310s與Q235異種鋼焊接（性能）分析

陳　瑜（四川電力建設(shè)二公司，四川　成都　610051）

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310s與Q235異種鋼焊接（性能）分析

陳瑜（四川電力建設(shè)二公司，四川成都610051）

本文進(jìn)行310s與Q235異種鋼的焊接性能分析，首先通過(guò)舍弗勒組織圖選取合適焊接材料進(jìn)行手工電弧焊焊接實(shí)驗(yàn)，并采取光學(xué)顯微鏡和顯微硬度計(jì)來(lái)觀察微觀焊接組織，來(lái)分析310s與Q235異種鋼的焊接性能。結(jié)果表明：焊縫的組織為奧氏體、馬氏體和少量的鐵素體，熔合區(qū)靠近310s一側(cè)存在著增碳的情況，靠近Q235一側(cè)存在脫碳，并且焊接接頭性能較好，證明焊接工藝參數(shù)選用正確；焊縫的強(qiáng)度高于兩側(cè)母材強(qiáng)度，低于熱影響區(qū)強(qiáng)度，符合焊材等強(qiáng)匹配原則。

310s；Q235；異種鋼；組織；硬度

引言

目前隨著我國(guó)工業(yè)步伐的不斷加快，在機(jī)械電力石油化工等行業(yè)中，異種鋼的焊接結(jié)構(gòu)被越來(lái)越多的廣泛使用，使用異種鋼焊接結(jié)構(gòu)，能合理的使用材料，充分發(fā)揮每一種材料的特性。不但可以節(jié)約大量的高合金鋼，減輕設(shè)備的重量，降低成本而且能夠提高結(jié)構(gòu)的工作和使用性能。因此，使用異種鋼焊接結(jié)構(gòu)件，具有非常大的技術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意識(shí)，異種鋼焊接必然會(huì)在以后的電力建設(shè)施工焊接技術(shù)更新起著至關(guān)重要的推動(dòng)作用。

1　焊條的選擇

310s不銹鋼是屬于奧氏體鉻鎳不銹鋼，具有很好的抗氧化性、耐腐蝕性，310s奧氏體型不銹鋼的化學(xué)成分特性是以鉻、鎳為基礎(chǔ)添加鉬、鎢、鈮和鈦等元素，由于其組織為面心立方結(jié)構(gòu)，因而在高溫下有高的強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度。Q235屬于普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，主要由鐵素體與珠光體構(gòu)成，故也屬于珠光體鋼。當(dāng)奧氏體不銹鋼與珠光體鋼焊接時(shí)，因?yàn)橹楣怏w鋼母材的稀釋作用，導(dǎo)致焊縫的成份和構(gòu)造發(fā)生了巨大的變化。為了確保焊縫成分合理，經(jīng)過(guò)選取填充金屬成分和控制熔合比，能夠在十分寬廣的范圍中調(diào)整焊縫的成分和組織性能。應(yīng)指出的是奧氏體與珠光體異種鋼焊接時(shí)，因?yàn)槟覆臒崽幚硇阅艿牟顒e和電弧偏吹的存在，二者的熔化量必然是不相同的，珠光體鋼一側(cè)的熔化量可能要大一些。異種奧氏體鋼焊接時(shí)，主要是依據(jù)焊件的工作條件，以及奧氏體鋼本身的性能選用相應(yīng)的奧氏體不銹鋼焊條。本次試驗(yàn)采用的是310s奧氏體不銹鋼和Q235低碳鋼的焊接，其成分如表1所示。

表1　310s和Q235的化學(xué)成分

首先按照母材和焊條化學(xué)成分的化驗(yàn)結(jié)果，選擇出w（c）低于0.15%的幾種焊條A137、A102、A307，然后根據(jù)化驗(yàn)的化學(xué)成分，分別算出Cr、Ni當(dāng)量舍夫勒?qǐng)D中的鉻、鎳當(dāng)量公式如下所示：

分別算出Cr、Ni當(dāng)量，記錄如表2所示。

表2　鉻、鎳當(dāng)量值

圖1為奧氏體異種鋼的焊縫組織圖，根據(jù)表2的數(shù)據(jù)在舍夫勒組織圖上找出對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，如圖1所示。

