列車(chē)用大厚度16MnR-0Cr18Ni9 復(fù)合鋼板過(guò)渡層焊接組織及性能研究

許曉航 郭會(huì)生 王凡

摘要：復(fù)合鋼板具有優(yōu)良的機(jī)械性能及耐腐蝕性能，在鐵路行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。但是由于復(fù)合鋼板基層和復(fù)層材料不同，如果直接焊接將出現(xiàn)各種問(wèn)題，故在基層和復(fù)層之間增加一個(gè)焊接過(guò)渡層。因此，復(fù)合鋼板的過(guò)渡層成為焊接接頭的關(guān)鍵部位。對(duì)采用常規(guī)工藝焊接的大厚度16MnR-0Cr18Ni9復(fù)合鋼板的焊后過(guò)渡層組織和性能進(jìn)行分析，從而對(duì)此工藝進(jìn)行評(píng)估。

關(guān)鍵詞：復(fù)合鋼板;過(guò)渡層;組織;性能

0? ? 前言

近年來(lái)隨著鐵路工業(yè)的發(fā)展，對(duì)列車(chē)部件耐腐蝕性要求日益提高，復(fù)合鋼板得到了廣泛應(yīng)用，要求也越來(lái)越高。在復(fù)合鋼板部件制造過(guò)程中，最難控制的焊接技術(shù)是過(guò)渡層的焊接。在以前的相關(guān)資料中，焊接工藝評(píng)定只是通過(guò)性能試驗(yàn)驗(yàn)證焊接接頭力學(xué)性能的方法來(lái)評(píng)估焊縫，但對(duì)產(chǎn)生各種缺陷的原因卻未能給出合理的解釋。文中從力學(xué)性能和微觀(guān)金相角度出發(fā)，分析焊縫的組織形態(tài)及其性能特點(diǎn)，從根源上對(duì)其產(chǎn)生的各種性能進(jìn)行解釋?zhuān)瑥亩?yàn)證焊接工藝是否達(dá)到要求。

1 試驗(yàn)材料和方法

根據(jù)焊接設(shè)備能力和具體板厚，將28 mm+4 mm 16MnR+0Cr18Ni9的復(fù)合鋼材對(duì)接?；鶎?6MnR焊接時(shí)，定位焊選用J507焊條，埋弧焊選用H10Mn2焊絲+J431焊劑;過(guò)渡層為保證抗裂性能和力學(xué)性能，選用A302焊條;復(fù)層為保證化學(xué)成分，采用A102焊條，其焊接順序?yàn)椋河肑507定位后，先焊基層，再焊過(guò)渡層，最后焊復(fù)層。焊前預(yù)熱，焊后檢驗(yàn)。坡口形式如圖1所示，焊接參數(shù)如表1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及金相分析

截取尺寸為24 mm×20 mm×25 mm的焊接接頭，再切成3個(gè)大小均等的樣品，包括焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和部分母材金屬區(qū)，將3個(gè)試樣分別在200倍、500倍下拍攝復(fù)合鋼板基層、復(fù)層和過(guò)渡層的金相照片，基層焊縫的金相照片如圖2所示，其焊縫組織為F+細(xì)P，因?yàn)橹蠛附恿诉^(guò)渡層，基層焊縫經(jīng)歷了熱處理，所以總體組織較細(xì)，沒(méi)有出現(xiàn)粗大組織[2]。由于含碳量低，F(xiàn)較P要多，在焊縫有一定強(qiáng)度的基礎(chǔ)上保證了良好的塑性，從金相照片上來(lái)看，未出現(xiàn)類(lèi)似于馬氏體等脆硬組織。

復(fù)層不銹鋼0Cr18Ni9的焊縫組織如圖3所示，呈明顯的胞狀樹(shù)枝晶組織形態(tài)，根據(jù)舍夫勒組織圖分析并參照?qǐng)D3可知，焊縫組織為A+沿柱狀分布的F，同樣未發(fā)現(xiàn)類(lèi)似馬氏體的脆硬組織。0Cr18Ni9母材的原始組織是A+少量F，與焊縫接近，可知焊縫性能與母材相差不大[2]。

對(duì)于復(fù)合鋼板，最關(guān)鍵的是過(guò)渡層組織，16MnR+0Cr18Ni9復(fù)合鋼板過(guò)渡層的金相照片如圖4所示。根據(jù)舍夫勒組織圖和圖4分析其組織為A+樹(shù)枝狀F[5]，但是由于過(guò)渡層上堆焊了A102不銹鋼焊條，對(duì)其有熱處理作用，組織發(fā)生再結(jié)晶，在原基礎(chǔ)上出現(xiàn)大量羽毛狀的上貝氏體，并且其條間的碳化物發(fā)生聚集長(zhǎng)大和球化。從復(fù)層到基層，上貝氏體的數(shù)量由多到少變化，并且由于出現(xiàn)了組織的遺傳現(xiàn)象，原來(lái)的A柱狀晶+樹(shù)枝狀F晶界依稀可見(jiàn)，晶粒也稍顯粗大，整體性能較原始的A+樹(shù)枝狀F組織性能稍有降低[3-4]。

過(guò)渡層與基層和復(fù)層的熔合區(qū)是成分、組織較為復(fù)雜的部位，由于與過(guò)渡層相連的復(fù)層和基層的焊縫組織成分有較大差別，熔合區(qū)組織可能會(huì)出現(xiàn)一些新相，特別是馬氏體脆性層，可能會(huì)造成焊縫總體性能的下降，引起脆斷，所以需要詳細(xì)分析。

