Q345/316L異種鋼 K-TIG焊接接頭的組織及性能

王曉軍 楊健 周棟 安兵

摘要：采用K-TIG焊接方法對Q345/316L異種鋼進行焊接試驗，并利用光學顯微鏡、掃描電鏡、萬能試驗機、沖擊試驗機、顯微硬度儀等觀察和分析焊接接頭的顯微組織及力學性能。結(jié)果表明：靠近316L側(cè)焊縫組織為奧氏體及骨骼狀鐵素體，呈柱狀晶分布，靠近Q345側(cè)焊縫組織為板條馬氏體。316L側(cè)形成寬約45～50 μm的熔合區(qū)，由細小的蠕蟲狀鐵素體呈無方向且不連續(xù)的分布在奧氏體基體上。Q345側(cè)熔合區(qū)產(chǎn)生魏氏組織，過熱區(qū)晶粒粗大且有索氏體生成，相變重結(jié)晶區(qū)晶粒細小。拉伸斷裂位置均發(fā)生在Q345側(cè)母材。焊接接頭沖擊韌性良好，斷裂位置均在Q345熱影響區(qū)，斷口為韌脆混合準解理斷裂，有韌窩、河流花樣、解理臺階。焊縫顯微硬度明顯高于兩側(cè)熱影響區(qū)及母材。

關(guān)鍵詞：K-TIG; 異種鋼焊接; 顯微組織; 力學性能

中圖分類號：TG457.11? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）01-0066-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.01.10

0? ? 前言

Keyhole TIG焊接是澳大利亞CSIRO公司開發(fā)的一種大電流TIG焊接技術(shù)，通過電弧壓力、匙孔側(cè)壁金屬蒸發(fā)形成的蒸汽反作用力、液態(tài)金屬表面張力及重力的動態(tài)平衡實現(xiàn)“ 匙孔 ”焊接，具有高質(zhì)量、高效率和低成本的優(yōu)勢[1]。Yifei Huang等人[2]研究了AISI 304/Q345 異種鋼K-TIG焊接接頭的組織和性能。結(jié)果顯示，焊縫組織為條狀馬氏體和殘余奧氏體，強度和塑性均良好。Shuwan Cui等人[3]研究了S32101雙相不銹鋼K-TIG焊縫的組織演變和力學性能。結(jié)果顯示，鐵素體和奧氏體的位向角由高角晶界遷移到低角晶界。焊縫金屬的沖擊性能低于母材，但抗拉強度和顯微硬度均優(yōu)于母材。隨著現(xiàn)代工業(yè)及焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，異種鋼焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛[4]，常用于海洋電站、船舶、石油化工（管線、儲罐）、生物制藥（儲罐）、機械制造（焊接閥板）等領(lǐng)域。例如某化工“ MA水解塔 ”整體結(jié)構(gòu)為316L不銹鋼，裙底為低合金鋼Q235B[5]。這對異種鋼焊接接頭的強度、塑性、韌性等提出了更高要求，因此研究高效率、高質(zhì)量的異種鋼焊接接頭具有重要的實際意義。

1 試驗設(shè)備、材料及方法

試驗設(shè)備包括OTC弧焊機（額定電流500 A）、K-TIG焊槍、水冷箱、焊件移動控制平臺。K-TIG焊槍結(jié)構(gòu)如圖1所示，其高效的冷卻系統(tǒng)將電弧壓縮到陰極尖端，陰極電子在較小的范圍內(nèi)發(fā)射，提高了陰極發(fā)射密度，導(dǎo)致電弧更集中、更具穿透力，能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量、高效率焊接。

試驗?zāi)覆倪x用Q345低合金鋼和316L奧氏體不銹鋼，其主要化學成分如表1、表2所示。Q345母材組織為鐵素體及珠光體，見圖2a;316L奧氏體不銹鋼母材組織為等軸奧氏體及少量鐵素體，見圖2b。

