等離子弧焊Q345B和430不銹鋼異種接頭的微觀組織與性能

孫連北， 魏坤霞， 孟濤， 張堯成， 魏偉

(1.常州大學(xué)，江蘇省材料表面科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石油和化工行業(yè)裝備表面工程與新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213164；2.常熟理工學(xué)院, 江蘇省機(jī)電產(chǎn)品循環(huán)利用技術(shù)重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常熟 215500)

0 前言

異種鋼由于化學(xué)成分、組織和物理性能的差異，以及焊接過程中的不均勻加熱與焊接熱輸入的影響，易在焊接接頭處產(chǎn)生微偏析及高應(yīng)力現(xiàn)象，進(jìn)而影響接頭組織與性能[1-4]。目前，國內(nèi)外針對低合金鋼與不銹鋼焊接方法有過諸多研究。王超冉等人[5]采用電子束焊對接06Cr13Al鐵素體不銹鋼(FSS)和16Mn低合金鋼，焊縫顯微組織主要為板條馬氏體；16Mn鋼HAZ(熱影響區(qū))組織為羽毛狀的上貝氏體和針狀鐵素體，06Cr13Al側(cè)HAZ主要由粗大的鐵素體和馬氏體組成；焊縫區(qū)的顯微硬度明顯高于母材。王曉軍等人[6]采用K-TIG焊接方法對Q345/316L異種鋼進(jìn)行焊接試驗(yàn)，結(jié)果表明：焊縫兩側(cè)組織分別為奧氏體加骨骼狀鐵素體和板條馬氏體，焊縫顯微硬度明顯高于兩側(cè)熱影響區(qū)及母材。由于Q345側(cè)熔合區(qū)產(chǎn)生魏氏組織，且過熱區(qū)晶粒粗大，拉伸斷裂位置均發(fā)生在Q345側(cè)母材。Torkamany等人[7]采用激光焊對接0.8 mm厚的低碳鋼和304L奧氏體不銹鋼，結(jié)果表明：焊縫組織由奧氏體、馬氏體及鐵素體組成，且焊縫平均硬度由于馬氏體的形成遠(yuǎn)高于母材的硬度。焊接接頭承受載荷能力隨激光功率增加而增加。

等離子弧焊(PAW)是利用等離子弧高能量密度束流作為焊接熱源的一種熔焊方法[8-9]。其具有能量密度高、焊接速度快、應(yīng)力應(yīng)變小、焊縫成形美觀等優(yōu)點(diǎn)。然而，在PAW焊接過程中，小孔對工藝參數(shù)的變化比較敏感，小孔穩(wěn)定性差，等離子弧焊接過程不穩(wěn)定[10-11]。為了得到熱輸入與焊接接頭綜合性能的對應(yīng)關(guān)系，該試驗(yàn)采取等離子弧焊方法對Q345B低合金鋼與430鐵素體不銹鋼進(jìn)行焊接，并對其焊接接頭的微觀組織、力學(xué)性能和電化學(xué)腐蝕性能進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)選用的材料為3 mm等厚的Q345B低合金鋼和430鐵素體不銹鋼，其化學(xué)成分見表1。Q345B鋼組織為鐵素體及珠光體，430鋼組織為鐵素體和碳化物。采用PTA-400E2-ST-3型等離子弧焊接機(jī)對Q345B和430不銹鋼進(jìn)行對接焊，焊接前對焊接處表面進(jìn)行機(jī)械清理并用酒精清洗吹干后備用。等離子弧焊接的轉(zhuǎn)弧電流為90～120 A，焊接速度為200 mm/min，保護(hù)氣流量為10 L/min，離子氣流量為17 L/min，衰減流量為0.6 L/min，焊槍鎢棒與母材表面距離為13 mm。

表1 Q345B鋼與430鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

從焊接接頭上取金相試樣，研磨拋光后用稀王水(HCl∶HNO3=3∶1)腐蝕，采用OLYMPUS GX51型金相顯微鏡對其橫截面各區(qū)域組織進(jìn)行觀察。采用HV-1000型維氏硬度計(jì)對接頭硬度分布進(jìn)行測量，加載載荷98.7 N，保載時(shí)間15 s。采用UTM5305型電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)對焊縫的力學(xué)性能進(jìn)行測試，試樣尺寸50 mm×20 mm×3 mm，每組焊縫測試3次取平均值，試驗(yàn)根據(jù)GB/T 228—2010 《金屬材料拉伸試驗(yàn)：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行。采用RST型電化學(xué)工作站對異種鋼焊接接頭耐腐蝕性能進(jìn)行測試，試樣尺寸為10 mm×5 mm×3 mm，腐蝕介質(zhì)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的NaCl溶液，試驗(yàn)過程參考GB/T 24196—2009 《金屬和合金的腐蝕電化學(xué)試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 接頭微觀組織

