熱輸入對T4003/Q450NQR1異種鋼焊接接頭組織及性能的影響

李蘇珊， 李連勝， 馬青軍2， 趙明劍， 趙清宇

(1. 哈爾濱焊接研究院有限公司，哈爾濱 150028；2.天津市特種設備監督檢驗技術研究院，天津 300192)

0 前言

隨著工業技術的快速發展，核電、化工、航空航天、鐵路車輛、海洋與鋼結構等工作環境對金屬材料的韌性、強度和耐蝕性提出了越來越苛刻的要求。同種金屬材料的連接已經很難滿足現在復雜的工況條件。因此，異種金屬之間的焊接工藝性能及焊接接頭的綜合力學性能研究是目前的研究熱點之一[1]。

T4003鐵素體不銹鋼作為貨車車體材料廣泛應用于我國軌道交通運輸行業[2]，它具有良好的耐銹性和耐腐蝕性，但焊接時存在晶粒長大敏感性，過熱區晶粒急劇長大會引起接頭脆化，塑韌性降低等問題[3-4]；Q450NQR1耐候鋼為Cu-Cr-Ni系，通過合理配置C,Si,Mn等元素含量，添加少量Nb,Ti微合金元素，利用控軋控冷細化晶粒，可以獲得較為優異的屈服強度和抗拉強度。

文中對T4003鐵素體不銹鋼和Q450NQR1耐候鋼異種鋼采用不同熱輸入進行MAG焊接，分析了焊接接頭的顯微組織和力學性能，探討了熱輸入對異種鋼焊接接頭的粗晶組織和性能脆化的影響規律，以期實現T4003鐵素體不銹鋼與Q450NQR1耐候鋼異種鋼優質連接，為其在工程實際中的應用提供理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗用材料

試驗用鐵素體不銹鋼T4003板材與耐候鋼Q450NQR1板材厚度均為6 mm。焊接材料選用直徑為1.2 mm的奧氏體不銹鋼焊絲ER309LSi-G。母材和焊絲的化學成分及力學性能見表1和表2。母材的微觀金相組織如圖1所示，其中圖1a為T4003鐵素體不銹鋼板材微觀組織形貌，組織為鐵素體；圖1b為耐候鋼Q450NQR1板材微觀組織形貌，組織為鐵素體+珠光體。

表1 試驗用母材和焊材化學成分(質量分數，%)

表2 試驗用母材和焊材力學性能

圖1 母材微觀金相組織

1.2 試驗用方法

試驗采用MAG焊工藝方法，對接焊試板尺寸為400 mm×150 mm×6 mm，對接焊試板加工60°V形坡口，根部間隙為0.8 ～1.2 mm，示意圖如圖2所示。焊接時采用的工藝參數見表3。

圖2 對接試板坡口尺寸示意圖

焊后對焊接接頭進行解剖，焊接接頭性能試樣尺寸、取樣方法和試驗方法參照GB/T 25774.2—2016《鋼的單面單道焊和雙面單道焊焊接接頭力學性能試樣的制備及檢驗方法》、GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》、GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》、GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗方法》及相關技術要求進行。

表3 對接接頭焊接工藝參數

2 試驗結果與分析

2.1 接頭微觀組織

熱輸入0.62 kJ/mm的T4003不銹鋼與Q450NQR1耐候鋼焊接接頭微觀金相組織如圖3所示，焊縫組織為奧氏體+鐵素體；T4003側過熱區組織為馬氏體+鐵素體，晶粒度約為3級，正火區組織為馬氏體+鐵素體+極少量δ鐵素體，不完全正火區組織為鐵素體+極少量δ鐵素體；Q450NQR1側過熱區組織為粒狀貝氏體，晶粒度約為4級，正火區組織為貝氏體+鐵素體，不完全正火區組織為鐵素體+少量珠光體。

圖3 熱輸入為0.62 kJ/mm T4003不銹鋼與Q450NQR1耐候鋼焊接接頭微觀金相組織

熱輸入0.82 kJ/mm的T4003不銹鋼與Q450NQR1耐候鋼焊接接頭微觀金相組織如圖4所示，焊縫組織為奧氏體+δ鐵素體；T4003側過熱區組織為馬氏體+鐵素體，晶粒度約為2級，正火區組織為馬氏體+鐵素體+極少量δ鐵素體，不完全正火區組織為鐵素體+極少量δ鐵素體；Q450NQR1側過熱區組織為粒狀貝氏體，晶粒度約為3.5級，正火區組織為貝氏體+鐵素體，不完全正火區組織為鐵素體+少量珠光體。