Q345和316L尺寸為200 mm×100 mm×6 mm，采用對接接頭，不開坡口、不用填充材料，單面焊雙面成型。焊前去除表面及端面的鐵銹、氧化膜等雜質(zhì)，防止產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷。由于K-TIG焊接“ 匙孔效應(yīng) ”顯著[6]，工件的裝配間隙對匙孔的穩(wěn)定性影響很大，考慮到焊縫收縮，推薦值為≤0.5 mm。同時，過大的錯邊量會使焊縫背面成型變差，出現(xiàn)咬邊、未熔合、未焊透等缺陷，嚴重影響焊縫質(zhì)量，推薦值為≤0.1 mm。定位焊后將試板做小角度的反變形，用夾具固定后調(diào)整電弧長度和鎢極偏距準備施焊。分析認為Q345/316L在熔點、導(dǎo)熱性、電磁性和線膨脹系數(shù)存在差異，焊接時容易產(chǎn)生偏弧現(xiàn)象，降低電弧力、破壞穿孔穩(wěn)定性，導(dǎo)致焊縫成型差。偏轉(zhuǎn)法可以控制兩側(cè)金屬的熔化量，達到改善焊縫金屬冶金性能的目的[7]。其主要焊接工藝參數(shù)如表3所示。

焊后采用DK7725型線切割沿垂直于焊縫方向截取金相試樣，對試樣進行研磨和拋光處理后，Q345用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，焊縫及316L用氯化高鐵鹽酸水溶液（2.5 g、25 mL、25 mL）腐蝕。利用Axio Scope A1光學顯微鏡觀察焊縫微觀組織，使用Quanta 450掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌。用WDW-100D萬能試驗機進行焊接接頭拉伸試驗，加載速率為2 mm/min，加載載荷為50 kN;采用55 mm×10 mm×5 mm非標準夏比V型缺口試樣，缺口軸線垂直于焊縫表面，并位于焊縫橫截面對稱線處，室溫下用JB-30B沖擊試驗機對焊縫進行V型缺口試驗。采用HVS-1000 型維氏硬度儀測定焊縫、HAZ及兩側(cè)母材的硬度值。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 焊接接頭宏觀形貌

Q345/316L異種鋼K-TIG焊接接頭宏觀形貌如圖3所示，正面焊縫平滑，熔寬均勻，無咬邊、未熔合、飛濺、裂紋等缺陷。背面焊縫成型均勻平整、焊紋細膩，無明顯氣孔、裂紋缺陷。

2.2 焊接接頭的顯微組織

2.2.1 焊縫及316L不銹鋼熱影響區(qū)組織

靠近316L側(cè)焊縫組織為奧氏體和骨骼狀 δ 鐵素體，黑色 δ 鐵素體分布在白色奧氏體晶界，形成粗大且有明顯方向性的柱狀晶，見圖4a。靠近Q345側(cè)為板條馬氏體，由許多成群、相互平行的板條束構(gòu)成，板條之間為小角晶界，板條束之間為大角晶界，見圖4b。分析認為，K-TIG焊接過程熱輸入較高，導(dǎo)致316L側(cè)焊縫金屬冷卻速度減慢、溫度梯度變緩，在較小的過冷度下，晶粒形核困難，長大容易;其次，垂直于母材熔合線方向散熱最快，因而晶體擇優(yōu)生長形成粗大柱狀晶[8]。δ鐵素體是由于鎢極偏向316L側(cè)導(dǎo)致316L側(cè)接受更多的電弧能量和動量，在對流和電磁攪拌作用下焊縫金屬中316L的熔合比增大，Cr、Ni元素含量相對較高。在非平衡冷卻過程中，富鉻貧鎳的δ鐵素體晶核在凝固終了前發(fā)生包晶-共晶轉(zhuǎn)變生成奧氏體的過程不完全，保留下來的δ鐵素體晶核最終形成δ鐵素體[9];板條馬氏體是由于Q345側(cè)導(dǎo)熱系數(shù)高、液態(tài)金屬高溫停留時間短，當焊接熔池攪拌和對流作用相對較弱時，合金元素混合不均勻。當高溫奧氏體快速冷卻時，溶入其中的合金元素擴大奧氏體相區(qū)范圍，增大其穩(wěn)定性，導(dǎo)致Ms點下降，在較低溫度時才發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。

