2205和Q235B異種鋼的焊接接頭組織及性能分析

黎麗，唐焱杰，戴偉，孫書剛，吉光，李徐

1.南通理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 江蘇南通 226002

2.萬(wàn)高（南通）電機(jī)制造有限公司 江蘇南通 226010

1 序言

隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，如今生產(chǎn)制造過(guò)程中的材料需求不再滿足于單一材料，于是多種材料復(fù)合的生產(chǎn)工藝方法便適時(shí)產(chǎn)生。其中異種鋼焊接就是材料復(fù)合制造工藝之一，它是將不同的鋼種焊接在一起，這些鋼材在微觀組織和物理性能方面都有很大的差別，滿足不同工作條件下的使用需求，并且還能在不影響性能的情況下，減少貴金屬的加入，減少生產(chǎn)成本。正因?yàn)檫@些優(yōu)勢(shì)，使得異種鋼焊接技術(shù)得到快速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用到機(jī)械、化工等行業(yè)。

與同種鋼焊接相比，異種鋼焊接接頭有著一個(gè)明顯的區(qū)別，即其焊縫和熔合區(qū)存在一個(gè)過(guò)渡區(qū)，這一區(qū)域主要是在合金元素的作用下形成的，例如稀釋了合金元素，遷移了碳元素[1]。這個(gè)過(guò)渡區(qū)又稱為凝固過(guò)渡層，它是焊接接頭中薄弱的區(qū)域，也是發(fā)生失效的主要部位，因此設(shè)計(jì)焊接工藝與焊接時(shí)要考慮減少過(guò)渡區(qū)的寬度。這個(gè)區(qū)域的化學(xué)成分和金相組織存在不均勻性，同時(shí)物理性能、力學(xué)性能等方面也有非常大的差異，會(huì)導(dǎo)致異種鋼焊接過(guò)程中遇到很多困難，且很容易產(chǎn)生焊接缺陷，這是異種鋼焊接接頭存在的主要問(wèn)題[2]。

2 試驗(yàn)材料和方法

（1）試驗(yàn)?zāi)覆牡倪x擇 選用2205雙相不銹鋼和Q235B碳素鋼為母材，其化學(xué)成分見表1。

表1 2205雙相不銹鋼和Q235B碳素鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（2）焊接材料的選擇 2205雙相不銹鋼和Q235B碳素鋼焊接屬于異種鋼焊接的一種，由以上分析可知，在異種鋼焊接過(guò)程中其熔合區(qū)容易發(fā)生碳遷移現(xiàn)象，導(dǎo)致異種鋼的焊接接頭質(zhì)量變差。為了避免或減少這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，在選擇焊接材料時(shí)應(yīng)考慮Ni含量較高的焊接材料，這是因?yàn)镹i元素對(duì)抑制碳遷移現(xiàn)象的產(chǎn)生起著較好的作用。但是，需要注意的是，Ni含量不能太高，否則從單相鐵素體向雙相凝固過(guò)渡時(shí)，焊接接頭的耐蝕性會(huì)降低，易造成元素的偏移[3]。最終，決定選用GFS-309MoL藥芯焊絲作為焊接材料，其化學(xué)成分見表2。

表2 GFS-309MoL藥芯焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（3）焊接工藝及參數(shù)的選擇 本文以減少碳元素遷移和獲得質(zhì)量可靠的焊接接頭為前提，采用了FCAW焊接工藝方法，相關(guān)焊接參數(shù)見表3。

表3 FCAW焊接參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 顯微組織分析

（1）2205雙相不銹鋼-焊縫界面金相組織2205雙相不銹鋼側(cè)母材到熔合區(qū)的金相組織如圖1所示。由圖1a可知，母材2205雙相不銹鋼組織由白色奧氏體和黑色鐵素體組成。圖1b～d所示為熱影響區(qū)內(nèi)不同區(qū)域的金相組織。由圖1b可知，奧氏體以細(xì)小塊狀或條塊狀分布在鐵素體基體上，與母材相比奧氏體含量大大減少[4]，這主要是因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中溫度較高，在1250℃溫度以上發(fā)生了從奧氏體到鐵素體的轉(zhuǎn)變。從圖1e中的熔合線可看出，此區(qū)域里的化學(xué)成分不均勻，該區(qū)域里是焊接材料與熔化的母材，在熔池邊緣和內(nèi)部的混合程度是完全不同的。對(duì)于2205雙相不銹鋼母材，其邊緣區(qū)域溫度不是特別高，熔池金屬部分缺少流動(dòng)性。在較弱的機(jī)械力攪拌作用下，不能長(zhǎng)久地保持液態(tài)，且由于焊接材料與母材的化學(xué)成分不相同，所以在熔池邊緣熔化的金屬不能夠完全混合。因此，在2205雙相不銹鋼與焊縫的交界處形成了組織不均勻的一個(gè)區(qū)域，也就是熔合區(qū)，此區(qū)域是焊接接頭中最為薄弱的環(huán)節(jié)。

（2）焊縫金屬的金相組織 焊縫金屬的金相組織如圖2所示。由圖2可知，焊縫金屬的金相組織是由白色奧氏體及其基體上的鋸齒形黑色鐵素體構(gòu)成。

圖2 焊縫金屬的金相組織

（3）焊縫金屬-Q235B界面金相組織 Q235B側(cè)熔合區(qū)到母材的金相組織如圖3所示。從圖3a可觀察到，此熱影響區(qū)內(nèi)的組織與其他區(qū)域的組織相比相對(duì)細(xì)小。從圖3b能夠明顯看出，此熱影響區(qū)內(nèi)的組織粗化，相比圖3c、d組織粗化更加明顯。因此，從熔合區(qū)到母材的組織晶粒大小先細(xì)化后又粗化，隨著向母材的靠近，珠光體漸漸增加。由圖3e可清楚地看到，母材Q235B是由鐵素體和珠光體構(gòu)成的，黑色和白色片層組成一種機(jī)械混合物，由于片層間的間距較小，所以顯示為黑色。