圖1為轉(zhuǎn)弧電流100 A時(shí)Q345B/430異種鋼接頭各區(qū)域微觀組織。由圖1可知，100 A條件下的Q345B/430異種鋼接頭焊縫處晶粒細(xì)小，組織為均勻分布的針狀鐵素體和馬氏體。焊縫中溶解形成的碳化鉻有效的抑制了高溫下奧氏體晶粒的長大，在快速冷卻的條件下得到了細(xì)小均勻的焊縫組織。溶入焊縫的鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體是一個(gè)緩慢的過程，而等離子弧焊非平衡過程的冷卻速度很快，導(dǎo)致δ-γ轉(zhuǎn)變不完全，保留下來的δ鐵素體晶核最終形成了針狀δ鐵素體[12]。同時(shí)奧氏體在快速冷卻的條件下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。Q345B側(cè)HAZ組織為針狀鐵素體F與珠光體P及少量的上貝氏體Bu。在冷卻過程中，Q345B鋼粗晶區(qū)中部分過冷的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w，滲碳體分布在鐵素體之間。此外，等離子弧焊接過程中較高熱輸入導(dǎo)致Q345B側(cè)HAZ晶粒發(fā)生明顯粗化。430HAZ組織為鐵素體和碳化物顆粒。Cr是縮小奧氏體區(qū)的元素，430中高含量的Cr使奧氏體區(qū)封閉，且遠(yuǎn)離焊縫的430低溫?zé)嵊绊憛^(qū)未受熔池碳擴(kuò)散影響，該區(qū)域組織只發(fā)生粗化。

圖1 轉(zhuǎn)弧電流100 A時(shí)Q345B/430接頭微觀組織

當(dāng)轉(zhuǎn)弧電流增大到120 A時(shí)(圖2)，焊縫組織轉(zhuǎn)變?yōu)檩^粗大的板條狀馬氏體與鐵素體。這是因?yàn)殡S轉(zhuǎn)弧電流的增加熱輸入增加，焊縫在高溫下停留的時(shí)間變長，焊縫中的奧氏體和鐵素體長大速度快，因此焊縫組織相較于100 A發(fā)生粗化。同時(shí)，兩側(cè)熱影響區(qū)組織也都發(fā)生了一定程度的粗化，且Q345B側(cè)HAZ組織中出現(xiàn)大量鐵素體魏氏組織W。這是因?yàn)殡S著熱輸入的增加，大量先共析鐵素體從奧氏體晶界沿奧氏體一定晶面往晶內(nèi)生長，呈針片狀析出，形成魏氏組織[13]。

圖2 轉(zhuǎn)弧電流120 A時(shí)Q345B/430接頭微觀組織

2.2 接頭硬度分布

圖3為等離子弧焊Q345B/430異種鋼焊接接頭硬度分布，焊接接頭的硬度值從430母材—430側(cè)HAZ—焊縫區(qū)—Q345側(cè)BHAZ—Q345B母材大致呈先增大后減小的趨勢，且焊縫的硬度明顯高于母材金屬。這是由于熱影響區(qū)至焊縫區(qū)域受焊接影響最大，焊接過程中快速冷卻及合金元素混合不均勻，導(dǎo)致焊縫生成板條馬氏體組織，提高了焊縫的硬度。在430側(cè)HAZ中，鐵素體不銹鋼在較高熱輸入條件下發(fā)生晶粒粗化從而發(fā)生了軟化，硬度從焊縫到母材驟減。Q345B側(cè)靠近焊縫處由于馬氏體的存在具有更高的硬度，距離熔合線越遠(yuǎn)，熱影響區(qū)中會(huì)出現(xiàn)鐵素體和珠光體，并且硬度逐漸接近母材。

圖3 異種鋼焊接接頭硬度分布

430鐵素體不銹鋼中大量的Cr在等離子弧熱源下溶解在焊縫中，增加了焊縫的淬透性的同時(shí)，也導(dǎo)致焊縫中的馬氏體存在過大的飽和度，因而出現(xiàn)焊縫硬度遠(yuǎn)高于母材硬度的情況。不同轉(zhuǎn)弧電流下的焊接接頭加熱和冷卻方式一致，且接頭各區(qū)域相組成一致，因而具有相同的硬度分布趨勢變化。

