Q345R和S30408異種鋼焊接接頭組織與性能分析

辛 偉,張 艷,魏禮運

（1.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院張家港分院，江蘇張家港215600；2.江蘇科技大學冶金與材料工程學院，江蘇張家港215600）

Q345R和S30408異種鋼焊接接頭組織與性能分析

辛 偉1,張 艷2,魏禮運2

（1.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院張家港分院，江蘇張家港215600；2.江蘇科技大學冶金與材料工程學院，江蘇張家港215600）

異種鋼焊接在各工程領域中應用廣泛，但由于異種鋼在冶金相容性、物理和化學性能方面差異較大，接頭組織不均勻，力學性能較差，因此有必要研究其組織及性能。選用A302焊條，采用焊條電弧焊（SMAW）對Q345R和S30408異種鋼進行焊接，并進行焊后熱處理，利用微觀金相組織觀察，沖擊、彎曲及拉伸等力學測試分析焊接接頭的組織和力學性能。實驗結果表明：Q345R和S30408異種鋼焊接接頭具有優良的力學性能，抗拉強度達到569 MPa以上，-20℃低溫平均沖擊功達到48 J以上，材料最佳熱處理溫度為550℃。

Q345R；S30408；焊接接頭；熱處理

0前言

異種金屬焊接既能滿足耐高溫、耐腐蝕和耐磨損的要求[1]，又能節約貴重金屬，降低成本，減輕質量，因此異種鋼焊接在航空航天、石油石化、電站鍋爐、機械等領域應用越來越多[2]。但由于異種鋼在化學成分、冶金相容性、物理和化學性能方面存在較大差異[3]，導致接頭的化學成分、金相組織不均勻，易出現焊接裂紋等問題[4]。針對S30408和Q345R異種鋼焊接接頭，選擇合適的焊接方法和焊接材料，并進行焊后熱處理，分析異種鋼焊接接頭的組織和力學性能。

1實驗材料和方法

試件母材選用S30408和Q345鋼板各一塊，鋼板尺寸650mm×110mm×38mm，加工成X型坡口，如圖1所示；焊接材料選用奧氏體不銹鋼焊條A302，焊條直徑4mm，母材和焊材的化學成分如表1所示。采用焊條電弧焊（SMAW），焊接工藝如表2所示，平焊，多層多道焊接，層間溫度150℃以下。

圖1 接頭坡口形式Fig.1Weld joint groove type

表1 母材和焊材的化學成分Tab.1The chemical composition of base metal and consumables ％

表2 焊接工藝參數Tab.2Welding procedure parameters

焊后試件平均切割成5等分，尺寸120 mm× 50 mm×38 mm，其中4組分別進行550℃、575℃、600℃、625℃焊后消應力退火熱處理，熱處理采用箱式電阻爐，熱處理時間1.5 h。采用蔡司顯微鏡（型號為Axio Scope.A1）觀察焊接接頭微觀組織形貌，腐蝕液采用王水及3.5％硝酸酒精；采用顯微硬度計（型號Verson 1.1.25）進行顯微硬度實驗；采用WE-1000D萬能試驗機、JBN-300C型239半自動沖擊試驗機進行力學性能和沖擊試驗。

2試驗結果和分析

2.1力學性能

對焊接接頭進行拉伸試驗和沖擊試驗，拉伸試驗發現焊態異種鋼焊接接頭塑性斷裂在熱影響區，其抗拉強度平均值分別為574 MPa、569 MPa，均大于材料標準GB 713規定的理論下限值510 MPa。焊接接頭沖擊值如表3所示，最小平均沖擊值48 J，滿足NB47014-2011標準值31 J[5]，說明焊接接頭具有良好的綜合性能。

表3 V型沖擊功值Tab.3Impact value of V sharp Akv/J（-20℃）

2.2組織分析

Q345R與S30408焊接接頭焊態顯微組織如圖2所示。圖2a為Q345R母材區，其組織為珠光體+鐵素體，沿軋制方向呈帶狀分布。隨著向焊縫熱影響區方向靠近，基體出現再結晶，組織呈現細小白色鐵素體均勻彌散分布在灰白共析珠光體上，如圖2b所示；圖2c為Q345R側熔合區顯微組織，可以看到碳鋼熱影響區與不銹鋼焊縫分界線明顯，碳鋼熱影響區呈現粗大針狀珠光體/鐵素體結構，相比圖2b晶粒明顯長大，主要是離焊縫較近，焊接熱輸入大導致溫度較高所致。由圖2f可知，碳鋼側的碳化物向熔合線處聚集并逐步向焊縫擴散，熔合線附近出現脫碳層，造成局部強度下降。圖2d為焊縫組織，白色的奧氏體基體上分布著線狀黑色鐵素體、滲碳體，割裂了奧氏體晶間的聯系，造成了焊縫沖擊韌性的下降。由圖2e可知，S30408側熔合區金相組織為奧氏體固溶組織，相比焊縫區，晶粒大小較為均勻

