藥芯焊絲鎳含量對25Cr2Ni4MoV高強鋼焊接接頭組織與性能的影響

張 敏，張 林，王博玉，賈 芳，夏 拓

(西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710048)

0 引 言

離心風(fēng)機作為工業(yè)生產(chǎn)中提供氣體動力的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)領(lǐng)域[1]，其核心零部件葉輪的質(zhì)量直接影響風(fēng)機的服役壽命。目前，大多數(shù)葉輪采用焊條電弧焊工藝生產(chǎn)，其效率低下，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定[2]。風(fēng)機葉輪常用材料為25Cr2Ni4MoV調(diào)質(zhì)高強鋼，在焊接過程中存在接頭強韌性匹配較差的問題。研究[3-4]發(fā)現(xiàn)，通過控制焊縫金屬成分可以得到韌性好的組織，從而使高強鋼焊接接頭實現(xiàn)良好的強韌性匹配。因此，為了保證焊接葉輪質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，新型焊接材料的開發(fā)勢在必行。

鎳作為高強鋼中重要元素，可以通過固溶強化來提高鋼的強度。但是有研究[5]發(fā)現(xiàn)，鎳含量較高時會導(dǎo)致鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度Ms降低，殘余奧氏體增多，屈服強度降低。研究表明[6]，鎳元素的存在可以增加焊縫組織中貝氏體和馬氏體組織含量，從而提高接頭的強度，同時促進針狀鐵素體的形成，從而改善接頭的低溫沖擊韌性。鎳含量過高時，焊縫組織中貝氏體和馬氏體含量增加對焊接接頭韌性的不利影響大于針狀鐵素體的細(xì)化作用和對韌性的改善作用，接頭韌性降低[7-9]。可知，鎳含量是控制焊接接頭強韌性的關(guān)鍵元素?；诖?，作者根據(jù)25Cr2Ni4MoV鋼的化學(xué)成分，設(shè)計了3種不同鎳含量的金屬型藥芯焊絲，對25Cr2Ni4MoV鋼板進行熔化極活性氣體保護電弧焊(MAG焊)，研究了藥芯焊絲鎳含量對接頭組織和性能的影響，以期為25Cr2Ni4MoV鋼焊接用金屬型藥芯焊絲的成分設(shè)計提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

母材為尺寸300 mm×500 mm×16 mm 的25Cr2Ni4MoV調(diào)質(zhì)高強鋼板，化學(xué)成分見表1，其屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率和室溫沖擊吸收功分別為781 MPa,1 125 MPa,16.6%，31 J。根據(jù)25Cr2Ni4MoV鋼的化學(xué)成分以及各合金元素對焊縫金屬冷卻凝固和相變過程的影響，采用Cr-Ni-Mo系作為金屬型藥芯焊絲的主合金系，同時添加微量元素錳、釩、鈮、硅和稀土元素等，設(shè)計了3種藥芯焊絲，其中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15%，19%，23%，其他元素成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為5.5Cr,1(Si-Fe),3.25Mo,3.5Mn,1(V-Fe),1.1(Nb-Fe),0.5La2O3,余Fe。鉻、鉬元素具有固溶強化、增加淬透性及提高強度的作用；鉬、鈮元素能促進焊縫組織形成針狀鐵素體，提高焊縫的沖擊韌性，并通過細(xì)晶強化和沉淀強化提高接頭的抗拉強度[10]；稀土元素在結(jié)晶形核時可提供更多形核質(zhì)點，細(xì)化晶粒，同時改善焊縫組織的形態(tài)，提高韌性[11]。以截面尺寸為7 mm×0.3 mm的Q235低碳鋼作為鋼帶，使用鋼帶成型軋拔法制備直徑為1.2 mm的金屬型藥芯焊絲，由于鋼帶的合金元素含量很少，因此焊縫金屬中合金成分主要來自藥芯。

