鐵素體不銹鋼/16Mn鋼厚板異種鋼電子束焊接接頭的組織與沖擊韌性

王超冉，李 東

(上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院，上海 201600)

0 引 言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)材料的性能和生產(chǎn)成本提出了更高的要求[1-2]，而單一材料很難滿足多樣化的環(huán)境需求。厚板異種鋼結(jié)構(gòu)件的焊接是制造大型船舶和汽輪機(jī)等設(shè)備不可缺少的工藝過(guò)程，因此厚板異種鋼焊接具有良好的工業(yè)發(fā)展前景。傳統(tǒng)的厚板焊接技術(shù)，例如多層多道電弧焊，具有焊接周期長(zhǎng)、接頭成形質(zhì)量差等缺點(diǎn)，難以滿足愈加嚴(yán)苛的制造要求[3-5]。相比于傳統(tǒng)厚板結(jié)構(gòu)件焊接方法，電子束焊接具有效率高、熱變形小、成形質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，且焊接過(guò)程在真空室內(nèi)進(jìn)行，避免了空氣中氧、氮等元素的污染，同時(shí)電子束焊接幾乎適用于所有金屬材料，尤其是異種鋼厚板[6]。

鐵素體不銹鋼具有良好的耐腐蝕性能，其耐氯化物腐蝕性和導(dǎo)熱性能優(yōu)于奧氏體不銹鋼，因此常用于特殊的工作環(huán)境中[7-8]，但鐵素體不銹鋼具有較差的焊接性，特別是在熔焊過(guò)程中熱影響區(qū)存在鐵素體粗大、碳化物析出等現(xiàn)象，導(dǎo)致韌性降低，這也是制約鐵素體不銹鋼發(fā)展的一大因素。16Mn鋼中的碳含量低，焊接性較好，同時(shí)具有較高的抗拉強(qiáng)度，而且生產(chǎn)成本相對(duì)較低，普遍應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)中。鐵素體不銹鋼和16Mn鋼的連接具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值，但是目前未見(jiàn)有關(guān)鐵素體不銹鋼和16Mn鋼厚板異種鋼電子束焊接的報(bào)道。隨著鋼板厚度的增大，異種鋼之間的熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等性能參數(shù)的差異帶來(lái)的影響隨之放大，可能造成焊接接頭兩側(cè)的顯微組織及力學(xué)性能存在較大差異[9]。VERMA等[10]研究發(fā)現(xiàn)，采用較低的焊接熱輸入可以避免鐵素體不銹鋼基體晶粒過(guò)度長(zhǎng)大。通過(guò)電子束焊接厚板勢(shì)必需要很高的熱輸入，這就很容易導(dǎo)致鐵素體不銹鋼發(fā)生脆化等現(xiàn)象，從而影響整個(gè)焊接接頭的質(zhì)量。為控制焊縫區(qū)域中鐵素體不銹鋼母材的熔入量，作者通過(guò)電子束偏向16Mn鋼側(cè)的方法對(duì)40 mm厚鐵素體不銹鋼板/16Mn鋼板進(jìn)行電子束焊接，研究了接頭不同區(qū)域處的顯微組織和力學(xué)性能，為厚板異種鋼焊接的工業(yè)應(yīng)用提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

焊接母材為尺寸300 mm×200 mm×40 mm的16Mn鋼板和鐵素體不銹鋼板，二者的化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用Probeam K110型高壓真空電子束焊機(jī)進(jìn)行全熔透對(duì)接試驗(yàn)，焊前通過(guò)角磨機(jī)打磨鋼板長(zhǎng)度方向待焊面周圍區(qū)域，去除氧化皮，并用乙醇擦洗。在鋼板底面對(duì)接處預(yù)焊2條長(zhǎng)10 mm、深約1 mm的焊縫用來(lái)固定鋼板。正式焊接前進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，異種金屬的磁場(chǎng)可能引起電子束偏離，導(dǎo)致焊接接頭局部區(qū)域不熔[11]，同時(shí)需要控制焊縫區(qū)域中鐵素體不銹鋼母材的熔入量，因此在電子束焊接時(shí)適當(dāng)偏移電子束向16Mn鋼側(cè)。確定最終的焊接工藝參數(shù)：加速電壓120 kV，電流100 mA，焊接速度5 mm·s-1，束偏移量(向16Mn鋼側(cè))1.5 mm。