并伴有孿晶結構，塑性較好（見表3），再相比碳鋼熔合區，不存在組織差異，其力學性能相比以上兩者更優良，這也是異種鋼焊接主要研究焊縫及碳鋼側熔合區的原因。

圖2 異種鋼焊接接頭顯微組織Fig.2Microstructure of dissimilar steel welding joint

2.3熱處理實驗結果分析

不同熱處理溫度下異種鋼焊接接頭高倍顯微組織形貌如圖3所示。由圖3可知，隨著熱處理溫度的升高，碳原子擴散能力不斷增強，碳原子由珠光體一側越過熔合線向奧氏體焊縫側遷移，固溶入γ-Fe，形成間隙固溶體，產生強化作用或是與焊縫內合金元素（主要是Cr）以鉻的碳化物形態析出，降低焊縫韌性，硬化焊縫組織，形成黑色增碳層，推動異種鋼分界面向焊縫靠近，尤其當熱處理溫度升高到575℃以上時，分界線開始變寬，并向深度發展，當熱處理溫度升高至625℃時，增碳層界面進一步向不銹鋼焊縫內遷移，熔合線分界線寬度達到最大值，進一步削弱了熔合界面的剪切強度，在角接焊縫形式中，這通常是焊接接頭開裂的主要原因。

熱處理后焊接接頭硬度曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著Q345側向焊縫的不斷過渡，硬度值也不斷增高，在熔合線附近（即增碳層附近）出現硬度突變，達到最大值240～280 HV，隨后向不銹鋼焊

縫遞減至200～270 HV。熱處理后，熔合線處硬度值降低，硬度突變現象緩和。這是因為隨著熱處理的進行，熔合線處聚集的碳逐漸向焊縫擴散，從而升高焊縫硬度。但隨著熱處理溫度的升高，熔合線珠光體側脫碳層區域不斷擴大，在625℃時達到最大值（見圖3），由于溫度過高，其母材硬度值最低為150 HV，平均值小于160 HV，材料出現明顯軟化，強度下降。550℃熱處理之后，熔合線處突變得到緩和，同時焊縫處與熱影響區硬度升高，硬度曲線變化相對平穩，因此確定最佳熱處理溫度為550℃。

圖3 熱處理溫度下焊接接頭熔合區顯微組織Fig.3Microstructure with heat treatment of different temperatures

圖4 碳鋼側顯微硬度分布Fig.4Micro hardness distribution of carbon steel

3結論

（1）采用A302焊條獲得的焊接接頭力學性能良好。

（2）隨著熱處理溫度的升高，碳由Q345側向焊縫處加劇擴散，使Q345側脫碳層和焊縫處增碳層變寬，焊后熱處理最佳溫度為550℃。

[1]韓煒.低碳鋼與不銹鋼異種鋼焊接性分析及應用[J].寧夏機械，2005（3）：10-13.

[2]王可，鄭振太，薛海濤，等.254SMo/Q235B異種鋼焊接接頭顯微組織[J].焊接學報，2013，34（2）：105-108.

[3]孫占.核電站中奧氏體不銹鋼與碳鋼異種鋼焊接[J].金屬加工，2011（4）：25-27.

[4]崔勇，秦華，胡傳順，等.13MnNiMoNbR與00Cr19Ni10異種鋼焊接接頭的組織與性能[J].理化檢驗-物理分冊，2011，10（47）：605-607.

[5]戈兆文.NB/T47014～2011承壓設備焊接工藝評定[S].國家能源局，2011.

Analysis about the microstructure and properties of the welded joint of dissimilar steels between Q345R and S30408

XIN Wei1，ZHANG Yan2，WEI Liyun2
（1.Special Equipment Safety Supervision and Inspection Institute of Jiangsu Province，Zhangjiagang Branch，Zhangjiagang 215600，China；2.School of Metallurgy and Materials Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhangjiagang 215600，China）

Dissimilar steel welding is widely used in various engineering fields.However，due to the differences in metallurgical compatibility，physical and chemical properties，the microstructure of the dissimilar steel joint is easy to be uneven，and the mechanical properties are poor.It is necessary to carry out research on its organization and performance.In this paper,welding of Q345R and S30408 dissimilar steels was carried out by using A302 electrode.The microstructure was observed，impact，bending and tensile tests were carried out.The microstructure of welded joints was investigated by means of mechanical welding.And mechanical properties were analyzed.The experimental results show that the welding joint with excellent mechanical properties，of which tensile strength is above 569 MPa，the average value of impact energy at the temperature below 20℃is above 48 J，the best heat treatment temperature is 550℃.

Q345R；S30408；welded joint；heat treatment

TG457.11

A

1001-2303（2016）11-0131-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.11.28

獻

辛偉，張艷，魏禮運.Q345R和S30408異種鋼焊接接頭組織與性能分析[J].電焊機，2016，46（11）：131-134.

2015-12-30；

2016-06-20；

辛偉（1984—），男，江蘇鎮江人，高級工程師，主要從事焊接設備研制及生產管理等工作。