表1 25Cr2Ni4MoV調(diào)質(zhì)高強鋼的化學(xué)成分

采用Panasonic弧焊機器人進行多層多道MAG焊，保護氣體為體積分?jǐn)?shù)90%Ar+10%CO2，氣體流量為15～20 L·min-1，焊接坡口為V型坡口，焊接電流在226～270 A，焊接電壓為22.4～26.6 V，焊接速度為0.25 m·min-1。焊前進行300～350 ℃的預(yù)熱，焊接時層間溫度保持在250～300 ℃，焊接結(jié)束后進行400 ℃×(1～1.5) h +550 ℃×(4～5) h的去應(yīng)力退火處理。將采用鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，19%，23%藥芯焊絲制備的焊接接頭分別標(biāo)記為1#接頭、2#接頭和3#接頭。

在焊接接頭上沿垂直于焊縫方向截取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光，用5 mL鹽酸+1 g苦味酸+100 mL水組成的溶液腐蝕后，采用OLYMPUS-GX71型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，采用JSM-6700F型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察微觀形貌，并用附帶的能譜儀(EDS)分析微區(qū)成分。按照GB/T 2651-2008，在焊接接頭上以焊縫為中心垂直于焊縫方向截取拉伸試樣，試樣標(biāo)距為25 mm，采用17HT-2402型電子萬能拉伸試驗機進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為1 mm·min-1，每組測3個平行試樣取平均值。按照GB/T 2650-2008，在焊接接頭上垂直于焊縫方向截取V型缺口沖擊試樣，缺口位于焊縫中心，采用NI750F型沖擊試驗機進行室溫沖擊試驗，采用掃描電鏡觀察沖擊斷口形貌。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 對焊縫成形質(zhì)量的影響

不同鎳含量下焊縫成形質(zhì)量均無明顯變化，因此以1#接頭為例進行宏觀形貌觀察。由圖1可以看出，焊縫成形美觀，寬度均勻，與母材的過渡形式為魚鱗狀咬合波紋，焊縫中不存在氣孔、裂紋等缺陷?？芍煌嚭克幮竞附z制備的接頭焊縫成形質(zhì)量良好。

圖1 1#接頭焊縫表面和截面宏觀形貌Fig.1 Surface (a) and Section (b) macromorphology of 1# joint weld

2.2 對焊縫顯微組織的影響

由圖2可以看出，3種藥芯焊絲制備的接頭焊縫組織主要由板條馬氏體組成。1#接頭焊縫中馬氏體較粗大，其分布具有明顯的方向性；2#接頭和3#接頭焊縫組織中板條馬氏體較細(xì)小，且數(shù)量較多，其中2#接頭焊縫的馬氏體分布較均勻，而3#接頭焊縫的馬氏體具有一定的方向性，同時板條束有一定程度的長大。

由圖3可以看出：2#接頭和3#接頭焊縫組織中除板條馬氏體(M)外，還觀察到貝氏體(B)以及針狀鐵素體(AF)，同時還存在一定量的球形夾雜物，EDS分析顯示為錳和硅的氧化物夾雜；與2#接頭焊縫組織相比，3#接頭焊縫馬氏體板條方向性更明顯，且組織較粗大。25Cr2Ni4MoV鋼焊接接頭中的鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于20%，焊接熔池在冷卻時先完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體[12-13]，在過冷奧氏體冷卻過程中，貝氏體先在原奧氏體晶界形核且向晶內(nèi)生長，隨冷卻過程的繼續(xù)進行，未轉(zhuǎn)變的奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體。組織中存在的夾雜物成為針狀鐵素體的形核核心，從而形成少量針狀鐵素體組織[13-14]。根據(jù)Andrews經(jīng)驗公式[15]，隨著鎳含量的增加，貝氏體和馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度降低，因此在焊后冷卻過程中，焊縫中更容易形成貝氏體和馬氏體。2#和3#接頭熱影響區(qū)組織均由貝氏體和馬氏體組織組成，同時存在明顯的原奧氏體晶界，貝氏體組織一部分以針狀形式分布在原奧氏體晶粒內(nèi)，另一部分從原奧氏體晶界處向晶內(nèi)延伸生長。原奧氏體晶粒內(nèi)部的針狀貝氏體會阻礙馬氏體轉(zhuǎn)變，抑制馬氏體組織長大，進而細(xì)化馬氏體組織。

