預熱及層間溫度對17Cr2Ni2AH和16MnR異種鋼焊接性能的影響

王煒杰，王宏衛，李 靜，趙紫苓，華學明，孔 諒

（1.上海交通大學材料科學與工程學院，上海200240；2.陜西航天動力高科技股份有限公司，陜西西安710077）

預熱及層間溫度對17Cr2Ni2AH和16MnR異種鋼焊接性能的影響

王煒杰1，王宏衛2，李 靜2，趙紫苓2，華學明1，孔 諒1

（1.上海交通大學材料科學與工程學院，上海200240；2.陜西航天動力高科技股份有限公司，陜西西安710077）

17Cr2Ni2AH和16MnR的熔化極活性氣體保護電弧焊的難點在于對易淬火鋼17Cr2Ni2AH側熔合線附近和熱影響區域微觀組織的控制。對預熱及層間溫度（Preheat And Interpass Temperature，PAIT）進行對比試驗，通過分析微觀組織形貌，結合綜合力學性能測試確定最佳PAIT。結果表明，不同的PAIT對加熱速度、焊接最高溫度、奧氏體化持續時間、冷卻速度等產生較大影響，進而影響焊接接頭微觀組織和綜合性能；PAIT控制在約250℃時，易淬火鋼17Cr2Ni2AH側熱影響區以馬氏體回火組織為主，化學成分、晶粒分布均勻，熔合線過渡良好，焊接接頭綜合性能優良。

異種鋼焊接；預熱及層間溫度；微觀組織；力學性能

0 前言

異種鋼焊接結構件不僅能克服單一金屬的性能缺陷，而且能節約貴重金屬，降低成本，提高經濟效益[1]。滲碳處理的17Cr2Ni2AH內部塑性好、外表硬度高，可作為機械齒輪材料，承受高的扭轉力矩；16MnR的屈服強度為340 MPa級，具有良好的綜合力學性能，是較常用的結構材料。17Cr2Ni2AH為易淬火鋼，焊接時有明顯的裂紋傾向，為防止其近焊縫區和熔合線附近產生裂紋，需采取預熱和后熱的焊接工藝，減小上述區域溫度梯度，緩慢冷卻，防止脆硬的馬氏體、貝氏體等組織生成[2]。因此焊接接頭性能好壞的關鍵之一在于溫度控制，尤其是預熱及層間溫度（PAIT，Preheat and Interpass Temperature）的控制。

在此研究17Cr2Ni2AH和16MnR異種鋼多層MAG（Metal Active Gas Arc Welding）焊接參數對焊接性能的影響，重點分析不同PAIT對焊接接頭綜合力學性能和焊接區微觀組織的作用機理，以獲得17Cr2Ni2AH和16MnR多層MAG焊的最佳PAIT值，得到性能優異、符合工程要求的焊接接頭。

1 試驗材料和試驗參數

1.1 試驗材料

17Cr2Ni2AH和16MnR兩種母材的規格均為200 mm×100 mm×11.5 mm，選用ER70S-6 φ1.2作為焊接材料，試驗母材、焊接材料化學成分和力學性能如表1和表2所示[3]。

表1 試驗用17Cr2Ni2AH、16MnR及焊接材料化學成分Table 1 Chemical compositions of 17Cr2Ni2AH，16MnR and welding material ％

表2 17Cr2Ni2AH、16MnR及焊接材料力學性能Table 2 Mechanical properties of 17Cr2Ni2AH，16MnR and welding material

1.2 試驗參數

在不同的PAIT下采用MAG焊對V型坡口進行多層焊，焊接電壓、電流及速度參數見表3，保護氣體選用φ（Ar）80％+φ（CO2）20％，流量18 L/min。焊后得到的焊件在450℃下保溫1 h，空冷。

表3 焊接電流、電壓、速度的優化值Table 3 Optimized values of welding current，voltage and speed

2 PAIT的設定

2.1 對接接頭剛性拘束焊接裂紋敏感性試驗

采用GB/T13817-92及《焊接手冊》推薦的對接接頭剛性拘束方法，分別對預熱溫度為100℃、150℃、200℃、250℃的四組試樣進行焊接裂紋敏感性試驗和測定，由試驗結果初步確定最低PAIT為150℃。

2.2 碳當量預估

根據碳當量（Ceq）對PAIT進行估算[4]。

17Cr2Ni2AH的Ceq為0.70％，16MnR的Ceq為0.39％?？梢?7Cr2Ni2AH的焊接性較16MnR差，易產生淬硬并有冷裂傾向，根據公式

計算可得PAIT的估測值為235℃。

實際焊接過程中焊接電流、電壓、熱輸入量等焊接參數及焊接工藝等因素都會對最佳PAIT產生影響，結合150℃最低PAIT的試驗結果，本研究將PAIT設定為200℃、250℃、300℃三組（分別標記為A、B、C組，每組3個試樣）進行焊接試驗，以確定最佳PAIT。

