Q235B/304復合板焊縫元素擴散分析與性能研究

張俠洲，王鳳會，陳延清，趙英建，劉 宏

（首鋼技術研究院，北京100043）

Q235B/304復合板焊縫元素擴散分析與性能研究

張俠洲，王鳳會，陳延清，趙英建，劉 宏

（首鋼技術研究院，北京100043）

采用SMAW焊接Q235B/304雙金屬復合板。利用光學顯微鏡和EDS分析焊接接頭顯微組織及合金元素分布，測試焊接接頭力學性能。結果表明，焊縫組織主要為奧氏體和少量δ鐵素體。碳鋼側熔合線附近C元素發(fā)生了少量擴散，Mo元素稀釋明顯，Cr元素有少量稀釋，Ni元素未出現(xiàn)明顯稀釋。THNi317-THA062焊縫金屬擴散層及不銹鋼側焊道未出現(xiàn)明顯的C元素擴散和合金元素稀釋。焊接接頭平均抗拉強度為501MPa，焊縫和熱影響區(qū)沖擊功分別為129J和65J，焊接接頭各區(qū)硬度均低于350HV10，滿足技術指標和使用性能要求。

Q235B/304復合板；顯微組織；元素擴散；力學性能

0 前言

近年來，雙金屬復合材料在石油化工、城市供水以及環(huán)境治理等方面得到廣泛應用。雙金屬復合板是碳鋼與耐蝕性材料通過冶金或者機械方法結合在一起，既具有碳鋼的力學性能，又保證了耐蝕性能，同時節(jié)約了成本[1-2]。

雙金屬復合板焊接工藝通常采用碳鋼焊材和不銹鋼焊材，焊接過程存在碳鋼中C元素向不銹鋼焊道擴散以及不銹鋼焊道Cr、Ni等合金元素向碳鋼焊道稀釋等問題，會降低不銹鋼側的耐蝕性能，同時碳鋼焊道易生成脆硬馬氏體組織，降低焊接接頭的力學性能[3]。因此設計合理的焊接工藝，降低C元素擴散和合金元素稀釋具有重要的意義。黃須強等人通過增加過渡層焊道降低合金元素的稀釋，保證焊接接頭的耐蝕性能[4]。

在此以Q235B/304雙金屬復合板為對象，研究焊接接頭合金元素稀釋情況，分析焊接接頭的力學性能，為雙金屬復合板焊接提供理論基礎和工藝指導。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用首鋼首秦公司生產的Q235B/304熱軋復合板，基層為Q235B碳鋼，厚度8 mm，復層為304奧氏體不銹鋼，厚度2 mm，生產標準為GB/T8165-2008《不銹鋼復合鋼板和鋼帶》。焊接試板尺寸600 mm×200 mm×10 mm。Q235B碳鋼和304不銹鋼主要化學成分如表1所示。為保證焊接接頭耐蝕性能，不銹鋼側焊道選用直徑4.0mm的THA042焊條。為防止碳鋼焊道熔入不銹鋼成分，生成脆硬組織，降低沖擊性能，Q235B側焊道選用直徑3.2mm的THNi317鎳基焊條，焊前在350℃下保溫2 h，主要化學成分如表2所示。

表1 Q235B碳鋼和304不銹鋼的主要化學成分%

表2 電焊條熔敷金屬的主要化學成分%

1.2 焊接工藝

復合板坡口形式如圖1所示，為了適應現(xiàn)場焊接，開帶鈍邊的單邊V形坡口。為防止焊后復合板不平，焊前留5°向不銹鋼側的預變形。復合板焊接需要保證焊接接頭的力學性能和不銹鋼復層側焊縫的耐蝕性能，焊接時先焊Q235B碳鋼側，采用三層三道焊接工藝和THNi317鎳基焊條，焊接過程中嚴格控制熱輸入，并保證層間溫度為50℃~80℃。碳鋼側焊完之后背側清根，再焊接304不銹鋼復層側，采用THA042焊條，工藝參數(shù)如表3所示。

1.3 組織觀察和性能檢測

焊后取尺寸40mm×15mm×10mm的焊接接頭橫截面，利用FeCl3（10 g）+HCl（24 ml）+蒸餾水（96 ml）配制的FeCl3腐蝕液進行腐蝕，采用DMI5000倒置顯微鏡觀察焊接接頭母材、熱影響區(qū)和焊縫組織。采用JSM-7001F場發(fā)射掃描電鏡自帶的EDS能譜儀分析焊縫熔合線附近元素成分變化及各焊道元素成分變化。

根據(jù)國標GB/T 228.1-2010、GB/T 2653-2008、GB/T19748-2005和GB/T4340-2009，利用Zwick/Roell Z1200電液伺服材料試驗機、彎曲試驗機、沖擊試驗機和顯微維氏硬度計檢測焊接接頭試樣的拉伸、彎曲、沖擊和硬度力學性能。

