軋制組織對304L/Q345R復(fù)合板焊接裂紋敏感性的影響規(guī)律

摘" 要： 復(fù)合板熱軋過程中的組織演變、界面元素擴散以及脆性相析出，對其焊接質(zhì)量有著重要影響.一些焊接性評定方法在測試裂紋敏感性時并不會開裂，所以將筋板拘束裂紋敏感性試驗方法用于研究軋制組織對304L/Q345R復(fù)合板裂紋敏感性的影響規(guī)律.在拘束應(yīng)力與熱處理條件相同時，通過在板厚方向不同位置開設(shè)坡口進行焊接裂紋敏感性試驗，來反映不同軋制組織特征對焊接裂紋敏感性的影響.結(jié)果表明，當(dāng)復(fù)合板基層中有脫碳層時，開X型坡口，鈍邊位于碳鋼層與不銹鋼層交界處，裂紋率為0；當(dāng)基層組織中有軋制帶時，開X型坡口，鈍邊位于碳鋼層1/2處，裂紋率為0；當(dāng)基層組織中出現(xiàn)馬氏體時，開V型坡口，鈍邊位于碳鋼層底部，裂紋率為11.3％，裂紋長度為69 mm.焊接裂紋為液態(tài)薄膜造成的結(jié)晶裂紋，裂紋出現(xiàn)在焊縫中心位置，裂紋兩側(cè)為均勻的柱狀晶組織.裂紋附近存在S、P元素的聚集，以及大量Si、Mn元素以非金屬形式析出的夾雜和偏析，增大了熱裂敏感性，導(dǎo)致裂紋的萌生和擴展.

關(guān)鍵詞： 筋板拘束裂紋敏感性試驗；軋制組織；304L/Q345R復(fù)合板；結(jié)晶裂紋

中圖分類號：TG406""" 文獻標(biāo)志碼：A""""" 文章編號：1673-4807（2024）05-032-07

DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.05.005

收稿日期： 2023-03-02""" 修回日期： 2021-04-29

基金項目： 國家自然科學(xué)基金項目（52105351）；江蘇省自然科學(xué)基金項目（BK20210890）；江蘇省高等學(xué)校基礎(chǔ)科學(xué)（自然科學(xué)）研究項目（21KJB460015）

作者簡介： 陳坤（1998—），男，碩士研究生，研究方向為材料焊接性等.E-mail：1091068931@qq.com

*通信作者： 劉坤（1989—），男，博士，副教授，研究方向為焊接冶金及特種焊接性.E-mail：liu_kun@163.com

引文格式： 陳坤，余薇，范益，等.軋制組織對304L/Q345R復(fù)合板焊接裂紋敏感性的影響規(guī)律［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），202 38（5）：32-38.DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.05.005.

Effect of rolling structure on the crack sensitivity of304L/Q345R composite plates

CHEN Kun1，YU Wei2， FAN Yi3， LI Wei1， 3， WANG Xiaobin3， ZOU Jiasheng1， LIU Kun1*

（1.School of Materials Science and Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100， China）

（2.Nanjing Hwachung Inspection amp; Testing Co.Ltd.， Nanjing 210024， China）

（3.Jiangsu Key Laboratory for Premium Steel Materials， Nanjing Iron amp; Steel Co.Ltd.， Nanjing 210035， China）

Abstract：The tissue evolution， interface element diffusion and brittle phase precipitation during the hot rolling of composite plates have an important influence on their welding quality. Some weldability assessment methods do not crack when testing crack sensitivity， so rib restraint crack sensitivity test is used to study the effect of rolling structure on the crack sensitivity of 304L/Q345R composite plates. When the detention stress and heat treatment conditions are the same， bevels at different locations in the direction of the plate thickness are designed for welding crack sensitivity test to reflect the impact of different rolling structure characteristics on the sensitivity of welding cracks. The results indicate that when there is a decarburized layer in the composite plate base layer， X-bevel is made， blunt edge is located at the junction of carbon steel layer and stainless steel layer and the crack rate is 0; when there is a rolled strip in the base tissue， X-bevel is made， blunt edge is located at 1/2 of the carbon steel layer， and the crack rate is 0; when the grass-roots organization appears in martensite， V-bevel is designed， blunt edge located at the bottom of the carbon steel layer， the crack rate is 11.3%， the crack length is 69 mm. The crack is a crystalline crack caused by liquid film， the crack appears in the center of the weld position， both sides of the crack being uniform columnar crystal organization. The presence of S， P elements near the crack， as well as a large number of Si， Mn elements in the form of non-metallic precipitation of inclusions and segregation， increase the susceptibility to thermal cracking， resulting in the occurrence and expansion of the crack.