316L奧氏體側(cè)顯微組織如圖5所示，焊縫和316L側(cè)HAZ之間形成了45～50 μm的熔合區(qū)，熔合區(qū)由奧氏體及其分布在基體上的無方向性且不連續(xù)的細小蠕蟲狀鐵素體構(gòu)成。分析認為，焊接過程中鎢極位置使電弧中心偏向316L側(cè)2 mm處，電弧邊緣靠近Q345側(cè)。而電弧中心最高溫度高于電弧邊緣使316L側(cè)溫度相對較高;另一方面，Q345的熱擴散率大于316L，使熱量向周圍母材散失得較快，相同溫度等溫線所包圍的區(qū)域較小，導(dǎo)致Q345側(cè)熱量較低，316L側(cè)熱量較高，Mo、Ni、Cr等元素擴散劇烈;再者，316L與Q345化學成分相差大，合金元素因其質(zhì)量分數(shù)差異引起的化學位梯度大，產(chǎn)生的擴散驅(qū)動力較大，形成的熔合區(qū)較寬[10]。熔合區(qū)內(nèi)的組織不均勻，塑韌性較差，容易產(chǎn)生冷、熱裂紋，是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)嚴格控制其寬度。316側(cè)HAZ組織為粗大的塊狀奧氏體，晶界很清晰。這是由于高溫停留時間長，晶粒長大，且在緩慢冷卻過程中加快了鉻的碳化物在晶界的析出，碳化物在腐蝕時可以作為陰極，與基體構(gòu)成微腐蝕電偶，使得晶界抗腐蝕性變差。

2.2.2 Q345側(cè)熱影響區(qū)組織

Q345側(cè)熱影響區(qū)可分為熔合區(qū)、過熱區(qū)、相變重結(jié)晶區(qū)、不完全重結(jié)晶區(qū)，如圖6所示。熔合區(qū)粗大過熱組織為白色鐵素體和灰色珠光體，鐵素體沿粗大的奧氏體晶界分布，形成羽毛狀或網(wǎng)格狀鐵素體魏氏組織，見圖6a。熔合區(qū)熱輸入大、高溫停留時間長、受熱較劇烈、溫度遠超過Ac3，導(dǎo)致奧氏體晶粒粗大，并伴隨溶入奧氏體內(nèi)部的滲碳體向晶界邊緣偏聚析出形成網(wǎng)狀的二次滲碳體。同時，碳化物在奧氏體晶粒內(nèi)部按一定方向呈針狀生長，形成網(wǎng)格狀、羽毛狀魏氏組織，這種粗大晶粒和過熱魏氏組織使材料的強度、塑性、沖擊韌性明顯降低[11]。過熱區(qū)組織為層片狀索氏體及鐵素體，晶粒粗大[12]，見圖6b、6e。焊縫中遷移過來的Mo、Ni等元素在高溫條件下可以抑制奧氏體晶粒長大，所以過熱區(qū)粗化現(xiàn)象并不嚴重，力學性能損失相對較少。相變重結(jié)晶區(qū)為均勻的細小鐵素體和黑色粒狀珠光體，見圖6c。在相變重結(jié)晶區(qū)，金屬被加熱到A3～1 000 ℃之間，然后在空氣中冷卻，生成鐵素體和粒狀珠光體，該區(qū)域韌、塑性良好[13]。圖6d是不完全重結(jié)晶區(qū)，該區(qū)域金屬的加熱溫度在Ac1～Ac3之間，奧氏體化不完全，只有一部分發(fā)生相變重結(jié)晶成為細小的鐵素體和珠光體，另一部分則仍保持原來的形態(tài)。

2.3 力學性能分析

2.3.1 接頭拉伸性能

對 Q345/316L 焊縫試樣進行常溫拉伸試驗，試驗結(jié)果如圖7所示。拉伸試樣的斷口均在Q345母材且均為韌性斷裂，焊接接頭拉伸強度分別為498 MPa、507 MPa、516 MPa，均大于母材最低強度，符合標準要求。分析可知，鎢極偏向316L側(cè)使得焊縫金屬中316L占比增大，Ni、Cr、Mo 元素含量增高。而焊縫中碳含量較低，強碳化物形成元素Cr、Mo優(yōu)先與碳結(jié)合，形成難溶于奧氏體的碳化物阻止奧氏體晶粒長大，從而細化晶粒、提高焊縫的強度[14];弱碳化物形成元素Ni溶入固溶體中，增加位錯運動阻力，起到固溶強化，提高焊縫強度;其次，板條馬氏體轉(zhuǎn)變時發(fā)生“ 自回火 ”，且碳化物分布均勻。母材和焊縫金屬導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)的差異，使得晶格畸變增大，晶內(nèi)出現(xiàn)晶格缺陷密度很高的位錯亞結(jié)構(gòu)，阻礙位錯運動，使馬氏體發(fā)生相變強化而具有高的強度和良好的韌性[15]。