3 PAIT對組織和性能的影響

3.1 PAIT對焊接接頭力學性能的影響

對上述各組試驗后的焊接接頭進行X射線探傷及力學性能試驗，結果如表4所示。由表4可知，B組焊接接頭抗拉、抗彎性能及17Cr2Ni2AH側熱影響區的抗沖擊性能等指標均優于A、C組，達到與16MnR匹配的要求。

整個焊接接頭維氏硬度測試結果顯示，PAIT對16MnR側熔合線和焊縫區的硬度影響不大，而對17Cr2Ni2AH側蓋面焊熔合線及熱影響區的硬度影響極大。如圖1所示，不同PAIT條件下的維氏硬度（HV）在17Cr2Ni2AH側熔合線附近變化劇烈，熱影響區的HV值明顯高于焊縫區的HV值；熱影響粗晶區的HV值隨PAIT升高而增大，且各組蓋面焊的HV值大于打底焊的HV值。

表4 焊接接頭的X射線探傷及力學性能Table 4 X-ray flaw detection and mechanical properties of the welding joints

圖1 17Cr2Ni2AH側熔合線附近硬度變化曲線Fig.1 Hardness curve of the region besides 17Cr2Ni2AH fusion line

3.2 PAIT對焊接接頭組織形貌的影響

焊接接頭的性能主要取決于打底焊、蓋面焊熔合線附近的力學性能和微觀組織，尤其以奧氏體晶粒嚴重長大的熱影響粗晶區塑性、沖擊性能最差[5]，故焊縫微觀組織形貌的觀察分析主要以這些區域為主。17Cr2Ni2AH屬易淬火鋼，熔合線區域的淬火性遠遠大于16MnR，故焊縫微觀組織形貌的分析可進一步集中于17Cr2Ni2AH側熔合線附近的熱影響粗晶區，上述力學性能測試結果也驗證了這一點。以下對焊接接頭的幾個典型區域進行分析，重點為Ⅴ區的熱影響粗晶區。

由文獻[6]中的冷卻時間t8/5計算公式

式中η為電弧熱效率，MAG焊時取0.85；E為焊接熱輸入（單位：J/cm），E=UI/v；λ為熱導率[單位：W/（cm·℃）]，一般取0.29；T0為PAIT。

計算可得A、B、C組的冷卻時間分別為16s、26s、40s，換算成冷卻速度為18.8℃/s，11.5℃/s，7.5℃/s。

不同的PAIT導致焊接區冷卻速度的差異，將影響焊接區的微觀組織和接頭性能。

焊接接頭微觀形貌對比分析區域如圖2所示。

圖2 焊接接頭微觀形貌對比分析區域Fig.2 Comparative analysis regions of welding joint microstructure

由圖2可知：

Ⅰ區（16MnR側熔合線）過渡良好，未見淬硬性組織，兩側微觀組織分別為顆粒狀鐵素體組織（焊縫區）和層片狀珠光體+鐵素體（熱影響區）。

Ⅱ區（填充焊焊縫區）由于打底焊的存在導致該區散熱較慢，且蓋面焊又對其進行了一次熱循環，使其焊縫組織為均勻細顆粒狀鐵素體。

Ⅲ區（打底焊17Cr2Ni2AH側熔合線及熱影響區）經過多次熱循環，兩側微觀組織分別為顆粒狀鐵素體+少量針狀鐵素體（熱影響區）和細小粒狀貝氏體（焊縫區）。

綜上，PAIT對上述三個區域的微觀組織影響不大，A、B、C組的金相組織形貌及尺寸在這些區域基本相似。

Ⅳ區（蓋面焊焊縫區）微觀組織為大晶粒周圍析出的晶界鐵素體+晶粒內部的針狀鐵素體，隨著PAIT的提高，焊接最高溫度升高，奧氏體化停留時間變長、晶粒長大，在奧氏體晶粒內針狀鐵素體的形核位置增多，冷卻時易生成針狀鐵素體[7]，故A、B、C組晶粒依次變大，針狀鐵素體比例逐漸提高。此外該區域雖與Ⅵ區（打底焊焊縫區）有著相似的散熱條件，但其不像Ⅵ區經過多次熱循環、組織內應力降低，故硬度高于Ⅵ區。