表1 16Mn鋼和鐵素體不銹鋼的化學(xué)成分

采用線切割方法在異種鋼焊接接頭上以焊縫為中心截取金相試樣，取樣位置如圖1中的區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，與焊接接頭上表面的垂直距離分別為5，15，25，35 cm。金相試樣經(jīng)打磨、拋光后，在CuCl2鹽酸酒精溶液(10 g CuCl2+50 mL濃鹽酸+50 mL乙醇)中腐蝕50 s，在Hitachi S3400型掃描電鏡(SEM)下觀察不同區(qū)域的顯微組織。按照GB/T 228.1-2010，在異種鋼焊接接頭上的區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ處以焊縫為中心垂直于焊接方向以及母材處截取拉伸試樣，拉伸試樣的尺寸如圖2所示，采用Zwick/Roell Z100型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為1 mm·min-1，相同區(qū)域處截取3個(gè)平行試樣，取試驗(yàn)結(jié)果的平均值。在異種鋼焊接接頭上的區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ處垂直于焊接方向截取V型缺口沖擊試樣，沖擊試樣尺寸為55 mm×7.5 mm×7.5 mm，V型缺口深度為1.5 mm，缺口分別開(kāi)在焊縫中心(缺口方向包括沿厚度方向與沿焊接方向)、16Mn鋼熱影響區(qū)(沿厚度方向)、鐵素體不銹鋼熱影響區(qū)和兩側(cè)母材處(沿厚度方向)，采用擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)在室溫下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，在掃描電子顯微鏡下觀察沖擊斷口形貌，并用其附帶的能譜儀(EDS)進(jìn)行微區(qū)成分分析。

圖1 焊接接頭的取樣位置Fig.1 Sampling position of welded joint

圖2 拉伸試樣的尺寸Fig.2 Size of tensile specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖3可以看出，電子束焊接接頭厚度方向不同區(qū)域焊縫的組織均主要為板條馬氏體，這是因?yàn)殡娮邮哂泻芨叩哪芰棵芏?，以一定的速度轟擊到材料表面會(huì)產(chǎn)生巨大的熱能，表面材料在很短的時(shí)間內(nèi)完成熔化和凝固的過(guò)程，在凝固時(shí)相轉(zhuǎn)變過(guò)程為液相→液相+δ鐵素體→δ鐵素體→δ鐵素體+奧氏體→奧氏體→馬氏體，在區(qū)域Ⅰ中還發(fā)現(xiàn)了少量高溫鐵素體。由于電子束偏向16Mn鋼側(cè)，焊縫中鐵素體不銹鋼熔入量比較少，并且熔池的快速冷卻過(guò)程可以抑制晶粒長(zhǎng)大以及脆性金屬間化合物的析出，因此合金元素主要以固溶形式存在[12]，焊縫中沒(méi)有碳化物生成。在熱循環(huán)過(guò)程中焊縫中心沿厚度方向的峰值溫度降低，熔寬減小，導(dǎo)致冷卻速率逐漸增大，因此焊縫厚度方向，即由區(qū)域Ⅰ到區(qū)域Ⅳ的晶粒尺寸呈降低趨勢(shì)。焊縫底部峰值溫度最低，且熔池體積較小，熱量可快速傳遞至兩側(cè)母材，冷卻速率大，因此焊縫底部的晶粒尺寸較小[13]。

圖3 接頭不同區(qū)域焊縫的顯微組織Fig.3 Microstructures of weld at different areas of joint: (a) area I; (b) area II; (c) area III and area IV

由圖4可以看出：接頭區(qū)域Ⅰ、區(qū)域Ⅱ、區(qū)域Ⅲ16Mn鋼側(cè)熱影響區(qū)組織均主要由針狀鐵素體和羽毛狀上貝氏體組成，而底部區(qū)域Ⅳ組織則主要由針狀鐵素體、羽毛狀上貝氏體、馬氏體和少量塊狀鐵素體組成。在焊接過(guò)程中，靠近熔池邊界的母材隨著溫度的升高轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，經(jīng)快速冷卻至500 ℃左右時(shí)鐵素體從奧氏體晶粒內(nèi)析出，呈針狀分布，同時(shí)部分過(guò)冷奧氏體發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變形成上貝氏體[14]。接頭底部溫度梯度較小，熔池較窄，使得底部熱影響區(qū)峰值溫度較低且具有更高的冷卻速率，導(dǎo)致部分過(guò)冷奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，同時(shí)在焊接過(guò)程中基體組織未完全奧氏體化，焊后保留了一部分母材組織的特征，因此底部16Mn鋼側(cè)熱影響區(qū)主要由針狀鐵素體、羽毛狀上貝氏體、馬氏體和少量塊狀鐵素體組成。

圖4 接頭不同區(qū)域16Mn鋼側(cè)熱影響區(qū)的顯微組織Fig.4 Microstructures of heat affected zone at 16Mn steel side at different areas of joint: (a) area I; (b) area II; (c) area III and area IV