Key words：rib restraint crack sensitivity test， rolling structure， 304L/Q345R composite plate， solidification crack

奧氏體不銹鋼復(fù)合板廣泛應(yīng)用于石油和化工行業(yè)，其不僅具有碳鋼良好的焊接性能和高強度，而且還具有不銹鋼的耐腐蝕、耐磨損、高導(dǎo)熱等特性［1-3］.容器鋼復(fù)合板主要以碳鋼作為基層，以不銹鋼作為復(fù)層，經(jīng)過軋制或者通過爆炸焊連結(jié).復(fù)合板在熱軋過程中材料變形流動、動態(tài)再結(jié)晶以及再結(jié)晶形核與晶粒長大等過程，軋制前后組織變化較為明顯［4］，不同的軋制組織特征對復(fù)合板的焊接性會產(chǎn)生較大影響.文獻［5］研究發(fā)現(xiàn)304/Q235B熱軋復(fù)合板復(fù)合界面微觀組織存在高密度位錯的板條馬氏體，焊接時會增大裂紋敏感性.由于在復(fù)合板冷卻過程中發(fā)生了馬氏體自回火現(xiàn)象，板條馬氏體內(nèi)存在大量細小的針狀M3C型碳化物.

復(fù)合板在熱軋過程不僅涉及組織演變，還會發(fā)生界面元素的擴散、貧化以及脆性相析出，對復(fù)合板焊接的影響更為復(fù)雜.文獻［6］制備了熱軋溫度分別為1 100℃，1 200℃和1 300℃的304/Q235不銹鋼復(fù)合板，研究了界面組織和合金元素擴散行為，發(fā)現(xiàn)由于碳元素的擴散，形成了僅具有鐵素體組織的脫碳層和極易腐蝕的滲碳層.并且碳元素在界面處濃度最高，呈現(xiàn)了典型的上坡擴散現(xiàn)象.而滲碳層晶界處產(chǎn)生了大量的碳化鉻，導(dǎo)致晶界耐腐蝕性能下降.文獻［7］研究發(fā)現(xiàn)隨著基材碳含量的升高，基材脫碳區(qū)和復(fù)材增碳區(qū)寬度明顯增加，晶界上析出的M23C6不斷粗化，導(dǎo)致復(fù)材晶間貧鉻程度不斷加大，在橫向拉伸過程中形成的裂紋寬度、數(shù)量及脆性區(qū)寬度均明顯增加；界面附近晶粒內(nèi)部析出的M23C6形成了越來越明顯的富集現(xiàn)象.

不銹鋼復(fù)合板在焊接時會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力與焊縫稀釋作用，形成裂紋源，導(dǎo)致接頭的性能惡化［8］.由于提出年代久、焊縫拘束度不夠，一些常用的焊接性評定及試驗方法在測試時并不會開裂，并且剛性固定對接裂紋試驗、插銷試驗、壓板對接焊接裂紋試驗等方法已經(jīng)廢止，所以采用筋板法來進行試驗.筋板法可以模擬多種拘束條件下的應(yīng)力狀態(tài)，接近于實際焊接結(jié)構(gòu).目前筋板法已在Q345R焊接裂紋敏感性研究上取得一系列成果，文中首次將筋板拘束裂紋敏感性試驗方法用于復(fù)合板的焊接裂紋敏感性研究，具體用于研究軋制組織對304L/Q345R復(fù)合板裂紋敏感性的影響規(guī)律，推動筋板拘束裂紋敏感性試驗方法在焊接裂紋敏感性領(lǐng)域的應(yīng)用，為304L/Q345R復(fù)合板的高質(zhì)量焊接提供理論支撐和技術(shù)指導(dǎo).

