在我國得到廣泛應(yīng)用［2－3］。

由于鋼材焊接過程中，會(huì)不可避免地出現(xiàn)焊接缺陷，影響焊接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，成為導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞的薄弱環(huán)節(jié)［4－5］。因此，對(duì)不同建筑鋼筋材料和不同焊接技術(shù)下的焊接接頭進(jìn)行組織和力學(xué)性能的分析很有必要，有利于提高焊接結(jié)構(gòu)的安全性能。

本文分析對(duì)比了不同建筑用鋼材料和不同焊接技術(shù)組合的焊接接頭組織，得到了不同焊接接頭的拉伸強(qiáng)度和斷裂分析比較結(jié)果。通過比較結(jié)果，選出最優(yōu)的焊接組合，達(dá)到材料和性能最優(yōu)的目的。

1 試驗(yàn)方案的擬定

1.1 試驗(yàn)用母材的選取

試驗(yàn)選取馬氏體不銹鋼鋼2Cr13和奧氏體不銹鋼鋼1Cr18Ni9為母材，化學(xué)成分組成見表1。試驗(yàn)鋼板尺寸均為30mm×25mm×4mm。試驗(yàn)前對(duì)2Cr13不銹鋼板進(jìn)行淬火和高溫回火處理，提高其塑性變形能力。

表1 化學(xué)成分 質(zhì)量分?jǐn)?shù)w%

1.2 焊接材料的選用

為了避免焊接過程中由于母材稀釋導(dǎo)致焊縫中存在含量過高的馬氏體，該試驗(yàn)過程中所用的焊接材料為鉻鎳含量較高的1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼焊絲。針對(duì)該試驗(yàn)，這種焊接材料選用方式有利于保證焊縫質(zhì)量及試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.3 試驗(yàn)方案

該試驗(yàn)焊接方法采用攪拌摩擦焊（FSW）和鎢極氣體保護(hù)焊（GTAW）兩種焊接方法。通過不同母材及不同焊接方法的組合，該試驗(yàn)確定出3種試驗(yàn)方案，試驗(yàn)方案1：2塊1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼板采用GTAW焊接方法；試驗(yàn)方案2：采用GTAW焊接方法對(duì)1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼板母材和2Cr13馬氏體不銹鋼板母材進(jìn)行焊接；試驗(yàn)方案3：采用FSW焊接方法對(duì)1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼板母材和2Cr13馬氏體不銹鋼板母材進(jìn)行焊接。通過比對(duì)試驗(yàn)方案1和試驗(yàn)方案2的試驗(yàn)結(jié)果，可以得到不同試驗(yàn)?zāi)覆膶?duì)焊接接頭的組織及力學(xué)性能的影響，通過比對(duì)實(shí)驗(yàn)方案2和試驗(yàn)方案3可以得到不同焊接方法對(duì)焊接接頭的組織及力學(xué)性能的影響。

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過程中采用ZEISS蔡司光學(xué)顯微鏡對(duì)試驗(yàn)?zāi)覆倪M(jìn)行組織及焊接接頭的金相組織進(jìn)行觀察，對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)的顯微硬度的測(cè)定則選用（HVS－1000）顯微硬度計(jì)來實(shí)現(xiàn)。為了測(cè)定焊接接頭處的力學(xué)性能，該試驗(yàn)將兩種不銹鋼母材和焊接后的焊接件分別制成滿足試驗(yàn)方案的拉伸試樣，試樣的制備標(biāo)準(zhǔn)按照GB 2975－82《鋼材力學(xué)及工藝性能取樣規(guī)定》進(jìn)行，利用CSS－88500萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)定制備試樣的抗拉強(qiáng)度指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)?zāi)覆娘@微組織分析

試驗(yàn)開始前，為了更好地掌握2Cr13馬氏體不銹鋼母材和1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼母材在焊接前的金相組織，該試驗(yàn)對(duì)原始母材不銹鋼材料進(jìn)行了顯微組織觀察，觀察結(jié)果如圖1所示。

圖1 顯微鏡下不銹鋼母材的金相組織

從觀測(cè)結(jié)果可以看出，試樣中采用的經(jīng)淬火＋高溫回火處理的2Cr13馬氏體不銹鋼的金相組織為回火索氏體組織，顯微鏡結(jié)果顯示回火索氏體組織中的馬氏體特征比較明顯，基本符合馬氏體具有的板條的特征。試驗(yàn)中選用的2Cr13馬氏體不銹鋼母材金相組織屬于正常調(diào)質(zhì)組織，試驗(yàn)中選用的1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼母材所具有的金相組織為單相的奧氏體組織，這類不銹鋼的晶?；旧鲜堑容S晶，晶粒的平均粒度大約在15μm左右，組織中的內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)為孿晶。