從上述兩組熱輸入下的組織分布可以看出：焊縫中心組織均由奧氏體與δ鐵素體組成，隨著焊接熱輸入的增加，焊縫的峰值溫度增加，焊縫的停留及冷卻時間將延長，從而晶粒尺寸也逐漸增大。熱輸入為0.82 kJ/mm的T4003不銹鋼側過熱區明顯存在一個較大的鐵素體粗晶粒區，晶粒不僅粗大，而且呈等軸狀分布，而耐候鋼側過熱區為貝氏體組織，晶粒要比T4003側細小很多，但均比熱輸入為0.62 kJ/mm的不銹鋼側過熱區和耐候鋼側過熱區粗大一些；從兩組熱輸入的T4003側熔合區微觀金相也可以發現，熱輸入為0.62 kJ/mm的T4003側熔合線明顯比0.82 kJ/mm的T4003側熔合線窄，這也直接說明熱輸入為0.62 kJ/mm的焊接接頭性能更好。

2.2 接頭低溫沖擊韌性

T4003不銹鋼與Q450NQR1耐候鋼焊接接頭半試樣低溫沖擊缺口位置示意圖如圖5所示，以熔合線為原點向母材方向為“+”，向焊縫方向為“-”，t=+0.5 mm，t′=-0.5 mm。試驗結果見表4，試驗結果表明：Q450NQR1耐候鋼側和焊縫具有較好的的沖擊韌性。熱輸入對T4003鋼側熱影區沖擊韌性有較大的影響，熱輸入在0.62 kJ/mm時，-40 ℃沖擊韌性較好，平均值在20 J以上，熱輸入在0.82 kJ/mm時，沖擊韌性有所下降。在焊縫中心組織中，γ-固溶體能夠抑制δ鐵素體相中的裂紋擴展，且C,N原子在奧氏體中具有較高溶解度，與T4003單相鐵素體不銹鋼相比，從高溫冷卻到室溫的過程中，降低了晶界脆化傾向，從而提高了焊縫區的塑性。

圖4 熱輸入為0.82 kJ/mm T4003不銹鋼與Q450NQR1耐候鋼焊接接頭微觀金相組織

圖5 對接接頭系列沖擊試驗試樣缺口位置示意圖

2.3 接頭抗拉強度

接頭抗拉強度見表5，從表中得知，焊接接頭拉伸試樣均斷于T4003不銹鋼側，Q450NQR1耐候鋼和焊縫組織的抗拉強度均高于T4003不銹鋼，Q450NQR1耐候鋼母材的鐵素體和珠光體均為沿軋制方向呈等軸狀分布，而在焊縫和熱影響區中，奧氏體和鐵素體交錯、方向各異，這種分布方式使得焊縫組織和Q450NQR1耐候鋼側熔合區的晶界數量增加，阻礙位錯運動，從而接頭的強度又有了進一步提升。由于高熱輸入容易嚴重燒損T4003側熔合區組織中的Cr,Ni，減少其重熔幾率，阻礙其置換出母材金屬晶格中的Fe原子，擾亂晶格排列，使得晶格產生畸變量減少，減弱了其阻礙位錯運動的能力，從而使得熱輸入較小的焊接接頭具有較大的拉伸數值。

表4 T4003+Q450NQR1異種鋼焊接接頭半試樣沖擊試驗結果 -40 ℃

表5 T4003+Q450NQR1異種鋼焊接接頭拉伸試驗結果

2.4 接頭硬度

T4003不銹鋼與Q450NQR1耐候鋼焊接接頭HV5硬度試驗結果如圖6所示，試驗結果表明兩種熱輸入的焊接接頭在熔合線附近的粗晶區硬度值均有下降趨勢，這是鐵素體晶粒粗化所致，中間區域的焊縫組織硬度最低，這是因為奧氏體在焊縫組織中的存在。從過熱區到焊縫中心，兩種熱輸入的焊接接頭硬度分布基本遵循由高到低的分布規律。

圖6 T4003不銹鋼與Q450NQR1耐候鋼焊接接頭HV5硬度試驗結果

3 結論

(1)隨著焊接熱輸入的增加，焊縫在經歷焊接熱循環時的峰值溫度升高，高溫停留時間及焊縫冷卻時間都將延長，導致晶粒粗大且熔合線較寬，因此，在合適的焊接工藝參數范圍內，盡量采用較小的焊接熱輸入以保證焊縫晶粒度。

(2)焊接熱輸入對T4003焊接HAZ組織和性能有較大影響。較大熱輸入下HAZ粗晶區晶粒粗大，硬度提高，沖擊韌性下降，并且HAZ韌性低值區域范圍增大。因此，在實際焊接生產中應注意嚴格控制焊接熱輸入。

(3)高焊接熱輸入容易嚴重燒損熔合區組織中的Cr、Ni，減少其重熔幾率，阻礙其置換出母材金屬晶格中的Fe原子，擾亂晶格排列，使得晶格產生畸變量減少，減弱了其阻礙位錯運動的能力，從而使得熱輸入較小的焊接接頭具有較大的拉伸數值。