異種鋼焊縫中的Ⅱ型邊界組織及其影響

孫 咸

（太原理工大學 焊接材料研究所，山西太原030024）

異種鋼焊縫中的Ⅱ型邊界組織及其影響

孫 咸

（太原理工大學 焊接材料研究所，山西太原030024）

綜述奧氏體與非奧氏體異種鋼焊縫中的Ⅱ型邊界組織及其影響。結果表明，在異種鋼焊縫過渡區出現了一種平行于熔合線方向伸展的Ⅱ型邊界組織。溫度條件和晶體結構條件是Ⅱ型邊界形成的必要條件，而轉變的驅動力是該組織形成的充分條件，二者缺一不可。Ⅱ型邊界是一組弱而近似平面的界面，一旦遭遇充氫，熔合邊界上的馬氏體就可能產生氫致裂紋。Ⅱ型邊界的存在也是這類焊縫發生剝離的必要條件，接頭的工況條件等則是剝離的充分條件。對于Ⅱ型邊界組織引起的焊接裂紋和焊件剝離，必須搞清裂紋的性質與原因，然后采用針對性的工藝措施。

Ⅱ型邊界組織；異種鋼焊縫金屬；馬氏體；裂紋；剝離

0 前言

奧氏體與非奧氏體異種鋼焊接可降低材料成本，提高材料使用性能（高溫、防腐、耐磨等），廣泛應用于電力、石油、化工、礦山及軍工等行業。采用奧氏體填充材料的異種鋼焊接，可以降低工件預熱溫度，甚至不預熱，改善異種鋼的焊接性。雖然現有的焊接材料及其匹配的焊接工藝基本能滿足結構制造要求，但是這并不意味著在所有情況下都能獲得滿意的結果。在一些情況下，焊接工藝與接頭組織之間關系較為復雜[1-2]。鑒于異種鋼焊縫中“過渡區”組織的復雜性，以及焊件使用性能的多變性，焊縫中奧氏體晶界的類型和性質引起了研究人員的關注[3-5]。這涉及到異種鋼焊接的傳統理論與一些新觀點的交流。本研究結合多年的焊接實踐和參考近年來相關研究文獻，將異種鋼焊縫金屬組織特征與熔合區Ⅱ型邊界組織形成機理相聯系，探討Ⅱ型邊界組織及其對焊接裂紋和剝離破壞的影響。該研究對進一步認識“過渡區”組織、豐富異種鋼焊接理論以及工程應用，具有一定的參考價值和理論意義。

1 異種鋼焊縫中熔合區組織特征

Cr30-Ni9型雙相不銹鋼焊條熔敷在35CrMnSi鋼上后，異種鋼焊縫中的熔合區顯微組織如圖1所示。焊縫組織的最大特點是不均勻性。在靠近熔合線1上方附近，出現了沿結晶方向排列的單相奧氏體柱狀晶區3，稱為“奧氏體晶帶區”。奧氏體晶帶區的寬度沿熔合線的分布不均勻，有的地段寬，有的地段窄。奧氏體晶帶區處于Cr、Fe、Ni、C成分過渡區，其組織也不均勻。金相觀察發現，該熔合區實際上由兩種組織組成，即緊靠熔合線很窄的馬氏體層2和粗大的奧氏體柱狀晶區3。馬氏體組織的數量和馬氏體層的寬度沿熔合線分布不均勻或者不連續，通常不易看到這種馬氏體組織，用特殊的腐蝕劑才能顯示。熔合區附近顯微硬度HM480～530，證明該區存在馬氏體組織。焊后狀態試樣熔合區未見明顯的增碳層和脫碳層。在馬氏體層和奧氏體晶帶間存在一個異相界面，界面附近是成分和性能的突變區。在奧氏體晶帶區3以上是δ+γ雙相區4，而熔合線1以下是含有熱影響區（HAZ）的母材區5。區域2和3構成了焊縫的成分過渡區6。

圖1試樣未顯示馬氏體層的焊縫熔合區組織如圖2所示。可以看出，在熔合線上方的奧氏體晶帶區出現了一種大致平行于熔合線伸展的Ⅱ型邊界，而與熔合線大致垂直的邊界則被稱為Ⅰ型邊界。該圖中的Ⅱ型邊界有些忽隱忽現或不太連續，經熱處理后的試樣中Ⅱ型邊界十分清晰、連續，如圖3所示[3]。Ⅱ型邊界組織的性質是一種奧氏體晶粒邊界，位于熔合區焊縫側幾微米處，沿平行于熔合線方向伸展。