由圖5可以看出，接頭厚度方向不同區(qū)域的鐵素體不銹鋼側(cè)熱影響區(qū)組織均主要由鐵素體、馬氏體和顆粒狀碳化物組成。在熱循環(huán)過(guò)程中，當(dāng)溫度達(dá)到860 ℃以上時(shí)，少量鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，熔合線附近鐵素體不銹鋼側(cè)熱影響區(qū)處于δ鐵素體+奧氏體兩相區(qū)，在隨后快速冷卻過(guò)程中奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樾螤畈灰?guī)則的馬氏體[15]，馬氏體的形態(tài)反映了高溫時(shí)形成的奧氏體的形態(tài)；同時(shí)高溫鐵素體中碳的溶解度降低，在晶內(nèi)析出少量碳化物顆粒[8]。

圖5 接頭不同區(qū)域鐵素體不銹鋼側(cè)熱影響區(qū)的顯微組織Fig.5 Microstructures of heat affected zone at ferritic stainless steel side at different areas of joint: (a) area I; (b) area II; (c) area III and area IV

2.2 拉伸性能

由表2可以看出，焊接接頭拉伸試樣均在鐵素體不銹鋼母材處斷裂，這表明焊縫區(qū)不是整個(gè)焊接接頭的薄弱區(qū)域。與母材相比，焊接接頭的斷后伸長(zhǎng)率明顯降低，斷后伸長(zhǎng)率的降低主要與焊接接頭的顯微組織有關(guān)，焊縫中的板條馬氏體具有較高的硬度和較高密度位錯(cuò)的亞結(jié)構(gòu)，在一定程度上會(huì)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)[16-17]，使得斷后伸長(zhǎng)率較低。

表2 母材和接頭不同區(qū)域的拉伸性能以及斷裂位置

2.3 沖擊韌性

由圖6可以看出，母材的沖擊吸收功沿厚度方向降低，其中16Mn鋼的沖擊吸收功在86～105 J之間，鐵素體不銹鋼在50～64 J之間。不同缺口方向焊縫區(qū)的沖擊吸收功具有相同的變化趨勢(shì)，即沿厚度方向降低，且缺口沿焊縫厚度方向的沖擊吸收功低于缺口沿焊接方向；區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ焊縫的沖擊吸收功均高于100 J，而區(qū)域Ⅲ和區(qū)域Ⅳ的沖擊吸收功均低于70 J。16Mn鋼側(cè)熱影響區(qū)具有最高的沖擊吸收功，最大值為113 J，且不同厚度處的沖擊吸收功相差不大；鐵素體不銹鋼側(cè)熱影響區(qū)的沖擊吸收功最低，在6～10 J之間，沖擊韌性最差。

圖6 接頭不同位置不同區(qū)域的沖擊吸收功Fig.6 Impact absorbed energy of different areas at differentpositions of joints

焊縫具有良好的韌性主要與馬氏體中的亞結(jié)構(gòu)有關(guān)[18]。由于母材含碳量較低，區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ焊縫經(jīng)快速冷卻后得到位錯(cuò)型板條馬氏體，其亞結(jié)構(gòu)中存在低密度位錯(cuò)區(qū)，為位錯(cuò)提供了活動(dòng)余地，具有一定的抵抗變形的能力，因此沖擊吸收功均高于母材，韌性較好。焊縫中心不同區(qū)域的EDS分析結(jié)果如表3所示，焊縫中的鉻元素含量沿厚度方向增大，部分馬氏體的亞結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閷\晶型，位錯(cuò)型馬氏體含量減少[19]。相比于位錯(cuò)型板條馬氏體，孿晶型板條馬氏體不能發(fā)生塑性變形，因此隨著距焊縫上表面距離的增大，焊縫抵抗變形的能力降低，沖擊吸收功明顯降低[20]。缺口沿焊縫厚度方向的沖擊吸收功低于缺口沿焊接方向，表明焊接接頭對(duì)于沿焊縫厚度方向的沖擊更敏感。

表3 接頭不同區(qū)域焊縫中心的EDS分析結(jié)果

相比于16Mn鋼母材，16Mn鋼側(cè)熱影響區(qū)具有更好的韌性，組織中的針狀鐵素體可以有效阻止裂紋的擴(kuò)展，從而提高了該區(qū)域的強(qiáng)度[21]。鐵素體不銹鋼側(cè)熱影響區(qū)的韌性很差，這是因?yàn)殍F素體不銹鋼中較高的鉻含量使得鐵素體晶粒更容易長(zhǎng)大，從而產(chǎn)生粗晶脆化現(xiàn)象，導(dǎo)致該區(qū)域韌性較差、缺口敏感性較大；組織中還存在少量碳化物脆性相，也會(huì)使鐵素體不銹鋼的沖擊韌性明顯降低[16]。