2.3.2 接頭沖擊韌性

對三組焊接接頭焊縫位置處進行沖擊試驗，發(fā)現(xiàn)試樣斷口均在Q345側(cè)熱影響區(qū)，如圖8所示，沖擊韌性值分別為75 J/cm2，95 J/cm2，108 J/cm2。第一組試樣的沖擊韌性值最小，但都遠高于常溫沖擊韌性不低于34 J/cm2的標準。這可能是由于焊縫中Ni、Mo等元素遷移至Q345側(cè)，減小了碳遷移程度，提高了韌性。熱影響區(qū)沖擊韌性相對較低，可能是焊接過程中晶粒粗大且在熔合線附近產(chǎn)生了過熱魏氏體組織，從而降低了沖擊韌性。圖9a是Q345熱影響區(qū)沖擊斷口的低倍掃描電鏡照片，斷面包含幾個不同的特征區(qū)域。圖9b是低倍像中標注b特征區(qū)域的放大像，該區(qū)域由分布較淺、大小均勻的拉長韌窩構(gòu)成，凸處指向裂紋源，說明該區(qū)域?qū)儆陧g性斷裂。圖9c是低倍像中標注c特征區(qū)域的放大像，該斷面由高低起伏的粗大平面構(gòu)成，對應(yīng)于粗晶熱影響區(qū)的沿晶界斷裂面。圖9d對應(yīng)于低倍像中標注d特征區(qū)域的放大像，由尺寸相對較小的塊狀組成。該區(qū)域存在部分準解理特征，有明顯的河流花樣和解理臺階，由此判斷裂紋擴展的路徑是從母材區(qū)經(jīng)熱影響區(qū)向熔合區(qū)發(fā)展，當通過熔合區(qū)時發(fā)生較大的塑性變形，具有撕裂、拉長韌窩的特征，該斷口為韌脆混合斷口[16]。

2.3.3 接頭硬度測試

在距離接頭上下表面2 mm處，沿水平方向分別測定了Q345母材、Q345側(cè)HAZ、焊縫、316L側(cè)HAZ和316L母材的顯微硬度（測試點之間間隔為0.3 mm），如圖10所示?？拷黁345側(cè)焊縫區(qū)的硬度明顯高于316L側(cè)焊縫且高于兩側(cè)HAZ及母材，這是由于鎢極偏向316L導(dǎo)致較多的合金元素擴散到焊縫，起到固溶強化作用。同時，靠近Q345側(cè)焊接過程中快速冷卻及合金元素混合不均勻，導(dǎo)致焊縫生成板條馬氏體組織，提高了焊縫的硬度和強度;316L側(cè)HAZ的硬度陡降是由于奧氏體晶粒受熱循環(huán)的影響發(fā)生晶粒粗大而發(fā)生軟化;Q345側(cè)HAZ硬度降低是由于晶粒粗大及產(chǎn)生了魏氏體組織。并且在Q345側(cè)HAZ與母材交界處出現(xiàn)突降，這是由于不完全重結(jié)晶區(qū)奧氏體轉(zhuǎn)變不完全，部分轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉蔫F素體和珠光體。

3 結(jié)論

（1）采用K-TIG焊接方法對6 mm Q345/316L異種鋼試板進行焊接，在不開坡口、不留間隙、不用填充材料，焊接參數(shù)為：焊接電流360 A、焊接速度300 mm/min、電弧長度3 mm、氣體流量12 L/min、鎢極偏距2 mm的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)單面焊雙面成型且焊接接頭質(zhì)量優(yōu)良。

（2）靠近316L側(cè)焊縫組織為奧氏體及分布在晶界的骨骼狀鐵素體，呈粗大柱狀晶分布，靠近Q345側(cè)焊縫組織為板條馬氏體。316L側(cè)熔合區(qū)寬約45～

50 μm，由細小的蠕蟲狀鐵素體呈無方向且不連續(xù)地分布在奧氏體基體上。316L側(cè)熱影響區(qū)晶粒粗大，晶界有析出相。Q345側(cè)熔合區(qū)產(chǎn)生魏氏組織，過熱區(qū)晶粒粗大且有索氏體生成，相變重結(jié)晶區(qū)晶粒細小。

（3）拉伸試樣均斷在Q345母材一側(cè)，焊縫強度高。沖擊斷口均斷在Q345熱影響區(qū)一側(cè)，斷口呈現(xiàn)韌脆準解理斷裂。

（4）靠近Q345側(cè)焊縫硬度值明顯高于316L側(cè)且高于兩側(cè)HAZ及母材的硬度值。

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