2.2 焊接接頭組織觀察及分析

對(duì)采用上述試驗(yàn)方案焊接而成的各種同種不銹鋼及異種不銹鋼焊接接頭采用金相顯微鏡進(jìn)行宏觀觀察，焊接接頭微觀組織圖如圖2所示，其中圖2（a）表示采用GTAW焊接方法焊接兩塊1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼板母材，圖2（b）表示采用GTAW的焊接方法焊接1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼板母材和2Cr13馬氏體不銹鋼板母材，圖2（c）表示采用FSW焊接方法焊接1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼板母材和2Cr13馬氏體不銹鋼板母材。

觀察結(jié)果顯示各種方案所得到的焊縫均不存在咬邊現(xiàn)象，焊縫平整飽滿，焊縫內(nèi)部不存在氣孔等缺陷。

由圖2（a）可以看出，1Cr18Ni9顯微組織為奧氏體，塑性比馬氏體好，采用鎢極氣體保護(hù)焊（GTAW），焊縫兩側(cè)形成較為明顯的融合區(qū)，同時(shí)伴隨明顯的晶粒細(xì)化現(xiàn)象，在融合過渡區(qū)有鐵素體出現(xiàn)。

由圖2（b）可以發(fā)現(xiàn)，在焊縫比較靠近奧氏體的部分，焊縫區(qū)域的金屬從熔融狀態(tài)至冷卻狀態(tài)時(shí)，焊縫金屬中鉻元素的含量較高，但與此同時(shí)鎳元素的含量也很高，鎳元素對(duì)于奧氏體區(qū)的擴(kuò)大有重要作用，因此，靠近奧氏體的焊縫部分存在奧氏體組織，這部分焊縫金屬的金相組織甚至于在室溫下都具有奧氏體組織的特征。焊縫部分靠近馬氏體的一側(cè)，由于馬氏體不銹鋼具有含量較高的鉻元素，同時(shí)馬氏體不銹鋼的淬透性很好，在非?？拷R氏體的焊縫部分由于離母材較近，其從熔融狀態(tài)向冷卻狀態(tài)的冷卻速度較快，空冷時(shí)會(huì)形成少量的馬氏體組織，但可能是由于馬氏體鋼塑性變形能力較差的緣故，焊縫金屬離馬氏體較遠(yuǎn)部位幾乎不存在馬氏體組織，焊縫金屬的中心位置會(huì)有少量的鐵素體和奧氏體。融合區(qū)兩側(cè)的母材均形成明顯的柱狀晶體。

從圖2（c）可以看出，焊縫結(jié)合緊密。在焊縫兩側(cè)，由于熱作用和機(jī)械攪拌共同作用下，焊縫兩側(cè)母材的晶體都被拉長(zhǎng)且伴隨一定程度的彎曲變形，奧氏體晶體的拉長(zhǎng)現(xiàn)象比馬氏體明顯。

圖2 焊接接頭焊縫中心的微觀組織

2.3 焊接接頭的力學(xué)性能分析

為測(cè)定不同建筑鋼筋材料和不同焊接技術(shù)下的焊接接頭焊接后的力學(xué)性能，焊接完成后，該試驗(yàn)采用顯微硬度儀（HVS－1000）來測(cè)試3種試驗(yàn)方案所得到的焊接接頭的顯微硬度，利用CSS－88500萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)定3種試驗(yàn)方案所得到的焊接接頭的拉伸性能。

2.3.1 焊接接頭顯微硬度測(cè)定

測(cè)試過程中坐標(biāo)原點(diǎn)選在焊縫中心位置處，然后沿著坐標(biāo)原點(diǎn)向母材兩邊對(duì)稱的選取硬度點(diǎn)測(cè)試點(diǎn)，直到測(cè)試點(diǎn)進(jìn)入到兩邊相應(yīng)的母材區(qū)域范圍內(nèi)。焊接接頭顯微硬度的測(cè)試結(jié)果如圖3所示，其中，方案1、2、3分別對(duì)應(yīng)圖3中的曲線1、2、3。通過對(duì)圖形進(jìn)行分析，得出的結(jié)論如下：

1）在焊縫兩端的母材熱影響區(qū)的焊縫區(qū)域內(nèi)，該部分區(qū)域的顯微硬度在數(shù)值上呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)性。顯微硬度峰值出現(xiàn)在兩側(cè)熱影響區(qū)和焊縫交界部位處，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是由于馬氏體不銹鋼母材在試驗(yàn)前經(jīng)過了回火處理，該母材中的金相組織為回火索氏體組織，使得試驗(yàn)用的馬氏體不銹鋼母材的硬度降低。

