308L/Q345異種鋼埋弧焊接頭組織及性能研究

張 晨，董利明

（常熟理工學院 汽車工程學院，江蘇 常熟 215500）

1 引言

在核電、化工等領(lǐng)域中，很多焊接構(gòu)件需要滿足高強度、高韌性以及酸堿工況下的耐腐蝕等性能［1］.采用異種金屬進行焊接，能夠充分利用異種金屬材料強度、韌性及耐蝕性能，且還具有降低生產(chǎn)成本等優(yōu)勢［2-3］.因此，異種鋼焊接在核電、化工等諸多領(lǐng)域受到廣泛應用［4-5］.

國內(nèi)外關(guān)于異種鋼焊接的代表性研究有：黃本生等采用氣體保護的鎢極氬弧焊的焊接工藝，將Q345/316L異種鋼焊接，在Q345側(cè)熱影響區(qū)（HAZ）發(fā)現(xiàn)有明顯的碳的遷移［6］.馬麗等利用等離子弧技術(shù)對Q235和1Cr17Mn6Ni5N兩種鋼進行焊接，在熔合線的低碳鋼側(cè)附近也產(chǎn)生了碳遷移，不銹鋼側(cè)的熱影響區(qū)組織為奧氏體和δ-鐵素體，同時還發(fā)現(xiàn)有少量ε-馬氏體的形成［7］.Sieurin H等采用埋弧焊（SAW）的焊接工藝對雙相不銹鋼2205進行試驗，發(fā)現(xiàn)在空冷后焊縫得到滿意的奧氏體量以及阻止生成σ相［8］.Chuaiphan W等采用氣體保護的鎢極焊將AISI 304不銹鋼和AISI 1020碳鋼薄板與AISI 308L，AISI 309L和AISI 316L不銹鋼絲連接起來，所焊接金屬的強度相對較高［9］.本文采用奧氏體不銹鋼焊絲配合堿性焊劑，開展奧氏體不銹鋼308L與低合金鋼Q345的埋弧焊焊接，針對焊縫及Q345側(cè)熱影響區(qū)進行微觀組織表征及力學性能分析，研究異種鋼不同位置組織特征對接頭的強度和韌性的影響.

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

焊接試驗母材為兩塊尺寸均為160 mm×150 mm×25 mm的308L不銹鋼和Q345鋼，選用奧林康OE-308L和OP 70Cr Spezial分別作為埋弧焊絲，這些焊接材料的成分如表1、表2所示.由表1、表2可見，OE-308L屬于超低碳奧氏體不銹鋼焊絲，其中0.03% C和10%左右的Ni具有穩(wěn)定奧氏體組織的作用，20%的Cr起著穩(wěn)定鐵素體組織的作用，超低的C含量使C不易從308L中析出，也很難形成Cr的碳化物，具有良好的耐腐蝕性能，同時焊接過程中不易出現(xiàn)熱裂紋、結(jié)晶裂紋等焊接缺陷，并且能夠保證良好的熔覆金屬性能.此外，308L母材和Q345母材的原始組織形貌如圖1所示，前者為奧氏體+少量鐵素體為主，后者包含鐵素體+珠光體+少量碳化物.

圖1 308L母材和Q345母材的金相組織

表1 焊接材料的合金成分（wt.%）

表2 焊劑成分含量（wt.%）

表3 焊接工藝參數(shù)

2.2 試驗方法

實驗時采用多層多道埋弧焊，坡口角度為60°的V型坡口，坡口根部間隙為4 mm，鈍邊為4 mm，坡口形式如圖2所示.埋弧焊劑OP 70Cr Spezial置于干燥箱中350 ℃烘烤2 h.焊接前對焊縫及其周圍進行清理，去除表面的油污、氧化皮.預熱溫度和層間溫度控制在150 ℃左右，埋弧焊焊接參數(shù)如表2所示.在焊接接頭對焊縫、熱影響區(qū)分別取樣，進行研磨、拋光，然后用氯化鐵鹽酸溶液（5 g FeCl3+50 ml HCl+100 ml H2O）侵蝕，在Olympus光學倒置顯微鏡下觀察異種鋼焊接接頭不同位置處的顯微組織.按GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》對試樣進行拉伸試驗，焊縫處于試件中部，加載速率8 mm/min，加載載荷10 kN.按照GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》對樣品進行低溫夏比沖擊試驗，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，V型缺口分別開在焊縫中心與Q345側(cè)熱影響區(qū)（熔合線外1 mm處）.