圖3 2#接頭和3#接頭焊縫和熱影響區(qū)的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of heat (a-b) and heat affected zone (c-d) of 2# joint (a, c) and 3# joint (b, d)

2.3 對接頭力學(xué)性能的影響

由表4可以看出，隨著藥芯焊絲中鎳含量的增加，焊接接頭的強度先升高后降低。這是由于隨著鎳含量的增加，鎳的固溶強化作用增強，同時板條馬氏體組織細(xì)化，因此接頭強度提高；但當(dāng)藥芯焊絲中鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過19%時，焊縫中板條馬氏體組織粗化[6-7]，接頭強度又降低。隨著藥芯焊絲中鎳含量的增加，接頭的斷后伸長率和沖擊吸收功增大，說明接頭的塑性和沖擊韌性提高，可能原因是針狀鐵素體組織對接頭韌性提高的作用大于馬氏體組織粗化的影響。針狀鐵素體的存在使焊縫組織中存在較多的大角度晶界，導(dǎo)致裂紋擴展時路徑變長，裂紋擴展阻力增加，因此接頭具有更好的沖擊韌性[16]。2#接頭的強度最高，沖擊吸收功高于母材，計算得到2#接頭焊縫強度匹配系數(shù)為0.81，因此該焊接接頭屬于低強匹配。25Cr2Ni4MoV鋼的強度極高，焊接接頭達到等強匹配技術(shù)難度大，即使得到等強匹配焊接接頭，其塑韌性也會有一定程度降低，而采用低強匹配可得到較高韌性儲備，對接頭綜合性能有利。

表4 不同接頭的力學(xué)性能及拉伸斷裂位置

由圖4可見，不同接頭的沖擊斷口均存在大量韌窩，呈韌性斷裂特征，同時韌窩底部還存在球形夾雜物顆粒。1#接頭沖擊斷口上的韌窩較淺且存在少量解理小平面，2#接頭沖擊斷口中部分韌窩趨于扁平狀，相比于1#和2#接頭，3#接頭沖擊斷口中扁平狀韌窩減少且韌窩變深，韌窩凹凸明顯，表明接頭斷裂前發(fā)生的塑性變形最大，接頭塑性最好，與力學(xué)性能測試結(jié)果相符合。

圖4 不同接頭沖擊斷口SEM形貌Fig.4 SEM morphology of impact fracture of different joints: (a) 1# joint; (b) 2# joint and (c) 3# joint

3 結(jié) 論

(1) 不同鎳含量藥芯焊絲制備的接頭焊縫成形質(zhì)量好，焊縫寬度均勻，與母材間以魚鱗狀咬合波紋過渡。焊縫組織均由板條馬氏體、貝氏體及少量針狀鐵素體組成，當(dāng)藥芯焊絲中鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)由15%增加到19%時，焊縫中板條馬氏體細(xì)化，且分布更加均勻，而當(dāng)鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過19%時，板條馬氏體粗化，并呈一定方向性分布。鎳含量為19%23%時，接頭熱影響區(qū)組織均由貝氏體和馬氏體組成。

(2) 隨著藥芯焊絲中鎳含量的增加，接頭的強度先升高后降低，斷后伸長率和沖擊吸收功增加。當(dāng)藥芯焊絲中鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19%時，接頭具有最高的抗拉強度和較大的沖擊吸收功，分別達到920 MPa和48 J，此時接頭具有較好的強韌性匹配。