2.3 接頭拉伸性能

圖4為等離子弧焊Q345B/430異種鋼接頭及兩種母材的抗拉強(qiáng)度。當(dāng)轉(zhuǎn)弧電流為90～120 A時(shí)，Q345B/430異種鋼接頭抗拉強(qiáng)度(397～427 MPa)與430母材相當(dāng)，由于焊縫中碳含量較低，強(qiáng)碳化物形成元素Cr，Mo優(yōu)先與碳結(jié)合，形成難溶于奧氏體的碳化物阻止奧氏體晶粒長大，從而細(xì)化晶粒并提高焊縫的強(qiáng)度[14]。此外，由于Q345B/430異種鋼導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)的差異，使得晶格畸變增大，晶內(nèi)出現(xiàn)晶格缺陷密度很高的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使焊縫中的馬氏體發(fā)生相變強(qiáng)化[15]，同樣提高了焊接接頭的強(qiáng)度。當(dāng)轉(zhuǎn)弧電流為100 A時(shí)，焊縫處組織為細(xì)小均勻的針狀鐵素體和馬氏體，相較于其他條件下接頭的焊縫有更多的相界面抑制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，故焊縫表現(xiàn)出相對優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度。

圖4 異種鋼焊接接頭及母材的抗拉強(qiáng)度

不同轉(zhuǎn)弧電流下焊接接頭均在靠近焊縫的430側(cè)母材區(qū)斷裂， 430側(cè)HAZ中的組織較為粗大，在拉伸應(yīng)力作用下裂紋優(yōu)先在此處產(chǎn)生，隨應(yīng)力的增加，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展并最終斷裂。結(jié)合接頭微觀組織可知，不同轉(zhuǎn)弧電流條件下430側(cè)熱影響區(qū)的組織粗化程度相差不大，故表現(xiàn)出較為相近的抗拉強(qiáng)度。焊縫中的馬氏體保證了焊縫區(qū)的高硬度，所以Q345B側(cè)的硬度低于焊縫區(qū)，而430側(cè)HAZ的組織粗化使異種鋼接頭的抗拉強(qiáng)度均低于Q345B母材強(qiáng)度。

2.4 接頭電化學(xué)腐蝕性

將等離子弧焊Q345B/430異種鋼焊接接頭置于NaCl電解質(zhì)溶液中，通過電極反應(yīng)發(fā)生腐蝕，由電極之間的電勢差與電流密度可繪制其Tafel極化曲線，如圖5所示。由圖可知，各焊接電流下焊縫的自腐蝕電位由高至低為90 A, 100 A, 110 A, 120 A。一般來說，金屬的自腐蝕電位越低，金屬的耐腐蝕性就越差[16]，故焊接接頭耐腐蝕性能與轉(zhuǎn)弧電流呈負(fù)相關(guān)趨勢。焊接接頭在NaCl電解液中的電極反應(yīng)方程式為: (+)O2+2H2O+4e-→4OH-, (-)2Fe-4e-→2Fe2+。Cl-離子可穿透接頭中馬氏體表面形成的鈍化膜內(nèi)細(xì)小孔隙，并與基體之間發(fā)生腐蝕[17]。隨焊接接頭在腐蝕溶液中浸泡時(shí)間的延長，接頭的點(diǎn)蝕程度先不斷增加，并隨浸泡時(shí)間的進(jìn)一步延長緩慢減弱。

圖5 異種鋼焊接接頭耐腐蝕極化曲線

接頭的自腐蝕電位隨轉(zhuǎn)弧電流的增加而減小，這是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)弧電流的增大，高溫停留時(shí)間變長，晶粒發(fā)生粗化，且在冷卻過程中加快了碳化鉻在晶界的析出，碳化鉻在腐蝕時(shí)可以作為陰極，與基體構(gòu)成微腐蝕電偶，降低晶界抗腐蝕性。此外，當(dāng)轉(zhuǎn)弧電流為120 A時(shí)，Q345B側(cè)HAZ的晶界遭到破壞，同樣加快了腐蝕速率。

3 結(jié)論

(1)等離子弧焊Q345B/430異種鋼接頭的焊縫組織隨轉(zhuǎn)弧電流變化而變化，當(dāng)轉(zhuǎn)弧電流為100 A時(shí)，焊縫為細(xì)小均勻的針狀鐵素體及馬氏體，均勻分布，其組織性能最佳。隨著電流的增大，焊縫組織發(fā)生粗化。兩側(cè)熱影響區(qū)組織在等離子弧較高的熱輸入下發(fā)生了一定程度的粗化，Q345B側(cè)熱影響區(qū)出現(xiàn)魏氏組織。

(2)不同電流下的異種鋼接頭的顯微硬度分布的總體變化趨勢一致。焊縫處由于存在較多馬氏體因而呈現(xiàn)較高硬度。不同轉(zhuǎn)弧電流下，異種鋼接頭抗拉強(qiáng)度(397～428 MPa)與430母材相當(dāng)，且拉伸試樣均斷裂在靠近焊縫的430母材側(cè)，電流為100 A時(shí)接頭抗拉性能相對最佳,達(dá)到427 MPa。

(3)不同電流條件下焊接接頭耐腐蝕性能與轉(zhuǎn)弧電流呈負(fù)相關(guān)趨勢。轉(zhuǎn)弧電流為90 A時(shí)，焊接接頭耐腐蝕性能最佳。