圖1 異種鋼焊縫中的熔合區組織（在35CrMnSi鋼上熔敷30-9型焊條）

圖2 未顯示馬氏體的焊縫熔合區組織（在35CrMnSi鋼上熔敷30-9型焊條）

圖3 經610℃PWHT后熔敷層焊縫金屬組織（在A508（低合金鋼）上熔敷309L(24-13型鋼））

2 焊縫組織不均勻性的影響因素

2.1 焊縫化學成分的影響

不同合金系的填充金屬被熔入的母材稀釋后形成的均勻混合區焊縫金屬組織各異，通過Schaeffle圖可確定焊縫組織。正常、合理的均勻混合區不允許出現馬氏體組織。圖1焊縫均勻混合區的組織是奧氏體+16%δ-鐵素體，未出現馬氏體組織，表明該接頭焊材的選用合理。

在熔合線附近的過渡區，成分的突變導致微觀組織復雜多變。對于用奧氏體焊接材料焊接非奧氏體類母材的情況，該區不可避免出現了奧氏體帶和馬氏體層。而馬氏體層或奧氏體帶的厚度及沿熔合線分布特征，則可能受到焊接材料的合金系、焊接方法（含操作技術）、焊接熱輸入以及接頭形式等工藝因素的影響。

化學成分對Ⅱ型邊界的影響主要是基底材料在固態相變時必須發生奧氏體轉變，下面詳細闡述。

2.2 稀釋率的影響

母材在焊縫中所占比例即稀釋率對Ⅱ型邊界的影響，主要指對Ⅱ型邊界附近成分過渡區組織的影響。在圖1所示的試樣中，采用Cr30Ni12型雙相不銹鋼焊條熔敷35CrMnSi鋼，理論上可獲得無馬氏體組織的A+F雙相焊縫金屬，但有時實測的焊縫硬度達HM432～583，產生了馬氏體組織。根據Schaeffler原理，凡熔合比達到42%的部位均可能出現馬氏體組織。在焊縫熔合區，由于熔合比在焊縫各處的不一致性，在熔合線附近區域的熔合比可能較大（超過42%），出現馬氏體；而在焊縫均勻混合區熔合比則較小，未發現馬氏體。即使沿著熔合線方向，熔合比也不可能完全保持一致，這是焊縫的成分和組織不均勻性所致。在實際應用中，要求適中的焊縫熔合比為20%～35%。在這種情況下，焊縫中和熔合區的局部區域仍可能出現馬氏體。而少量馬氏體的存在是否一定會產生裂紋，很大程度上取決于采用的工藝條件。

2.3 焊后熱處理的影響

異種鋼焊縫中Ⅱ型邊界組織既可以在焊后狀態出現，也可以在焊后熱處理狀態出現，如圖2、圖3所示。兩種試樣中Ⅱ型邊界組織的差別是：①焊后狀態試樣中，在熔合區有的地段Ⅱ型邊界斷斷續續，存在不連續現象，且平行于熔合線伸展性起伏較大（見圖2）；②在焊后熱處理狀態試樣中，Ⅱ型邊界連續性較好，平行于熔合線伸展性起伏較小的特性顯見（見圖3）。在經550℃PWHT后的熔合區組織中（見圖4），可以看出奧氏體晶內或晶界的碳化物明顯析出，熔合線附近的回火馬氏體層依稀可見。

圖4 經550℃ PWHT后熔合區邊界組織（在38CrNi3Mo鋼上熔敷Cr30Ni12型焊條）

3 焊縫熔合區的Ⅱ型邊界組織形成及其影響

3.1 焊縫熔合區的Ⅱ型邊界組織形成機理

Ⅱ型邊界組織是在碳鋼或基底材料處在固態奧氏體相的溫度范圍內形成。文獻[3]認為，只有當FCC熔敷金屬凝固時，該溫度下的碳鋼或低合金鋼是以δ鐵素體存在，此時才會形成Ⅱ型邊界。因為此時熔合線上的熔融金屬不能在母材半熔化的δ鐵素體上向熔池進行奧氏體晶粒的同軸生長，而需要在熔池金屬中進行FCC非均質成核。然而在凝固后很短時間溫度降低后，碳鋼母材δ鐵素體又轉變為奧氏體，這樣熔合邊界上原來的BCC-FCC界面轉變為FCC-FCC界面，而在界面的兩側存在嚴重的取向錯匹配（不一致），使熔合線成為高能量的可移動的界面。由于溫度梯度、成分梯度和FCC熔敷金屬，以及FCC基底金屬晶格參數不同，因而產生應變能，在這種應變能的驅動下，熔合邊界向FCC熔敷金屬內部遷移；當溫度繼續降低時，被鎖定在離熔合邊界一個短距離的位置上，形成Ⅱ型邊界。既然Ⅱ型邊界是在固態奧氏體相的溫度范圍內形成的，焊接熱輸入和HAZ中的溫度梯度就會對其形成產生某些影響，這是因為這些參數會對焊縫金屬和HAZ金屬都處于奧氏體狀態的時間和Ⅱ型邊界得以遷移的時間產生影響。