圖2 焊接坡口形式

3 試驗結(jié)果

3.1 焊接接頭的組織分析

3.1.1 焊縫組織分析

從圖3（a）、圖3（b）可以看出焊縫組織以奧氏體等軸晶為主，淺黃色區(qū)域奧氏體晶粒較大，鐵素體含量相對較少.深黃色區(qū)域奧氏體晶粒細小，鐵素體較密集.在相同腐蝕液條件下鐵素體密集的區(qū)域耐腐蝕性較差，呈現(xiàn)深黃色.從圖3（c）、圖3（d）可以明顯觀察到黑色點狀物質(zhì).奧氏體不銹鋼焊接接頭在焊后快速冷卻，碳在奧氏體組織中將呈現(xiàn)過飽和狀態(tài).一旦在敏感溫度區(qū)間適當停留，將會在晶界析出Cr的碳化物，造成附近區(qū)域貧Cr，在產(chǎn)品服役過程中極易發(fā)生晶間腐蝕［10］.對比焊后焊縫成分與焊前焊絲成分，C和Cr成分都有所降低，所以猜測圖中黑色點狀物質(zhì)為Cr的碳化物.

圖3 焊縫區(qū)的組織

3.1.2 Q345側(cè)熱影響區(qū)的組織分析

在熔合線靠近焊縫側(cè)形成了增碳層，在熱影響區(qū)側(cè)為脫碳層，如圖4所示.其原理是Q345鋼和焊縫中的308L有不同的含碳量，在焊接過程中產(chǎn)生了碳遷移現(xiàn)象，碳原子具備上坡擴散的特征［11］.增碳層處有大量的碳化物析出，或組織發(fā)生變化，引起的原因是增碳現(xiàn)象［12］.脫碳層主要由粗大的鐵素體構(gòu)成，且與圖1（b）中Q345的組織在相同倍數(shù)下對比晶粒變粗.因為在焊接過程中，產(chǎn)生的熱量對熱影響區(qū)進行了熱循環(huán)，使晶粒粗化.此區(qū)域韌性下降，易產(chǎn)生脆化或裂紋，是焊接接頭的薄弱地帶.所以主要觀察脫碳層，即Q345側(cè)熱影響區(qū)的組織.

圖4 Q345側(cè)熔合線處組織

圖5為不同倍數(shù)下的Q345側(cè)熱影響區(qū)金相組織.由圖5可知，Q345側(cè)的熱影響區(qū)的主要組織為鐵素體和珠光體.由于焊接過程受熱不均勻，熱影響區(qū)組織變化不均勻，組織大小不一.熔和區(qū)靠近焊縫距離最近，受熱循環(huán)影響很大，此區(qū)的鐵素體組織很粗大.而過熱區(qū)緊鄰熔和區(qū)，是組織最為復雜的區(qū)域，此區(qū)的溫度范圍處于固相線以下到1 100 ℃左右.金屬處于過熱狀態(tài)，奧氏體晶粒發(fā)生嚴重的長大現(xiàn)象，在較快的冷卻速度下會形成一種特殊的過熱組織，其組織特征為在一個粗大的奧氏體晶粒內(nèi)會形成許多平行的鐵素體（滲碳體）針片，即為魏氏體組織.