圖1 復合板焊接坡口形式

表3 復合板焊接工藝參數(shù)

2 試驗結果分析

2.1 焊接接頭金相組織

復合板焊接接頭金相組織如圖2所示。鎳基焊道的組織主要為奧氏體，其間有少量黑色蠕蟲狀δ鐵素體，組織均勻，總體上不同焊道晶粒尺寸相差不大。第1焊道和第3焊道因熱輸入較大，造成δ鐵素體含量較高。文獻[5]解釋鎳基焊條有利于防止C元素擴散和合金元素的稀釋，防止焊接接頭力學性能降低，并保證不銹鋼側具有較好的耐蝕性能[5]。第4焊道304不銹鋼焊道采用THA062焊條，其組織也是奧氏體和少量的骨架狀δ鐵素體，鐵素體含量較鎳基焊道高，根據(jù)舍弗勒焊縫組織圖計算得出焊縫室溫組織中存在10%～15%鐵素體相，焊縫的抗晶間腐蝕性能優(yōu)良。焊縫在中等冷卻速度下凝固，因此焊縫金屬是F-A模式結晶凝固，首先析出鐵素體F，A是經(jīng)過包晶-共晶反應形成，隨著鐵素體不斷消耗，奧氏體不斷生長，分布在F晶界或枝晶界處。

圖2 復合板焊接接頭金相組織

2.2 焊接接頭主要合金元素分布及元素擴散分析

各焊道主要元素成分測試結果如表4所示。與THNi317焊條成分相比，第1~3焊道Cr、Ni、Mo元素含量變化明顯。第1層焊道Cr、Ni、Mo元素含量明顯降低，主要是由于大熱輸入造成合金元素稀釋到碳鋼及熔合線附近，其次是部分合金元素燒損。第2焊道由于熱輸入較低，合金元素降低量減少。第3焊道Cr、Ni、Mo元素降低量少于第1、2焊道降低量，可能是第3焊道坡口面積較大，元素稀釋不明顯，或者元素降低量集中在熔合線附近?？傮w上，由于THNi317鎳基焊條合金元素含量高，造成碳鋼側焊道的焊縫Cr、Ni、Mo元素稀釋量較大。第4層不銹鋼焊道Cr、Ni、Mo合金元素的含量與焊材成分接近，說明沒有發(fā)生合金元素稀釋，保證了不銹鋼側的耐蝕性能。4層焊道的C元素含量較母材和焊條均略有上升，碳鋼側焊縫C元素增加量較多，不銹鋼側焊道C元素增加量較少。

分別對焊接接頭熔合線兩側及THNi317-THA062焊縫金屬擴散層進行成分線掃描，掃描方向如圖1箭頭所示，結果如圖3~圖5所示。焊縫-Q235B掃描結果（見圖3）表明，碳鋼側C元素含量高于焊縫含量，但是C元素含量未出現(xiàn)突變，說明C元素發(fā)生了部分擴散。Cr元素含量在熔合線兩側有突變，只有少量Cr元素稀釋到碳鋼母材，Ni元素含量出現(xiàn)明顯突變，說明很好地控制了熔合線附近Cr元素稀釋，碳鋼母材中出現(xiàn)了一定量的Mo，說明焊縫金屬中的Mo元素發(fā)生了較明顯的稀釋。

表4 焊縫各焊道主要合金元素含量對比%

從焊縫-304掃描結果（見圖4）可以看出，C元素及Cr、Ni、Fe元素含量無明顯變化，主要原因是母材304L不銹鋼與THA062焊條成分相似，該試驗中坡口設計和焊接工藝有效避免了不銹鋼側焊道的合金元素稀釋到碳鋼母材和C元素擴散到不銹鋼側焊道。

THNi317-THA062焊縫金屬擴散層成分掃描結果（見圖5）表明，THNi317焊道中Ni元素含量明顯高于THA062焊道，Cr元素含量明顯低于THA062焊道，這與兩種焊條成分體系基本符合，說明最后一層焊道未明顯造成焊道擴散層元素的稀釋。

圖3 復合板焊縫-Q235B交界區(qū)線掃描元素分布

圖4 復合板焊縫-304交界區(qū)線掃描元素分布

2.3 焊接接頭力學性能分析

焊接試樣分別進行3組拉伸、2組彎曲和3組室溫沖擊試驗，結果如表5所示。分別測試了焊接接頭母材、熱影響區(qū)、熔合線和焊縫硬度，結果如圖6所示。

拉伸結果顯示，復合板拉伸試樣均出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，平均抗拉強度501 MPa，斷裂均發(fā)生在距離焊縫較遠的母材處，原因是焊接接頭強度均高于母材。觀察斷口形貌可知，復合板的Q235B碳鋼和304不銹鋼均未發(fā)生分層現(xiàn)象，說明母材冶金結合良好。復合板焊接接頭試樣180°正彎和側彎試驗均合格，未出現(xiàn)明顯裂紋。焊接接頭焊縫室溫平均沖擊功129 J，熱影響區(qū)平均沖擊功65 J，均滿足技術標準和使用性能要求。