可以看出，Ⅱ型邊界組織形成實際上是在熔合邊界上BCC-FCC界面轉變為FCC-FCC界面，熔合邊界向FCC熔敷金屬內部遷移，即晶粒長大的過程。其中，溫度條件（固態奧氏體相的溫度范圍）和晶體結構條件（該溫度下基底必須是以δ鐵素體存在，并隨后發生奧氏體轉變）是Ⅱ型邊界組織形成的必要條件，而轉變的驅動力（溫度梯度、成分梯度和FCC熔敷金屬，以及FCC基底金屬晶格參數不同，產生應變能）則是Ⅱ型邊界組織形成的充分條件，二者缺一不可。文獻[3]用Monel合金（奧氏體，70Ni-30Cu）熔敷在490鐵素體不銹鋼上，焊縫中未形成Ⅱ型邊界組織，就是因為在焊縫凝固過程中基底沒有發生奧氏體轉變，未能滿足形成Ⅱ型邊界組織的必要條件（見圖5）[3]。

圖5 奧氏體焊縫金屬中Ⅱ型邊界形成機理（用奧氏體填充材料焊接碳鋼母材時）

3.2 Ⅱ型邊界組織的影響

3.2.1 Ⅱ型邊界組織對氫致裂紋的影響

研究者所關注的Ⅱ型邊界組織，絕不僅僅是焊縫金屬組織中的一條晶粒邊界線，而是在這條晶粒邊界線及其附近可能存在的細節組織。由圖6可知，在Ⅱ型邊界下方，從母材熔合線生長的馬氏體組織沿熔合線分布不均勻，有的地段多，有的地段少，此即所謂熔合區馬氏體層。該組織用一般腐蝕劑難于顯示，只有用特殊的腐蝕劑才能被顯示。由于在過渡區中BCC或馬氏體的一側與熔敷金屬FCC的一側線脹系數不匹配，熱循環會在這個區域產生應變，而Ⅱ型邊界又是一組弱而近似平面的界面，因而成為優先開裂的位置。如果焊接工藝或工作環境一旦使接頭充氫，則熔合邊界上的馬氏體可能產生氫致裂紋[3]。

圖6 在純鐵上堆焊70%Ni-30%Cu蒙乃爾合金（56%稀釋率）形成的過渡區

3.2.2 Ⅱ型邊界組織對熔敷層剝離的影響

異種鋼焊縫中，熔敷層的剝離可以在實際熔敷時（焊后狀態）發生，也可以在焊后熱處理狀態（PWHT）或結構運行中發生。由于一般是在PWHT后進行檢測，所以難以在制造過程中確定剝離發生的確切時間。圖7是以309L鋼熔敷A508鋼的熔敷層剝離后斷裂表面的輪廓[3]。從剝離的位置和取向可以清楚地看到，破壞是沿著熔敷層中Ⅱ型邊界發生（見圖3）Ⅱ型邊界的性質和它處于成分和組織的過渡區的位置導致了這種破壞。兩種珠光體類鋼上堆焊奧氏體不銹鋼形成的剝離裂紋形貌如圖8、圖9所示[4]裂紋在Ⅱ型邊界發生并沿著Ⅱ型邊界擴展，這種剝離斷裂屬于脆性晶界開裂。

圖7 從A508壓力容器鋼上剝離的309L型熔敷層

圖8 在2.25Cr-1Mo鋼上用309帶極焊材SAW熔敷形成的剝離裂紋

圖9 在高壓釜試樣上用309L焊條堆焊形成的剝離裂紋

有研究認為，剝離的敏感性隨焊后熱處理溫度的提高和時間的延長而增大，這是在熱處理過程中增大了奧氏體逆轉或者過程的不穩定性引起的，將促進馬氏體的形成。在焊后熱處理時，熔合邊界的初始馬氏體明顯變成回火馬氏體。熱處理循環可以誘導形成新的馬氏體，表明二次馬氏體能夠被二次熱處理（回火）循環回火。二次回火溫度高于第一次時，對剝離性方面沒任何好處。然而，當第二次熱處理（回火）是在較低的溫度下時，剝離敏感性大大減少。原因可能是：首先，在熔合邊界附近的馬氏體被回火；其次，低溫最大限度減少了新的馬氏體（通過奧氏體逆轉或過程不穩定）形成[4]。

