填充金屬對Q2352205異種金屬TIG焊接接頭的組織及性能的影響

陳今良 劉玉梅 張 楠 陳 濤 楊智文

(攀枝花學院釩鈦學院，四川617000)

2205雙相不銹鋼是一種典型的含氮、超低碳、鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼；Q235作為低碳鋼，具有良好的焊接性能，相關學者對二者的異種金屬焊接進行過深入的研究，馬萬洪[1]對Q235A和304不銹鋼的焊接工藝進行了實驗評定；李國平等人[2]對2205進行TIG焊接研究；陳安忠等人[3]對2205雙相不銹鋼厚板TIG焊工藝研究；陳今良[4]對SAF2507雙相不銹鋼與Q235碳鋼異種金屬進行了焊接實驗，這些研究基本只針對焊接電流及焊接方法，很少有學者去研究不同填充金屬對接頭質(zhì)量的影響，為此，本文針對不銹鋼焊絲ER308及高鎳焊絲Ni317作為2205雙向不銹鋼TIG焊的填充金屬，在保證電流不變的情況下對接頭組織和性能開展研究，為選擇合適的填充金屬提供依據(jù)。

1 試樣制備及實驗方法

試驗母材為Q235碳鋼以及雙向不銹鋼2205，其化學成分如表1所示；填充焊絲為直徑2 mm的ER309焊絲和Ni317不銹鋼焊絲，二者主要化學成分如表2所示。采用電火花線切割機將Q235及2205不銹鋼板分別切割為尺寸為100 mm×40 mm×3 mm的試樣，試樣不開坡口，焊前采用銼刀打磨試樣表面，清理油污及氧化層，采用WSE-300型焊機設備進行非熔化極惰性氣體保護(TIG)雙面焊，保護氣體流量取5 Lmin、焊接電壓取12 V時，焊接電流取105 A。在焊接接頭上截取金相試樣，經(jīng)過砂紙打磨及拋光后，采用4%硝酸酒精及王水進行腐蝕[5]，再通過DM4000M型數(shù)字顯微鏡進行組織觀察。根據(jù)拉伸試樣標準，在焊接接頭上截取標距為60 mm的試樣，采用INSTRON5582型萬能材料試驗機對接頭進行拉伸試驗，拉伸速率為2 mms，使用INDUSTRIECHNIK型掃描電鏡(SEM)觀察斷口形貌。采用HVS-50數(shù)字維氏硬度計對接頭進行硬度測試，在所測硬度區(qū)域取五個點，算平均值，載荷為98 N，保載時間為15 s，測量區(qū)域為Q235側(cè)熱影響區(qū)、焊縫區(qū)、2205不銹鋼側(cè)熱影響區(qū)，兩端母材區(qū)等五個區(qū)域，每個區(qū)域測量五次，各取平均硬度值。

2 試驗結果與討論

2.1 組織分析

圖1、圖2、圖3分別為采用ER309、Ni317兩種焊絲得到的接頭Q235一側(cè)熔合線附近組織(A)、焊縫區(qū)組織(WM)、2205不銹鋼一側(cè)熔合線附近組織(B)。圖1為Q235一側(cè)熔合線附近組織，可以看出，熔合線左側(cè)為焊縫區(qū)，熔合線右側(cè)為Q235母材熱影響區(qū)，母材熱影響區(qū)由鐵素體和珠光體組成，當采用Ni317焊絲時，熔合線界面十分明顯，且靠近熔合線區(qū)域珠光體多于鐵素體，而采用ER309焊絲時，熔合線附近鐵素體與珠光體含量相當。圖2為焊縫區(qū)組織，比較兩種焊絲的焊縫組織，不難發(fā)現(xiàn)組織形貌大有不同，采用ER309焊絲的焊縫組織依然由鐵素體和奧氏體組成，晶粒為細條狀，并且局部平行，采用Ni317焊絲的焊縫以奧氏體組織為主，晶粒為蜂窩狀[6]，原因是高鎳焊絲Ni317中Ni元素對奧氏體有穩(wěn)固和促進作用，說明Ni元素有利于奧氏體形成。圖3為接頭2205一側(cè)熔合線附近組織， 可以看出靠近熔合線附近母材組織為粗晶區(qū)，遠離熔合線的母材熱影響區(qū)晶粒逐漸細小均勻，這是因為熔合線區(qū)域高溫停留時間較長，容易造成組織粗化。

表1 母材主要化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 The main chemical compositions of base material(mass fraction,%)

表2 ER309與Ni317焊絲成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 2 Chemical compositions of ER309 and Ni317 wires(mass fraction,%)

(a)ER309∕105 A(b)Ni317∕105 A

圖1 Q235碳鋼側(cè)熔合線附近組織Figure 1 Microstructures near the fusion line of Q235 carbon steel

圖2 焊縫組織Figure 2 Microstructure of weld

圖3 2205不銹鋼側(cè)熔合線附近組織Figure 3 Microstructures near the fusion line of 2205 stainless steel

圖4 不同焊絲接頭斷口形貌
Figure 4 The fracture morphology of joints obtained
by different welding wires

圖5 不同焊絲條件下的接頭應力-應變曲線Figure 5 Stress-strain curves of joints obtained by different welding wires

2.2 拉伸試驗

對兩種焊絲的接頭進行拉伸試驗，斷裂位置均位于Q235碳鋼一側(cè)，圖4為采用兩種不同焊絲接頭拉斷后斷口微觀形貌圖，圖4(a)為ER309焊絲接頭斷口形貌，圖4(b)為Ni317焊絲接頭斷口形貌，比較兩者形貌，均出現(xiàn)明顯的韌窩，同等倍數(shù)下，前者韌窩尺寸大而深，后者韌窩尺寸小而淺，從韌窩形貌來觀察，說明二者均具有韌性斷裂的特征。圖5為采用不同焊絲得到的接頭進行拉伸測試的工程應力-應變曲線，從曲線中可以看出，Ni317焊絲接頭抗拉強度較低，而ER309焊絲接頭抗拉強度較高，塑性較好，這也與斷口的微觀形貌特征一致。

圖6 不同焊絲條件下接頭各區(qū)域硬度Figure 6 Hardness of every area of joints obtained by different welding wires

2.3 硬度測試

對不同焊絲得到的兩種接頭各個區(qū)域進行維氏硬度測量，得到各個區(qū)域的硬度如圖6分布，從圖中可看出，采用Ni317焊絲得到接頭各個區(qū)域的硬度值要高于ER309焊絲，在Q235側(cè)熱影響區(qū)的硬度最低，原因是靠近熔合線的Q235晶粒粗化，硬度降低；兩種焊絲焊縫處的硬度值都高于Q235母材區(qū)域，原因是兩種焊絲作為填充金屬，均帶入焊縫Mn、Si、Ni等合金元素，對焊縫組織進一步合金化，提高焊縫的強度及硬度，且Ni317焊絲的合金化程度更高，硬度更高。

3 結論

(2)選用ER309焊絲比Ni317焊絲得到的接頭具有更高的抗拉強度。

(3)采用Ni317焊絲比ER309焊絲得到的接頭具有更高的硬度值。