圖1　勒組織圖

通過(guò)圖1舍夫勒組織圖分析，再綜合其他的要素可以得出：

e～f段是采用的A307焊條時(shí)焊縫組織的熔合變化線，要是母材的熔合比控制在30～40%，在熔合變化線e～f段上求得的焊縫位置是在m～n段，此時(shí)的焊縫組織為含3%鐵素體的奧氏體+鐵素體的雙向組織，抗裂性較好。而且A307焊條本身屬于低氫型焊條，也有抗裂的性能。所以焊接310s奧氏體與Q235碳鋼選擇A307型焊條最為合理。同時(shí)焊接電流交直流都可用，但是直徑是3.2mm，最好采用直流電源，電流不宜過(guò)大。

2　焊接工藝參數(shù)的確定

本次實(shí)驗(yàn)是310s和Q235異種鋼的對(duì)接焊，又結(jié)合焊條直接與焊件厚度等焊接要素所以選擇直徑為3.2mm的A307焊條。

（1）表3是焊條直徑和焊接電流的關(guān)系：

表3　焊條直徑和焊接電流的關(guān)系

根據(jù)焊條的直徑，所以選擇120A的電流來(lái)進(jìn)行310s不銹鋼和Q235低碳鋼的對(duì)接焊。

（2）焊接速度的選擇：采用較快的焊接速度進(jìn)行焊接，在此選擇100～150mm/min的焊接速度。

（3）電源種類和極性的選擇：采用直流反接，來(lái)提高焊接接頭質(zhì)量。

3　金相組織的分析

3.1下面是焊接接頭組織的圖片及分析

3.1.1母材Q235和310s

圖2所示是母材310s奧氏體不銹鋼的金相圖，其微觀組織都主要是單相的奧氏體組織，可以發(fā)現(xiàn)其中平直晶界的數(shù)量較多，這是低Σ晶界的特點(diǎn)，這種情況在奧氏體不銹鋼中出現(xiàn)的比較多。

圖2　310s母材組織圖

圖3　Q235母材組織圖

圖3為母材Q235的金相組織圖，Q235作為亞共析鋼，其金相組織主要由鐵素體和細(xì)小的粒狀珠光體組成，基體組織為塊狀鐵素體，黑色的組織為少量珠光體。

3.1.2熔合區(qū)

在焊縫與母材交界處的金屬區(qū)域?yàn)槿酆蠀^(qū)。焊接時(shí)該區(qū)金屬處于局部熔化狀態(tài)，加熱溫度在固液相溫度區(qū)間，金屬?gòu)娜刍侥虝r(shí)間非常短，在這段時(shí)間內(nèi)，冶金反應(yīng)是不平衡的，從而使焊縫金屬的成分分布不均勻，有時(shí)區(qū)域偏析很大，組織相對(duì)也不穩(wěn)定。310s和Q235異種鋼焊接有兩條融合線，當(dāng)然就有兩個(gè)熔合區(qū)，在本次金相實(shí)驗(yàn)中，一側(cè)是焊縫與Q235碳鋼的熔合區(qū)，另一側(cè)是焊縫與310s不銹鋼的熔合區(qū)（如圖4～5）。

圖4　不銹鋼一側(cè)

圖5　碳鋼一側(cè)

從靠近不銹鋼側(cè)的熔合區(qū)圖4可以很明顯的看出在焊縫與不銹鋼的熔合線附近組織較為復(fù)雜，這是由于該區(qū)的不銹鋼處于半熔化狀態(tài)，在隨后冷卻的過(guò)程中形成的。并且焊縫與310s不銹鋼的熔合區(qū)附近存在著暗色增碳層。

在靠近在碳鋼一側(cè)如圖5熔合區(qū)的晶粒呈顆粒狀，晶粒的晶界比較平直為多邊形。但是，靠近焊縫的熔合區(qū)組織明顯比母材的組織粗大，且隨著焊縫距離的增加，晶粒的尺寸在減小。這是因?yàn)楹缚p與Q235的熔合區(qū)附近形成了脫碳層。存在增碳和脫碳的主要是由于碳的擴(kuò)散和遷移。這是因?yàn)椋?/p>

（1）碳的活度：碳原子為間隙型原子，間隙原子比置換型原子的擴(kuò)散系數(shù)大于100左右。

（2）合金元素的影響：合金元素也是碳的擴(kuò)散遷移的重要因素，但這都取決于碳的活度系數(shù)，Cr元素與碳的活度系數(shù)有著密切的關(guān)系，因?yàn)镃r元素是碳化物的形成元素，它能降低碳的活度系數(shù)。310s奧氏體不銹鋼含有較高的碳化物形成元素，碳在焊縫處的活度系數(shù)較小，又由于碳的擴(kuò)散能力很強(qiáng)，碳就會(huì)通過(guò)焊縫邊界向靠近不銹鋼一側(cè)擴(kuò)散而和鉻形成碳化物，靠近低碳鋼側(cè)會(huì)因碳的遷移而貧碳。