Ⅱ型邊界的存在及過渡區組織特性使該區成為異種鋼接頭的薄弱環節，是這類異種鋼焊縫發生剝離破壞的必要條件。接頭的工況條件，包括所接觸的介質、工作溫度、應力狀態等導致的沿Ⅱ型邊界裂紋生成和擴展，則是剝離破壞的充分條件。二者缺一不可。

4 Ⅱ型邊界組織的控制原理

對Ⅱ型邊界組織的控制主要是指對該組織可能產生危害的控制。在這類異種鋼焊接工程應用中，當確定焊接材料和工藝方法后，受母材稀釋率的影響，熔合區的馬氏體層和奧氏體晶帶的出現不可避免。此時應該關注的是如何防止焊接裂紋和接頭剝離的發生。對于焊后狀態熔合區Ⅱ型邊界附近的裂紋，可以采用如圖10所示的低氫工藝來控制或防止[1]。對于焊件在Ⅱ型邊界附近的剝離破壞，雖然與工件的工況條件，包括工作溫度、接觸的介質性質、應力狀態等因素強烈有關，但首要的仍然是控制或防止裂紋發生，因為裂紋是剝離的前因。在此必須首先搞清裂紋的性質和原因，然后采用針對性工藝措施。如果是氫致裂紋，則采用防氫、控氫的低氫工藝；如果是熱處理或高溫運行裂紋，則考慮熔合區的碳遷移、接頭的軟化區，或晶界脆化等原因。

圖10 低氫工藝與熔合區裂紋關系的控制原則框圖

5 結論

（1）在非奧氏體類鋼上熔敷奧氏體合金時，在焊縫過渡區出現了一種平行于熔合線方向伸展的Ⅱ型邊界特征組織。該組織的形態受到焊縫金屬成分、母材稀釋率和焊后熱處理等因素的影響。

（2）溫度條件和晶體結構條件是Ⅱ型邊界組織形成的必要條件，而轉變的驅動力是該組織形成的充分條件，二者缺一不可。

（3）Ⅱ型邊界是一組弱而近似平面的界面，接頭一旦遭遇充氫，熔合邊界上的馬氏體可能產生氫致裂紋。

（4）Ⅱ型邊界的存在是這類異種鋼焊縫發生剝離的必要條件；接頭的工況條件，包括所接觸的介質、工作溫度、應力狀態等則是剝離的充分條件。二者缺一不可。

（5）對于Ⅱ型邊界組織引起的焊接裂紋和焊件剝離，必須搞清裂紋的性質與原因，然后采用針對性工藝措施。

[1]孫咸.異種鋼焊縫中熔合區裂紋與低氫工藝的關系[J].機械制造文摘-焊接分冊，2015（3）：17-23.

[2]孫咸．異種鋼焊縫中的熔合區裂紋[J]．焊接，1989（9）：11-15.

[3]Nelson T W，Lippold J C，Mills M J.Nature and evolution of the fusion boundary in ferritic-austenitic dissimilar meta welds.Part2：on-coolingtransformations[J].WeldingJournal 2000，79（10）：267s-277s.

[4]Gittos M F，Robinson J L，Gooch T G.Disbonding of austenitic stainless steel cladding following high temperature hydrogen service[R].IIW document Commission IX-2234-07.February 2007.

[5]Lippold J C，Kotecki D J.不銹鋼焊接冶金學及焊接性[M]．陳劍虹，譯．北京：機械工業出版社，2008：266-274.

TypeⅡboundary microstructure and its influence of dissimilar steel weld

SUN Xian
（Institute of Welding Consumables，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

The typeⅡ boundary microstructure and its influence of the austenite and non-austenite dissimilar steels welds are summarized.The results show that there is a typeⅡboundary structure extending parallel to the bond line in the transition zone of dissimilar steels welds.The conditions of temperature and crystal structure are essential conditions for form of type Ⅱ boundary，and the driving force of transformation is a sufficient condition，none is indispensable.The type Ⅱ boundary is a set of weak and approximately plane interfaces，once welded joints are immersed by hydrogen，the martensites on the bond boundary may produce hydrogen cracks.The existence of typeⅡ boundary is the essential condition of the welds stripping，and the working conditions of the joints are sufficient conditions.For the cracks and weldment stripping caused by type Ⅱ boundary，it is necessary to find out the property and cause of the cracks and adopt the targeted measures.

type Ⅱ boundary microstructure；dissimilar steel weld metal；martensite；crack；stripping

TG406

A

1001－2303（2017）06－0001-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.06.01

2017-02-20

孫 咸（1941—），男，教授，主要從事焊接材料及金屬焊接性方面的研究和教學工作。E-mail：sunxian99@163.com。

本文參考文獻引用格式：孫咸.異種鋼焊縫中的Ⅱ型邊界組織及其影響[J].電焊機，2017，47（06）：1-6.