圖5 Q345側(cè)熱影響區(qū)組織

3.2 焊接接頭的力學性能分析

3.2.1 拉伸性能

表3為焊接接頭拉伸性能.結(jié)合表中數(shù)據(jù)，試樣直徑為10.01 mm，原始標距為100.00 mm，抗拉強度為559 MPa，斷后伸長率為34.0%.斷裂于焊縫，表明異種金屬連接位置強度能夠滿足工程構(gòu)件對其的強度要求.其原因是OE308L焊絲的中碳元素含量比Q345鋼的含量低一些，較低的碳含量對合金的拉伸性能是有利的.其中OE308L焊絲的鎳元素也起到了減弱熔合區(qū)碳原子的遷移作用［13］，避免接頭焊縫中有害相的產(chǎn)生.Q345鋼中錳元素與鐵發(fā)生固溶強化［14-16］，提高了308L/Q345異種鋼焊接接頭的抗拉強度.

3.2.2 沖擊性能

對試樣分別進行沖擊溫度-80 ℃、-60 ℃、-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、20 ℃的沖擊試驗，沖擊實驗數(shù)據(jù)如表4所示，低溫沖擊試驗趨勢如圖6所示.

表4 沖擊試驗數(shù)據(jù)

圖6 低溫沖擊試驗趨勢圖

由圖6可知，對于以奧氏體組織為主焊縫區(qū)，結(jié)果顯示從20 ℃到-60 ℃隨著溫度的下降，吸收能量逐漸減少，且隨著下降趨勢的逐漸增大，焊縫韌性逐漸變差.隨后的-60 ℃到-80 ℃的焊縫韌性有所提升，這是因為隨著溫度的進一步下降焊縫韌性的下降趨勢有所緩解或者焊縫韌性趨于穩(wěn)定.在所測試的溫度區(qū)間，焊縫的沖擊吸收能量都在76 J以上，可見焊縫對低溫沖擊韌性優(yōu)良.

對于熱影響區(qū)，隨著沖擊試驗溫度的降低，吸收能量整體呈下降趨勢，低溫韌性逐漸變差.在-40 ℃時其吸收能量即降低至17 J，這是因為該位置受到脫碳及熱循環(huán)的作用，鐵素體組織較粗大，且過熱區(qū)內(nèi)奧氏體晶粒發(fā)生嚴重長大現(xiàn)象，在較快的冷卻速度下易形成魏氏體組織.從而導致熱影響區(qū)與焊縫及母材的組織類型呈現(xiàn)較大差異，易產(chǎn)生脆化或裂紋，成為異種鋼焊接接頭的薄弱區(qū)域.

4 結(jié)論

1）焊縫區(qū)的組織主要為奧氏體和鐵素體，鐵素體密集的區(qū)域耐腐蝕性較差，且鐵素體周圍有Cr的碳化物析出.Q345焊縫界面處的熔合線處產(chǎn)生了碳遷移，是因為308L和Q345兩種鋼的碳含量有區(qū)別，于熔合線的兩側(cè)分別出現(xiàn)了增碳層、脫碳層.Q345側(cè)熱影響區(qū)的主要組織為珠光體和鐵素體，在熔合線+1 mm位置出現(xiàn)大量魏氏體組織.

2）焊接接頭抗拉強度達559 MPa，斷于焊縫，表明異種金屬連接位置（Q345側(cè)熔合線處）強度能夠滿足工程構(gòu)件對其的強度要求.原因是OE308L焊絲的中碳元素含量比Q345鋼低，較低的碳含量對合金的拉伸性能是有利的；OE308L焊絲中的鎳元素減弱了熔合區(qū)碳原子的遷移，避免接頭焊縫中有害相的產(chǎn)生.

3）隨著沖擊試驗溫度的降低，焊接接頭的吸收能量整體呈下降趨勢，低溫韌性逐漸變差.焊縫的沖擊吸收能量都在76 J以上，焊縫低溫沖擊韌性優(yōu)良.對于熱影響區(qū)，在-40 ℃時其吸收能量即降低至17 J，在于該位置受到脫碳及熱循環(huán)的作用，鐵素體組織較粗大，出現(xiàn)大量魏氏體組織，從而導致熱影響區(qū)與焊縫及母材的組織類型呈現(xiàn)較大差異，易產(chǎn)生脆化或裂紋，成為異種鋼焊接接頭的薄弱地帶.