1" 試驗

1.1" 試驗材料

試驗選用304L/Q345R復(fù)合板，每塊尺寸分別為610 mm×270 mm×21 mm，其中基層為Q345R，厚度為18 mm，復(fù)層為304L不銹鋼，厚度為3 mm，304L與Q345R之間通過熱軋工藝連接，終軋溫度為820 ℃，返紅溫度為650 ℃，中間坯厚度為1.8h（h為壓縮比，指將18 mm厚軋制成10 mm）.試驗選用E7111.2 mm藥芯焊絲，筋板選擇Q345R，各試驗材料化學(xué)成分見表1.

1.2" 試驗方法

使用一種新型筋板拘束焊接裂紋敏感性評價方法，如圖1.將筋板等間距地焊接到復(fù)合板基層上，分段、間隔地施焊以減少復(fù)合板的變形，其中筋板焊腳尺寸要小于6 mm.為消除焊接筋板產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對試驗結(jié)果的影響，筋板焊后將進行去應(yīng)力退火.經(jīng)過數(shù)值模擬選定為5塊筋板，筋板高度為150 mm，筋板厚度為20 mm，筋板間距為120 mm.為探究母材的裂紋敏感性，提高熔合比，所以根部間隙控制在3～4 mm，單邊坡口控制在25°.焊接方法為藥芯焊絲氣體保護焊，采用右焊法進行施焊，焊接參數(shù)如表 焊后除渣，觀察表面裂紋率，焊后切片，觀察截面裂紋率.

從焊后試板上截取焊縫橫截面作為金相試樣，采用4％硝酸酒精溶液進行腐蝕，浸蝕時間為15～20 s.采用蔡司 Axioskop2 MAT光學(xué)金相顯微鏡觀察焊縫各區(qū)域的顯微組織，利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（field emission scanning electron microscope， FE-SEM）， GeminiSEM 450配備的能譜儀（energy dispersive spectrometer， EDS），分析主要元素的分布，確定物相成分組成，以及分析裂紋斷口特征區(qū)域成分.

2" 試驗結(jié)果與討論

2.1" 復(fù)合板原始組織分析

熱軋法是通過將板材預(yù)熱到一定溫度，施加壓力使金屬產(chǎn)生塑性變形，金屬元素在高溫高壓下劇烈擴散，從而形成冶金結(jié)合的一種工藝［5，9］.將軋制好的Q345R+304L復(fù)合板取樣進行微觀分析，圖2為熱軋復(fù)合板宏觀金相照片，圖3為復(fù)合板厚度方向不同位置的微觀組織.

在高溫滲透擴散過程中，碳鋼中的碳元素會向不銹鋼中擴散［10］，如圖3（a），碳鋼一側(cè)的界面處形成脫碳層，不銹鋼一側(cè)會形成增碳層，界面被氧化，出現(xiàn)氧化物夾渣、孔洞等缺陷，導(dǎo)致力學(xué)性能下降.由于軋制時將遠厚于21 mm的鋼板軋制成3 mm的不銹鋼層和18 mm的碳鋼層，在碳鋼層的中間位置出現(xiàn)軋制帶，對復(fù)合板的性能產(chǎn)生影響，如圖3（c，d）.由于碳鋼層表面冷卻速度快，冷卻時在組織轉(zhuǎn)變區(qū)停留時間短，產(chǎn)生了針狀和板條狀的細小馬氏體組織，如圖3（f）.基于軋制后的Q345R/304L復(fù)合板在不同的位置出現(xiàn)了不同的組織，設(shè)計不同位置的坡口研究軋制組織狀態(tài)對復(fù)合板焊接裂紋的影響規(guī)律.

