Q235鋼與1Cr18Ni9Ti不銹鋼異種鋼焊接接頭性能的研究

李增榮

（沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧 撫順 113122）

異種金屬連接技術(shù)在機(jī)械、石油、化工等行業(yè)得到越來越多的運(yùn)用和日益受到人們的重視。但由于異種金屬在化學(xué)成分、顯微組織和理化機(jī)械性能等方面存在較大的差異，采用通常的焊接工藝方法進(jìn)行焊接會出現(xiàn)很多的問題，如裂紋、碳遷移現(xiàn)象等，因此難以滿足工程實(shí)際的需要。為了保證具有異種鋼接頭的鋼結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行，需要對異種鋼焊接接頭在各種不同環(huán)境中的運(yùn)行情況做全面的研究。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用板厚為12mm的Q235鋼和板厚為10mm的1Cr19Ni9Ti兩種異質(zhì)材料，選用E309-15(Cr25-Ni13)焊條用手工電弧焊焊接，對形成的焊接接頭進(jìn)行研究。

Q235的碳當(dāng)量和合金元素的裂紋敏感指數(shù)計算為：

一般認(rèn)為CE≤0.5%時，鋼在焊接時已具有一定的淬硬傾向，1Crl8Ni9Ti屬于奧氏體不銹鋼，具有非常好的塑性和韌性，因此在焊接時不會發(fā)生任何的淬火硬化現(xiàn)象。

1.2 試驗(yàn)方法

針對異種鋼焊接特點(diǎn)和對兩種材料的焊接性分析，采取以下焊接工藝進(jìn)行焊接。

本試驗(yàn)采用ZX7-400(PE23-400)手工直流弧焊機(jī)；采用對接接頭，接頭坡口形式如圖2.3所示。

根據(jù)以上對兩種材料的焊接性分析，在焊接時采用焊前預(yù)熱和焊后熱處理，焊接時層間溫度控制在小于60℃范圍，采用小電流快速施焊，然后按照J(rèn)B4730標(biāo)準(zhǔn)對試樣進(jìn)行X射線探傷，Ⅱ級合格。其余焊接工藝參數(shù)見表1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

采用以上工藝進(jìn)行焊接，然后對接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、顯微硬度測試以及金相觀察，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 拉伸試驗(yàn)分析

焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示，斷面收縮率平均值為80.45%，伸長率平均值為20.37%。每個試樣焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度均高于Q235母材抗拉強(qiáng)度，(Q235母材的抗拉強(qiáng)度為450MPa)并且斷裂位置位于Q235側(cè)母材，焊縫的抗拉強(qiáng)度大于一側(cè)母材。

圖1 接頭形式示意圖

2.2 沖擊試驗(yàn)分析

采用V型缺口沖擊試驗(yàn)方法在室溫下測量了焊縫金屬、熱影響區(qū)金屬的沖擊吸收功，實(shí)驗(yàn)在294/147J沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。V型缺口分別開在焊縫區(qū)和兩側(cè)熱影響區(qū)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示：

表2 沖擊試驗(yàn)結(jié)果（Akv/J ）

2.3 顯微硬度測試分析

試驗(yàn)所使用的顯微硬度測試儀型號為HVS-1000型，載荷為1.96N，加載時間為20s測試了焊態(tài)下焊接接頭焊縫金屬、熱影響區(qū)金屬和母材金屬三個區(qū)域的顯微硬度。從1Cr18Ni9Ti側(cè)熱影響區(qū)經(jīng)焊縫金屬至Q235側(cè)熱影響區(qū)方向測試了接頭金屬的顯微硬度，顯微硬度分布如圖2所示。

圖2 焊接接頭顯微硬度分

從圖2中可以看出，在Q235側(cè)熔合區(qū)金屬顯微硬度值偏高，平均達(dá)到了240HV，從熔合區(qū)附近開始顯微硬度值慢慢降低，整個熱影響區(qū)金屬的平均顯微硬度值為181.3HV，比Q235側(cè)的熔合區(qū)金屬的顯微硬度值低58.7HV，而焊縫區(qū)金屬的顯微硬度值分布比較均勻，和1Cr18Ni9Ti母材相比變化不大。

2.4 焊縫金相組織分析

如圖3所示，在Q235側(cè)母材區(qū)顯微組織為小塊狀鐵素體、珠光體和小顆粒狀的碳化物，經(jīng)過不同的焊后熱處理之后，隨著熱處理溫度的升高鐵素體塊狀增大，顆粒狀的碳化物逐漸減少，其在靠近熔合區(qū)的母材部分主要為鐵素體組織。1Cr18Ni9Ti母材的組織比較簡單，為分布比較均勻的單相奧氏體組織，Ti的加入產(chǎn)生少量的δ鐵素體。鐵素體和奧氏體雙相組織的存在，使得1Cr18Ni9Ti的抗腐蝕性能更加優(yōu)異。1Cr18Ni9Ti不銹鋼和Q235焊接，焊縫金屬的組織主要為奧氏體基體上分布有一定數(shù)量的骨架或蠕蟲狀δ鐵素體。

圖3 1Cr18Ni9Ti和Q235焊縫金相圖

結(jié) 語

通過上面的分析可以得出如下結(jié)論：

(1)焊接接頭在室溫下的抗拉強(qiáng)度高于Q235母材、顯微硬度峰值位于Q235側(cè)熔合區(qū)，焊縫區(qū)沖擊吸收功比兩側(cè)母材低。

(2)通過制定合理的焊接工藝，可以在一定程度上控制熱影響區(qū)晶粒的長大趨勢，從而提高Q235和1Ci18Ni9Ti異種鋼的焊接性，但不能消除長大現(xiàn)象。

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