焊后熱處理對(duì)12Cr18Ni9 與Q355D 異種鋼焊接接頭硬度和耐蝕性的影響

胡加明

（德陽天元重工股份有限公司， 四川德陽 618000）

0 前 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步， 市場對(duì)機(jī)械構(gòu)件的性能提出了更高的要求。 單一金屬已不能滿足設(shè)備的性能需求， 往往需要多種金屬配合使用， 在制造過程中不可避免異種鋼焊接情況的發(fā)生。 某項(xiàng)目燃機(jī)產(chǎn)品框架結(jié)構(gòu)主體采用Q355D 材質(zhì)， 部分結(jié)構(gòu)采用12Cr18Ni9 不銹鋼，在生產(chǎn)過程中需要進(jìn)行異種鋼焊接。 由于制造空間的限制， 部分異種鋼焊接接頭會(huì)隨產(chǎn)品進(jìn)行焊后熱處理， 但不同的焊后熱處理溫度會(huì)對(duì)異種鋼接頭的耐蝕性和硬度產(chǎn)生不同的影響。根據(jù)產(chǎn)品的制造需要， 本次試驗(yàn)將對(duì)12Cr18Ni9和Q355D 異種鋼焊接接頭進(jìn)行研究。 通過異種鋼的焊接和熱處理， 研究焊接接頭的金相組織、硬度和耐蝕性的變化。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

12Cr18Ni9 為不銹鋼， Q355D 為低合金鋼，兩種材料的壁厚均為20 mm。 試驗(yàn)材料化學(xué)成分見表1， 力學(xué)性能見表2。 由于兩種材料屬于不同的材料組別， 所以化學(xué)成分和性能差異較大[1]。

表1 試驗(yàn)鋼主要化學(xué)成分

表2 試驗(yàn)鋼力學(xué)性能

1.2 焊接材料

異種鋼焊接時(shí)， 焊接材料的選擇要能克服母材對(duì)焊縫合金元素的稀釋作用， 保持焊縫金屬的組織和物理性能穩(wěn)定且與母材相適應(yīng)的原則[2]，本試驗(yàn)采用E308L-16 和E309L-16 兩種不同型號(hào)的焊條進(jìn)行焊接。 在低合金高強(qiáng)鋼側(cè)預(yù)堆焊E309L-16， 再用E308L-16 進(jìn)行焊接， 堆焊時(shí)盡量減少熔深或增加堆焊層數(shù)， 使過渡層表面稀釋減少。 不銹鋼焊條的化學(xué)成分見表3， 坡口形式如圖1 所示。 E309L-16 的高鉻鎳元素含量可以在一定程度上減輕低合金高強(qiáng)鋼母材對(duì)焊縫金屬合金元素的稀釋作用， 從而避免馬氏體組織的形成， 保證接頭強(qiáng)度， 但不能避免接頭出現(xiàn)碳遷移過渡層和接頭應(yīng)力分布不均勻的現(xiàn)象[3]。

表3 不銹鋼焊條化學(xué)成分

異種鋼金屬焊接時(shí)， Q355D 對(duì)焊縫合金元素的稀釋是不可避免的問題。 通過采用高合金元素的焊條E309L-16 在Q355D 側(cè)堆焊過渡層， 能有效減少母材合金元素的稀釋作用， 避免馬氏體組織的產(chǎn)生。

1.3 焊接參數(shù)

根據(jù)材料種類、 材料厚度、 坡口角度和坡口形式， 以及焊接位置等情況， 結(jié)合實(shí)際焊接經(jīng)驗(yàn)， 選擇的焊接參數(shù)見表4。 異種鋼焊接時(shí)要控制熔合比的大小， 避免在低合金高強(qiáng)鋼側(cè)產(chǎn)生脫碳層， 影響焊接接頭的塑形和韌性。 因此， 焊接時(shí)應(yīng)采用小電流、 低電壓和窄道快速焊的焊接方法。

表4 12Cr18Ni9 和Q355D 異種鋼焊接參數(shù)