2.2" 組織成分對復(fù)合板裂紋敏感率的影響

設(shè)計不同的3組坡口，如圖 分別為：坡口①X型坡口，鈍邊位于碳鋼層1/2處；坡口②X型坡口，鈍邊位于碳鋼層上1/4處；坡口③V型坡口，鈍邊位于碳鋼層底部.當(dāng)坡口為X型坡口，鈍邊位于碳鋼層上1/4處時，需將復(fù)層不銹鋼兩側(cè)各刨掉10 mm，以避免焊接過程中復(fù)層金屬進入焊縫，造成基層碳當(dāng)量增大，引起裂紋敏感性增加，從而影響試驗的準確性.

在試板對接焊時，由于打底焊拘束最大，焊縫最容易產(chǎn)生裂紋，因此試驗時僅進行一道焊接.當(dāng)坡口為X型坡口，鈍邊位于碳鋼層1/2處時，焊縫成形良好，滲透檢測，焊縫正面與背面均沒有發(fā)現(xiàn)裂紋.將滲透后的試板取樣加工進行微觀分析，圖5（a）是焊縫中心處的金相組織，由貝氏體和鐵素體組成，圖5（b）是熔合線處的金相組織，圖5（c）是熱影響區(qū)處的金相組織，基體為低碳馬氏體，其上分布貝氏體.

當(dāng)坡口為X型坡口，鈍邊位于碳鋼層上1/4處時，焊縫成形良好，滲透檢測，焊縫正面與背面均沒有發(fā)現(xiàn)裂紋.圖6（a）是焊縫中心處的金相組織，也由貝氏體和鐵素體組成，圖6（b）是熔合線處的金相組織，可以清晰地看到焊縫中的柱狀晶組織以及粗晶區(qū)的馬氏體組織.圖6（c）是熱影響區(qū)與母材交界處，左側(cè)重結(jié)晶區(qū)由鐵素體和珠光體組成，晶粒明顯細于母材晶粒.

當(dāng)坡口為V型坡口，鈍邊位于碳鋼層底部時，焊接過程中出現(xiàn)焊縫開裂的聲音，焊后對焊縫進行除渣，觀察焊縫，焊縫成形良好，如圖 試板正面焊縫中心出現(xiàn)裂紋，并且裂紋方向平行于焊縫.拆掉襯墊，背面焊縫成形良好，焊縫背面未出現(xiàn)裂紋.根據(jù)裂紋出現(xiàn)的時間、位置，初步判斷為焊接熱裂紋［11］.統(tǒng)計裂紋的位置與數(shù)量，得到3處3～10 mm裂紋，1處10～15 mm裂紋，2處20 mm以上的裂紋.統(tǒng)計得裂紋總長度為69 mm，裂紋率為11.3%.

不同組織成分對裂紋敏感性的影響規(guī)律如圖 X型坡口，鈍邊位于碳鋼層與不銹鋼層交界處的裂紋率為 X型坡口，鈍邊位于碳鋼層1/2處的裂紋率為 V型坡口，鈍邊位于碳鋼層底部的裂紋率為11.3％，裂紋長度為69 mm.

2.3" 裂紋種類及斷口微觀分析

將滲透后的試板取樣加工進行微觀分析，圖9為焊縫的宏觀金相，焊縫高度為8.6 mm，截面裂紋長度為2.0 mm.圖10為截面裂紋全貌，可以明顯看到粗大的柱狀晶和中心區(qū)域的等軸晶，柱狀晶向焊縫中心生長.焊縫金屬中的許多雜質(zhì)的凝固溫度都低于焊縫金屬的凝固溫度，這樣首先凝固的焊縫金屬把低熔點的雜質(zhì)推擠到凝固結(jié)晶的晶粒邊界，形成了一層液體薄膜，又因為焊接時熔池的冷卻速度很大，焊縫金屬在冷卻的過程中發(fā)生收縮，使焊縫金屬內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力把凝固的焊縫金屬沿晶粒邊界拉開，但又沒有足夠的液體金屬補充時，就會形成微小的裂紋，隨著溫度的繼續(xù)下降，拉應(yīng)力增大，裂紋不斷擴大［12-13］.圖11是裂紋微觀組織，焊縫沿著中心開裂，且與兩側(cè)焊縫柱狀晶生長方向呈垂直狀態(tài)，裂紋兩側(cè)為均勻的柱狀晶，裂紋尖端柱狀晶融合在一起，裂紋終止.