2）試驗(yàn)所用的奧氏體不銹鋼母材則經(jīng)過1 050～1 100℃的固溶處理，其硬度也較低。在高溫焊接過程中，由于2Cr13馬氏體不銹鋼母材具有很好的淬透性，使得在焊縫金屬靠近馬氏體母材的部分在空冷過程中會(huì)形成一定數(shù)量的馬氏體組織，這種現(xiàn)象在馬氏體熱影響區(qū)和焊縫的交接部位表現(xiàn)的更為明顯，該部位焊接后的冷卻速度較快，形成的馬氏體組織數(shù)量較多，從一定程度上提高了這部分的顯微硬度，這一現(xiàn)象可從顯微硬度曲線中得到很好的反映，該部分焊接接頭的顯微硬度在整個(gè)全部測(cè)試點(diǎn)范圍內(nèi)是最高的。

3）在靠近奧氏體一側(cè)的熱影響區(qū)，顯微硬度峰值同樣出現(xiàn)在焊縫和熱影響區(qū)交界部位處，這主要是由于焊接完成后在冷卻的過程中，熔合線附近的焊縫金屬冷卻速度較其他位置快，該部分焊縫金屬首先凝固結(jié)晶，會(huì)形成細(xì)小的等軸狀晶粒，這種晶粒組織的金屬硬度較大。

4）方案2的異體鋼焊接接頭顯微硬度比方案1的同種鋼材焊接接頭顯微硬度有所降低。采用摩擦攪拌焊，異體鋼的焊接接頭中心區(qū)域顯微硬度比氣體保護(hù)焊有所提高。

圖3 焊接接頭顯微硬度

2.3.2 焊接接頭的拉伸性能

通過對(duì)母材及含焊接縫的焊接件試驗(yàn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)得試驗(yàn)所用的1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼母材的抗拉強(qiáng)度大約為523MPa，2Cr13馬氏體不銹鋼母材的抗拉強(qiáng)度大約637MPa，這與相關(guān)1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼的抗拉強(qiáng)度≥500MPa，2Cr13馬氏體不銹鋼的抗拉強(qiáng)度≥600MPa的規(guī)定相符，故試驗(yàn)選材滿足有關(guān)規(guī)定，所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠反映焊接接頭的拉伸性能。

按照GB／T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如下：方案1焊接接頭抗拉強(qiáng)度為505MPa，相對(duì)于母材1Cr18Ni9（抗拉強(qiáng)度523MPa）下降3.44%。方案3由于采用了摩擦攪拌焊，沒有明顯的焊縫融合區(qū)，焊縫接頭的抗拉強(qiáng)度為516MPa，很接近母材奧氏體不銹鋼的抗拉強(qiáng)度，力學(xué)性能最好。

通過對(duì)3種方案拉伸性能測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分對(duì)比析，得到如下結(jié)論：

1）由方案1與方案2可以看出：采用同一焊接方式不同的試驗(yàn)?zāi)覆?，所得的抗拉?qiáng)度不同。異體鋼焊接會(huì)對(duì)焊接接頭的組織性能產(chǎn)生影響，降低焊接接頭的力學(xué)性能。

2）由方案2與方案3可以發(fā)現(xiàn)，采用同種試驗(yàn)?zāi)覆牟煌暮附臃绞剑玫目估瓘?qiáng)度具有差異。二者的焊接母材雖相同，但是選用摩擦攪拌焊這一較為先進(jìn)的焊接方法，能夠使焊接接頭的抗拉強(qiáng)度得到較大的提高。

3 結(jié)語

本文分析對(duì)比了不同焊接材料和焊接方法組合下的焊接接頭，觀測(cè)了焊接接頭的顯微組織，并對(duì)焊縫中心區(qū)域的顯微硬度和焊接接頭的拉伸強(qiáng)度等相關(guān)力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)定。試驗(yàn)結(jié)果表明，異體鋼焊接會(huì)對(duì)焊接接頭的組織產(chǎn)生影響，降低焊接接頭的力學(xué)性能。采用先進(jìn)的焊接方法，可以提高異體鋼焊接接頭的組織和力學(xué)性能。

［1］姚河清，陳亞政，孟慶芹.現(xiàn)代焊接技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀及展望［J］.河海大學(xué)常州分校學(xué)報(bào)，2004，18（3）：7－10.

［2］李德全，付濤，袁擇，等.國內(nèi)焊接技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.現(xiàn)代焊接，2008，61（1）：9－12.

［3］林尚揚(yáng).我國焊接生產(chǎn)現(xiàn)狀與焊接技術(shù)的發(fā)展［J］.船舶工程，2005，27（B05）：15－24.

［4］吳艾輝，麥勒·布萊恩，薩恩哲拉克斯·斯達(dá)夫絡(luò)斯.焊接缺陷對(duì)角焊接T－型節(jié)點(diǎn)承載能力的影響［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，36（2）：155－160.

［5］張樂樂，李培，劉晨.焊接缺陷對(duì)轉(zhuǎn)向架強(qiáng)度的影響［J］.中國鐵道科學(xué)，2010，31（2）：67－72.