（3）晶體結(jié)構(gòu)的影響：晶體結(jié)構(gòu)對(duì)碳的擴(kuò)散遷移也有影響，碳在r-Fe中的活度系數(shù)小于碳在a-Fe中的活度系數(shù)，所以在冷卻的過(guò)程中，Q235中的碳就會(huì)向不銹鋼一側(cè)的焊縫擴(kuò)散。

3.1.3焊縫

圖6　焊縫組織

由焊縫組織圖6可以看出，其中含有為板條狀馬氏體，位于靠近碳鋼一側(cè)的焊縫組織，這些組織具有不均勻的化學(xué)成分，所以力學(xué)性能較差，還有少量殘余奧氏體以及一定的珠光體。因?yàn)樘嫉臄U(kuò)散遷移造成了熔合區(qū)形成擴(kuò)散層。碳元素從珠光體母材Q235向奧氏體焊縫擴(kuò)散，而Cr，Ni元素就從焊縫向母材熔合區(qū)擴(kuò)散遷移。同時(shí)因?yàn)樘荚影霃叫。芘cFe元素形成間隙固溶體，所以在熔合區(qū)靠近母材Q235一側(cè)形成脫碳層，而奧氏體一側(cè)就形成了高硬度的黑色增碳層。焊縫中間部位的化學(xué)成分和物理成分與焊縫的邊緣成分差別很大，因此，在焊縫不同區(qū)域其顯微組織就有一定的差異。

3.2焊接接頭硬度測(cè)試結(jié)果及分析

將做顯微硬度實(shí)驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)用表4的形式表示出來(lái)，硬度值分別是從母材Q235低碳鋼到焊縫再到母材310s不銹鋼的順序依次測(cè)試出來(lái)的。

表4　母材Q235到焊縫再到母材310s的硬度值

然后根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)繪制硬度分布趨勢(shì)圖如圖7所示。

圖7　硬度值的曲線分布圖

由圖表和曲線圖可以很清楚的看到從母材Q235-熱影響區(qū)-焊縫-熱影響區(qū)-母材310s的硬度值分布。由此可以分析：

（1）由于母材Q235和310s都沒(méi)有熱處理的作用，所以含碳量越高的母材，其硬度值也就越高，而Q235的含碳量比310s的含碳量高，所以可以很清楚的從曲線圖看出Q235的硬度值比310s的硬度值高。

（2）同一個(gè)區(qū)域在不同單位上的硬度值是不一樣的，所以在確定某一區(qū)域的硬度值的時(shí)候需要多取幾個(gè)點(diǎn)測(cè)試硬度來(lái)求平均值，這樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)更精確。

（3）因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中的強(qiáng)度匹配原則，焊縫的平均硬度應(yīng)該高于兩側(cè)母材的硬度，由上面圖表也可以看出焊縫的硬度值要稍高于母材310s和Q235的硬度值。

（4）在熱影響區(qū)，由于焊接時(shí)候的熱循環(huán)作用，這時(shí)的硬度值也會(huì)比母材要高，并且從上圖可以看出越接近焊縫的區(qū)域，硬度值越高，但是由于 Q235是低碳鋼，其含碳量要高于310s，所以熱影響區(qū)的硬度值也普遍高于310s一側(cè)的熱影響區(qū)的硬度值。

4　結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)310s和Q235異種鋼焊接接頭進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）由焊縫組織分析，選用焊條A307直徑3.2的焊條和120A電流比較適合310s和Q235異種鋼焊接。

（2）從焊接接頭整體的硬度分布來(lái)看，焊縫強(qiáng)度稍大于兩側(cè)母材強(qiáng)度，證明A307符合焊材等強(qiáng)匹配原則，熱影響區(qū)由于熱循環(huán)作用，所以其硬度值高略高于其他區(qū)域。

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陳 瑜（1982-），女，工程師，華北電力大學(xué)畢業(yè)，主要從事焊接技術(shù)、焊工培訓(xùn)，施工管理等工作，曾參加海外電力工程建設(shè)，有多個(gè)大型電廠建設(shè)的施工管理經(jīng)驗(yàn)。

TG407

A

2095-2066（2016）13-0022-03

2016-4-2