S、P是極容易偏析的元素含量，對于鋼的熱裂傾向影響極大，微量的存在就會增大凝固溫度區(qū)間，并且易與其他元素形成多種低熔點共晶物，顯著增大裂紋傾向［14-15］.圖12是裂紋萌生、擴展和終止處的微觀形貌，結(jié)合表 在裂紋萌生和擴展階段，A、C點附近發(fā)現(xiàn)有S、P的聚集，并且Si、O含量較高，Si含量較高時在焊縫中以非金屬形式析出，嚴重造成了焊縫的硅酸鹽夾雜和偏析，導(dǎo)致了裂紋的萌生和擴展.B、D點的S含量很高，沒有發(fā)現(xiàn)O元素，Si元素的含量較低，S元素很可能以與Fe元素形成的低熔點共晶物的形式存在.在裂紋終止處，柱狀晶前沿F點，S含量較高.柱狀晶結(jié)晶交匯在焊縫中心，S、P元素偏析程度最高，這些區(qū)域金屬的熔點最低，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向也就更大［16］.

從圖12可發(fā)現(xiàn)在裂紋周圍有大量黑色的夾雜物，且其中S、P、Si、O含量較高，選擇典型的微觀形貌并對其進行EDS面描掃，結(jié)果如圖13.

在整個微觀形貌上，C、S、P3種元素的分布都較為均勻，而夾雜物中Fe元素含量明顯低于其他區(qū)域，Ti、O、Si、Mn4種元素則明顯在此處聚集.Si可能參與了沉淀脫氧，但大量的Si沒有全部及時排出，可能以非金屬形式析出，在此處造成了硅酸鹽夾雜和偏析，導(dǎo)致了裂紋的發(fā)生和擴展.Mn也有較好的脫氧性，增加Mn在金屬中的含量及減小脫氧產(chǎn)物MnO在渣中的活度，都可提高脫氧效果，但是Mn的脫氧性沒有Si的脫氧性好.較高的O可導(dǎo)致焊縫金屬具有較大的熱裂敏感性，焊縫中氧化夾雜多，韌性差，抗裂能力低.

如圖14（a），裂紋斷口有明顯的樹枝狀突起，觀察發(fā)現(xiàn)斷口存在液柱、柱頭等特征.如圖14（b），斷口存在微裂紋，可以判斷是由液態(tài)薄膜造成的結(jié)晶裂紋，在低應(yīng)力的作用下，小裂紋逐漸交匯形成大裂紋，并逐漸長大和擴展，最終形成熱裂紋的外在表現(xiàn)形式，導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)開裂.如表 A、B點的S、P含量遠高于正常值，O含量也很高，所以在裂紋附近存在著大量的低熔點共晶物，導(dǎo)致了裂紋的產(chǎn)生.

3" 結(jié)論

（1） 筋板拘束法可有效用于304+Q345R復(fù)合板焊接裂紋敏感性的研究，試板達到所需要的拘束度，焊縫容易開裂，試驗結(jié)果直觀，便于觀察.

（2） 當(dāng)復(fù)合板基層中有脫碳層時，開X型坡口，鈍邊位于碳鋼層與不銹鋼層交界處，裂紋率為0；當(dāng)基層組織中有軋制帶時，開X型坡口，鈍邊位于碳鋼層1/2處的裂紋率為0；當(dāng)基層組織中出現(xiàn)馬氏體時，開V型坡口，鈍邊位于碳鋼層底部，裂紋率為11.3％，裂紋長度為69 mm.

（3） 焊接裂紋為液態(tài)薄膜造成的結(jié)晶裂紋，裂紋出現(xiàn)在在焊縫中心位置，裂紋兩側(cè)為均勻的柱狀晶組織.裂紋斷口有明顯的樹枝狀突起，存在液柱、柱頭等特征.裂紋附近存在S、P元素的聚集，以及大量Si、Mn元素以非金屬形式析出的夾雜和偏析，增大熱裂敏感性，導(dǎo)致裂紋的萌生和擴展.

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（責(zé)任編輯：顧琳）