2.4 沖擊斷口形貌

由圖7可以看出：焊縫沖擊試樣斷口中都存在類解理小平面、撕裂棱和河流花樣，缺口沿焊接方向焊縫試樣承受的沖擊載荷垂直于焊接表面，裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中經(jīng)過(guò)的柱狀晶晶界面積更大，斷口表現(xiàn)出明顯的沿晶斷裂特征，即存在更大密度的解理臺(tái)階及撕裂棱，因此缺口沿焊接方向焊縫試樣的沖擊吸收功相對(duì)較高；接頭上部(區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ)焊縫沖擊試樣斷口中存在少量微孔，表現(xiàn)出明顯的準(zhǔn)解理斷裂特征，而下部(區(qū)域Ⅲ和區(qū)域Ⅳ)焊縫沖擊試樣斷口中含有更大面積的河流花樣，更傾向于解理斷裂，因此其沖擊韌性較差。由圖8可以看出，接頭不同區(qū)域16Mn鋼側(cè)熱影響區(qū)的沖擊斷口主要由韌窩、解理面和少量微孔組成，斷裂類型為混合斷裂。由圖9可以看出，接頭不同區(qū)域鐵素體不銹鋼側(cè)熱影響區(qū)的沖擊試樣斷口中均存在解理面和放射狀河流花樣，表現(xiàn)出明顯的脆性斷裂特征，韌性較差。接頭不同區(qū)域鐵素體不銹鋼側(cè)熱影響區(qū)沖擊試樣斷口中均存在少量碳化物，其形貌如圖10所示，采用EDS測(cè)得該碳化物的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為3.95C，27.63Cr，68.2Fe，可以確定該碳化物為M23C6型碳化物。這些脆硬的碳化物在一定程度上能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使基體強(qiáng)度增大，但削弱了界面間的結(jié)合強(qiáng)度，導(dǎo)致基體塑性降低，沖擊韌性變差[21]。

圖7 焊接接頭不同區(qū)域焊縫的沖擊試樣斷口形貌Fig.7 Fracture morphology of impact sample of weld at different areas of joint: (a) notch along direction of weld thicknessand (b) notch along welding direction

圖8 接頭不同區(qū)域16Mn鋼側(cè)熱影響區(qū)的沖擊試樣斷口形貌Fig.8 Fracture morphology of impact sample of heat affected zone at 16Mn steel side at different areas of joint:(a) area I; (b) area II; (c) area III and (d) area IV

圖9 接頭不同區(qū)域鐵素體不銹鋼熱影響區(qū)的沖擊試樣斷口形貌Fig.9 Fracture morphology of impact sample of heat affected zone at ferritic stainless steel side at different areas of joint:(a) area I; (b) area II; (c) area III and (d) area IV

圖10 鐵素體不銹鋼側(cè)熱影響區(qū)沖擊試樣斷口中第二相的微觀形貌Fig.10 Micromorphology of second phase on impact sample fractureof heat affected zone at ferritic stainless steel side

3 結(jié) 論

(1) 采用電子束焊接方法制備鐵素體不銹鋼/16Mn鋼厚板焊接接頭焊縫的組織主要為板條馬氏體，隨著距焊縫上表面距離的增大，晶粒尺寸減??；接頭16Mn鋼側(cè)熱影響區(qū)的組織主要由針狀鐵素體和羽毛狀上貝氏體組成；鐵素體不銹鋼側(cè)熱影響區(qū)組織均主要由鐵素體、馬氏體和顆粒狀碳化物組成。

(2) 焊接接頭不同區(qū)域的拉伸試樣均在鐵素體不銹鋼母材處斷裂，說(shuō)明接頭的拉伸性能優(yōu)于鐵素體不銹鋼母材。焊縫區(qū)上部的沖擊吸收功均高于100 J，沖擊韌性較好，而焊縫區(qū)下部的沖擊吸收功均低于70 J，沖擊韌性較差。接頭中16Mn鋼側(cè)熱影響區(qū)具有最高的沖擊吸收功，最大值為113 J，沖擊韌性最好，而鐵素體不銹鋼側(cè)熱影響區(qū)的沖擊吸收功最低，在6～10 J之間，沖擊韌性最差。

(3) 焊縫處的沖擊試樣斷口中存在類解理小平面、撕裂棱和河流花樣，斷裂類型為準(zhǔn)解理斷裂和解理斷裂；16Mn鋼側(cè)熱影響區(qū)的沖擊試樣斷口主要由韌窩、解理面和少量微孔組成，斷裂類型為韌性和脆性混合斷裂，鐵素體不銹鋼側(cè)熱影響區(qū)沖擊試樣斷口存在解理面和放射狀河流花樣，表現(xiàn)出明顯的脆性斷裂特征，粗化的鐵素體晶粒和少量的碳化物脆性顆粒降低了該區(qū)域的沖擊韌性。