3.2 異種鋼焊接接頭拉伸性能分析

在焊接2205雙相不銹鋼和Q235B碳素鋼時(shí)，會(huì)存在受熱不均、冷卻、相變等問(wèn)題，使得異種鋼焊接接頭的力學(xué)性能改變。為了保證異種鋼焊接接頭滿足工程應(yīng)用需求，首先要測(cè)試焊接接頭的力學(xué)性能。

將焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，異型鋼焊接接頭抗拉強(qiáng)度在WDW-300H萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試。為了有效地保證拉伸試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，準(zhǔn)備3個(gè)試樣做拉伸試驗(yàn)，取平均值，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

從表4可看出，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度平均值為634MPa，并且斷裂的地方是在抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低的Q235B碳素鋼側(cè)，焊縫金屬比Q235B碳素鋼的抗拉強(qiáng)度高，這是因?yàn)樵诤附訒r(shí)選用的焊接材料Ni含量較高，在很大程度上使得碳素鋼對(duì)焊縫金屬的稀釋作用降低，避免異種鋼焊接處的焊縫金屬中產(chǎn)生脆硬相，同時(shí)使焊縫保持合理的兩相比例，異種鋼焊接處抗裂性高，減弱熔接處碳原子的遷移[3]。另外，因?yàn)槭嵌鄬佣嗟篮?，在?duì)每一層進(jìn)行焊接時(shí)相當(dāng)于又對(duì)上一層焊道做了熱處理，有助于細(xì)化組織晶粒，從而獲得滿意的焊接接頭。通過(guò)拉伸試驗(yàn)，得知這種異種鋼焊接接頭的力學(xué)性能符合應(yīng)用要求。

3.3 異種鋼焊接接頭硬度分析

由于2205雙相不銹鋼和Q235B碳素鋼的化學(xué)成分和物理性能均存在很大區(qū)別，因此需要對(duì)焊接接頭的2205雙相不銹鋼-焊縫金屬與焊縫金屬Q(mào)235B碳素鋼的顯微硬度進(jìn)行檢測(cè)。由于各區(qū)域之間的硬度有所差別，因此為了直觀地反映硬度的變化趨勢(shì)，將所測(cè)得數(shù)值轉(zhuǎn)化成曲線，分別如圖4、圖5所示。

圖4 2205雙相不銹鋼-焊縫金屬界面顯微硬度分布曲線

圖5 焊縫金屬-Q235B碳素鋼界面顯微硬度分布曲線

從圖4可看出，2205雙相不銹鋼一側(cè)熱影響區(qū)的平均硬度值高于2205雙相不銹鋼母材，同時(shí)也高于焊縫金屬。主要是由于焊接過(guò)程中復(fù)雜的熱循環(huán)作用，在整體焊接的過(guò)程中產(chǎn)生大量熱能，出現(xiàn)局部升溫，使熱影響區(qū)出現(xiàn)細(xì)小的鐵素體，則鐵素體含量增加，且鐵素體的硬度大于奧氏體，所以熱影響區(qū)的硬度較高，最高硬度達(dá)389HV。

從圖5可看出，在Q235B碳素鋼一側(cè)，焊縫金屬區(qū)域的顯微硬度比Q235B碳素鋼側(cè)熱影響區(qū)和Q235B碳素鋼母材都高，但焊縫金屬硬度值在接近熔合線位置出現(xiàn)了陡降，隨著距熔合線越來(lái)越遠(yuǎn)，其硬度值曲線又趨于平緩。分析其硬度值發(fā)生突變的原因，是由于此區(qū)域內(nèi)發(fā)生了碳遷移現(xiàn)象，Q235B碳素鋼母材一側(cè)熱影響區(qū)的碳元素越過(guò)焊縫邊界向焊縫處遷移，在Q235B碳素鋼一側(cè)母材的碳含量下降，于是產(chǎn)生了脫碳層，結(jié)果使焊縫中碳含量上升[5]，最終導(dǎo)致Q235B碳素鋼母材一側(cè)因形成了鐵素體的脫碳層而軟化，而在靠近焊縫一側(cè)形成高硬度的增碳層。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以GFS-309MoL為焊接材料，以2205雙相不銹鋼和Q235B碳素鋼為母材，進(jìn)行了藥芯焊絲氣體保護(hù)異種鋼焊接工藝試驗(yàn)，分析焊接區(qū)域的金相組織，并測(cè)得其力學(xué)性能及硬度值，得出以下結(jié)論。

1）與母材相比，2205雙相不銹鋼一側(cè)受到熱影響作用區(qū)域的奧氏體含量下降；焊縫金屬組織由鐵素體與奧氏體組成；Q235B碳素鋼一側(cè)，隨著遠(yuǎn)離焊縫，其熱影響區(qū)域內(nèi)珠光體量漸漸增多。

2）通過(guò)對(duì)焊接標(biāo)準(zhǔn)樣件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，斷裂之處位于Q235B碳素鋼母材處，而非焊接接頭，表明焊接接頭的拉伸性能是合格的。通過(guò)顯微硬度觀察得出焊縫金屬和熱影響區(qū)域的硬度均高于2205雙相不銹鋼和Q235B碳素鋼母材的硬度，表明其能夠滿足工程應(yīng)用需求。