Ⅴ區（蓋面焊17Cr2Ni2AH側熔合線及熱影響區）化學成分不均勻，晶粒粗大，存在魏氏體或貝氏體組織，對焊接接頭力學性能影響極大，是焊接接頭中的薄弱環節。A、B、C組的Ⅴ區關鍵微觀組織形貌如圖3～圖7所示。對比分析圖3、圖4可知，A組和B組的熱影響粗晶區均以馬氏體回火組織為主，基本保留馬氏體組織形貌特征，鐵素體基體內部分布著針狀形態仍隱約可見的碳化物。但由于A組的PAIT低于B組，焊接最高溫度低、奧氏體化停留時間短且冷卻速度快，使得其熔合線焊縫側形成較多有方向性的針狀鐵素體組織，導致A組的抗拉強度低；此外A組奧氏體化停留時間短，奧氏體晶粒長大不明顯，使得其冷卻后熱影響區的馬氏體晶粒小、馬氏體孿晶界相應增多（見圖5、圖6），導致17Cr2Ni2AH側熱影響區的沖擊韌性差[8]。C組的PAIT高，冷卻速度比A、B兩組慢，熱影響區出現了脆硬的貝氏體組織（見圖7），雖然硬度較高，但沖擊韌性和抗拉強度較差。

由上述分析可知，不同的PAIT導致焊接區的冷卻速度差異較大，對17Cr2Ni2AH側熔合線和熱影響區的微觀組織產生極大影響，導致其性能差異巨大。B組參數（PAIT=250℃）既能獲得化學成分、晶粒分布均勻的馬氏體回火組織，又能確保熔合線過渡良好，焊接接頭綜合性能優良。

圖3 A組蓋面焊熔合線組織Fig.3 Cosmetic welding fusion line organization of A

圖4 B組蓋面焊熔合線組織Fig.4 Cosmetic welding fusion line organization of B

圖5 A組粗晶區組織Fig.5 Coarse grain zone organization of A

圖6 B組粗晶區組織Fig.6 Coarse grain zone organization of B

4 結論

17Cr2Ni2AH和16MnR異種鋼多層MAG焊時，易淬火鋼17Cr2Ni2AH側的熔合線及其附近的熱影響粗晶區為薄弱區域，其接頭性能和微觀組織對PAIT極其敏感。PAIT通過影響加熱速度、焊接最高溫度、奧氏體化持續時間、冷卻速度等參數來影響焊接接頭微觀組織形貌，進而影響其綜合性能。

17Cr2Ni2AH和16MnR異種鋼多層MAG焊時，PAIT過高易形成貝氏體組織影響焊接接頭的沖擊性能、彎曲性能和拉伸性能；PAIT過低則形成有方向性的針狀鐵素體，增大馬氏體孿晶界比例，同樣影響焊接接頭綜合力學性能。此外PAIT過低還易出現嚴重的未熔合現象。

試驗表明，17Cr2Ni2AH和16MnR異種鋼多層MAG焊，PAIT為250℃時，17Cr2Ni2AH側熔合線及熱影響區以馬氏體回火組織為主，化學成分、晶粒分布均勻，熔合線過渡良好，焊接接頭綜合性能優良。

圖7 C組粗晶區組織Fig.7 Coarse grain zone organization of C

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Effects of preheat and interpass temperature on 17Cr2Ni2AH and 16MnR dissimilar steel welding performance

WANG Weijie1，WANG Hongwei2，LI Jing2，ZHAO Ziling2，HUA Xueming1，KONG Liang1
（1.School of Materials Science and Engineering，SJTU，Shanghai 200240，China；2.Shanxi Aerospace Power Co.，Ltd.，Xi'an 710077，China）

The difficulty of using metal active gas arc welding(MAG)to weld 17Cr2Ni2AH and 16MnR is how to control the microstructure of fusion line and heat affected zone on the side of the easily hardened steel 17Cr2Ni2AH.This project mainly studies the effects of preheat and interpass temperature(PAIT)，through the analysis of microstructure，combined with mechanical properties to determine the optimal PAIT.The results show that different PAIT have a significant impact on heating rate，maximum temperature，austenitization duration and cooling rate，then influence the microstructure and the mechanical properties of welding joints.When the PAIT is controlled at about 250℃，there are great quantities of tempered martensite in the heat affected zone of easily hardened steel 17Cr2Ni2AH，the region has uniform chemical composition and grain distribution.These parameters can obtain excellent comprehensive property welding joints which have good transition fusion line.

dissimilar steel welding；preheat and interpass temperature；microstructure；mechanical property

TG457

A

1001－2303（2016）12－0016-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.04

獻

王煒杰，王宏衛，李靜，等.預熱及層間溫度對17Cr2Ni2AH和16MnR異種鋼焊接性能的影響[J].電焊機，2016，46（12）：16-20.

2015-09-04；

2016-11-03

王煒杰（1991—），男，浙江紹興人，在讀碩士，主要從事焊接技術的研究工作。