焊接接頭硬度測試結果表明，碳鋼側3層鎳基焊道硬度變化規(guī)律基本一致，硬度值基本無差別，焊縫處硬度最高，為180 HV10～220 HV10，從焊縫到母材硬度值依次降低，說明在熔合線附近未生成脆硬的馬氏體組織，造成其硬度升高，保證了焊接接頭的強度和韌性。不銹鋼側焊道硬度變化規(guī)律與碳鋼側完全不同，焊縫區(qū)硬度最低，從焊縫到母材硬度依次升高。但是熔合線附近硬度與焊縫硬度基本一致，也說明未生成馬氏體脆硬組織，造成硬度升高的主要原因是母材本身硬度高?？傮w上焊接接頭的硬度均低于350 HV10，不易產生冷裂紋。

圖5 復合板THNi317-THA060焊道交界區(qū)線掃描元素分布

表5 Q235B/304復合板焊接接頭力學性能

圖6 焊接接頭硬度測試結果

3 結論

（1）復合板焊縫組織均為奧氏體+少量δ鐵素體，組織均勻，與THA062焊道相比，THNi317焊道組織中鐵素體含量少，晶粒尺寸較大。

（2）元素分布結果表明焊接接頭碳鋼側C元素發(fā)生了少量擴散，Mo元素稀釋明顯，Cr元素有少量稀釋，Ni元素未出現(xiàn)明顯稀釋。THNi317-THA062焊縫金屬擴散層未出現(xiàn)明顯Cr、Ni元素稀釋。不銹鋼側焊道未發(fā)生明顯的C元素擴散和合金元素稀釋。

（3）焊接接頭的拉伸、彎曲、沖擊試驗結果均滿足要求，平均抗拉強度501 MPa，屬于等強匹配，焊縫和熱影響區(qū)沖擊功分別為129 J和65 J，焊接接頭有較好的強度和韌性。焊接接頭各區(qū)硬度均低于350 HV10，不易產生冷裂紋。

[1]王新.雙金屬復合管焊接工藝研究與應用[J].電焊機，2011，41（7）：71-73.

[2]王永芳，袁江龍，張燕飛，等.雙金屬復合管的技術現(xiàn)狀和發(fā)展方向[J].焊管，2013,36(2):5-9.

[3]呂世雄，王廷，馮吉才.20G/316L雙金屬復合管弧焊接頭組織與性能[J].焊接學報，2009，30（4）：93-96.

[4]黃須強，孫倩，呂朝陽，等.304/Q235內襯式冶金復合管對接焊接接頭組織性能研究[C].北京：層壓金屬復合材料開發(fā)與應用學術研討會，2012.

[5]楊金榮.奧氏體鋼和珠光體耐熱鋼專用焊接材料的研制及性能分析[D].遼寧：沈陽工業(yè)大學，2015.

Research on element migration and mechanical properties of welding joint of Q235B/304 clad plate

ZHANG Xiazhou，WANG Fenghui，CHEN Yanqing，ZHAO Yingjian，LIU Hong
（Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100043，China）

Q235B/304 clad plate was welded through shielded metal-arc welding.Microstructure and the distribution of the main alloying elements of welding joint were analyzed by optical microscope（OM）and EDS method，and mechanical properties were analyzed and investigated.The results showed that microstructure of the welding joint was austenite and a small amount of ferrite.Near the carbon steel weld-fusion line，C occurred a small amount of diffusion，the Mo element diluted apparently，Cr element had a small amount of dilution，and Ni element did not appear obvious dilution.It did not appear obvious C element diffusion and alloy elements dilution in the THNi317-THA062 welding diffusion layer and the stainless steel side.The tensile strength of the welding joint was up to 501 MPa，the impact energy of welding joint and HAZ was 129 J and 65 J.The hardness of welding joint was not higher than 350 HV10.The mechanical properties met the requirements of the relevant technical standards and demands of the users.

Q235B/304 clad plate；microstructure；element migration；mechanical properties

TG457

B

1001－2303（2017）02－0065-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.12

2016-12-02；

2016-12-20

張俠洲（1991—），男，山東人，碩士，主要從事金屬材料焊接及腐蝕機理研究工作。

獻

張俠洲，王鳳會，陳延清，等.Q235B/304復合板焊縫元素擴散分析與性能研究[J].電焊機，2017，47（02）：65-69.