（1）過(guò)渡層與復(fù)層的熔合區(qū)組織。

過(guò)渡層與復(fù)層的熔合區(qū)微觀(guān)組織如圖5所示，復(fù)層和過(guò)渡層都采用奧氏體不銹鋼焊條進(jìn)行焊接，兩者成分接近，但是過(guò)渡層與復(fù)層接近的原始A+樹(shù)枝F組織受焊后熱處理的影響轉(zhuǎn)變?yōu)樯县愂象w，復(fù)層組織為A+樹(shù)枝狀F，熔合區(qū)未出現(xiàn)第三相，并且通過(guò)金相顯微鏡檢查熔合區(qū)未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋等重大缺陷。

（2）過(guò)渡層與基層的熔合區(qū)組織。

過(guò)渡層與基層的熔合區(qū)金相組織如圖6所示?；鶎咏M織為F+細(xì)P，過(guò)渡層組織為A+F，并且成分相差較大，此時(shí)熔合區(qū)合金成分被稀釋?zhuān)瑢?dǎo)致焊縫中奧氏體形成元素含量不足，焊縫可能出現(xiàn)馬氏體淬硬組織[5]，從而降低整個(gè)焊接接頭的性能，經(jīng)分析有兩個(gè)因素會(huì)造成焊縫性能的下降：

（1）基層焊縫金屬的熔入，使熔合區(qū)的合金成分被沖淡，對(duì)焊縫有稀釋作用，焊縫中奧氏體形成元素鉻、鎳含量降低，焊縫容易出現(xiàn)馬氏體組織，從而使焊接接頭韌性降低。當(dāng)然基層金屬對(duì)焊縫的稀釋程度取決于母材的熔入量，即熔合比，熔合比越大，稀釋程度越高，產(chǎn)生馬氏體組織的可能性就越大[6]。

（2）熔合區(qū)本身成分比較復(fù)雜，再加上焊縫的攪拌作用，各種合金元素的稀釋與焊縫的碳遷移同時(shí)進(jìn)行，成分分布也極不均勻，從而造成組織分布不均勻，也增加了出現(xiàn)馬氏體的可能性。

因此，在焊接過(guò)渡層時(shí)采用Cr和Ni含量高的焊條 A302進(jìn)行焊接[7]，以保證熔合區(qū)有足夠的Cr、Ni含量，而且Ni是奧氏體形成元素，可以克服母材的稀釋作用，并有利于防止熔合區(qū)內(nèi)的碳遷移[8]，且此處采用了小的熔合比、適當(dāng)小的焊接工藝參數(shù)以減小熔合區(qū)寬度，從而有效控制馬氏體的產(chǎn)生[9]。參照?qǐng)D6a、6b可推測(cè)熔合區(qū)未出現(xiàn)馬氏體組織。

3 硬度分析

焊縫局部硬度如圖7所示。由圖7可知，由于是多層焊，后一層對(duì)前一層焊道有熱處理作用，C元素在此區(qū)域得到充分的擴(kuò)散和遷移，使過(guò)渡層近熔合區(qū)處脫碳，基層焊縫近熔合區(qū)處增碳，而熔合區(qū)硬度高的原因是因?yàn)镃在此處的富集和碳化物的析出，在焊縫組織中表現(xiàn)為熔合區(qū)的硬度依次升高[10]。

熔合區(qū)硬度峰值達(dá)到407 HV（即41 HRC），過(guò)渡層組織硬度約為380 HV（即38.8 HRC），在常規(guī)貝氏體硬度范圍內(nèi)（35～45 HRC）;并且基板所用H10Mn2焊條含碳量為0.09%，A302焊條含碳量小于0.15%，所以焊縫組織中碳含量小于0.15%，而當(dāng)碳含量小于0.2%時(shí)，熔合區(qū)組織中即使出現(xiàn)馬氏體也只能是板條馬氏體，而板條馬氏體的硬度范圍為45～50 HRC，大于熔合區(qū)組織硬度（41 HRC），所以結(jié)合組織圖可知過(guò)渡層并未出現(xiàn)馬氏體[11]。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)在基層和復(fù)層之間增加一個(gè)過(guò)渡層對(duì)16MnR+0Cr18Ni9復(fù)合鋼板進(jìn)行焊接可行，能夠得到符合使用要求的焊縫。

（2）采用A302焊條進(jìn)行過(guò)渡層焊接，其焊縫過(guò)渡層初始組織為A+樹(shù)枝狀δ鐵素體，但經(jīng)多層焊后，過(guò)渡層組織中出現(xiàn)大量上貝氏體，使過(guò)渡層性能有所下降。

（3）在16MnR+0Cr18Ni9異種鋼焊接工藝中，過(guò)渡層熔合區(qū)由于焊材成分不同造成焊縫成分稀釋?zhuān)浣M織、成分分布和硬度皆發(fā)生變化，并且多層焊重?zé)嶙饔靡矔?huì)像焊后熱處理或高溫長(zhǎng)期運(yùn)行一樣使熔合區(qū)產(chǎn)生碳擴(kuò)散、脆化相析出、硬化層寬度變化和組織形態(tài)變化等。

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