1.4 熱處理工藝

奧氏體不銹鋼焊接一般不需要焊后熱處理。由于框架結(jié)構(gòu)空間的限制， 部分不銹鋼需提前焊接， 而Q355D 材質(zhì)焊接有焊后熱處理的需求， 不可避免會(huì)對(duì)異種鋼焊接接頭進(jìn)行焊后熱處理。 對(duì)于異種鋼焊接接頭進(jìn)行熱處理時(shí)， 應(yīng)綜合考慮焊接接頭兩側(cè)母材的性能。 在考慮消除應(yīng)力和晶間腐蝕的情況后， 分別對(duì)焊接試板進(jìn)行450 ℃、650 ℃、 850 ℃焊后熱處理， 通過不同熱處理溫度分析研究焊縫金屬耐蝕性和硬度的變化規(guī)律，從而確定合適的焊后熱處理溫度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 金相組織

焊縫不同區(qū)域的金相組織如圖2 所示。 從圖2 （a） 可看出， 在12Cr18Ni9 母材與焊縫之間的熔合區(qū)的組織為粗大的奧氏體組織和少量的鐵素體組織。 因?yàn)樵搮^(qū)域的金相組織粗大，且分布不均勻， 因此是整個(gè)焊接接頭性能的薄弱環(huán)節(jié)。 從圖2 （b） 可看出， 焊縫組織主要為奧氏體和少量的鐵素體， 未發(fā)現(xiàn)有害析出相σ 的存在。 這種雙相的焊縫組織具有較好的力學(xué)性能， 同時(shí)缺口的敏感性較低。 在焊接的過程中焊縫金屬組織由鐵素體經(jīng)過一系列反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體， 但鐵素體的轉(zhuǎn)變不完全， 形成了奧氏體和鐵素體共存的局面。 由于鐵素體含量比較少， 所以鐵素體向σ 相的轉(zhuǎn)變相對(duì)較少。從圖2 （c） 可看出， Q355D 母材組織為鐵素體和珠光體。 在Q355D 和12Cr18Ni9 之間的隔離層， 組織為粗大的奧氏體、 少量的碳化物和鐵素體。

2.2 維氏硬度

焊接接頭的硬度試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。 從圖3 可以看出， Q355D 母材硬度為140HV0.1～160HV0.1。 Q355D 經(jīng)過熱處理后， 母材硬度有所下降， 但是變化不大。 經(jīng)450 ℃和650 ℃熱處理，Q355D 母材顯微硬度下降， 這主要是因?yàn)闊崽幚頊囟容^低， 組織沒有明顯變化， 晶粒略有長大。而經(jīng)850 ℃的熱處理， 母材硬度較經(jīng)650 ℃熱處理的硬度有所回升， 這主要是因?yàn)槟覆慕M織雖然發(fā)生了再結(jié)晶， 但形成的晶粒尺寸較小， 有細(xì)晶強(qiáng)化作用， 因此硬度得到提高。 而隨著熱處理溫度的進(jìn)一步提高， 晶粒逐漸長大， 所以硬度也逐漸降低[4]。

焊縫金屬和12Cr18Ni9 不銹鋼都為奧氏體不銹鋼。 從硬度分布曲線可以看出， 焊縫金屬硬度為190HV0.1～230HV0.1， 12Cr18Ni9 不銹鋼的硬度為220HV0.1～250HV0.1， 隨著熱處理溫度的不斷升高， 焊縫金屬和12Cr18Ni9 不銹鋼的硬度不斷下降。 這種現(xiàn)象主要由組織晶粒隨著溫度升高而變得粗大引起的， 但是當(dāng)晶粒長大到一定程度后，晶粒長大趨勢(shì)變緩， 最后停止長大。

由此可見， 奧氏體不銹鋼不能通過熱處理來增加其硬度， 可以通過冷作硬化或變形處理才能提高表面硬度值， 或者通過離子化學(xué)熱處理也可以大幅提高奧氏體不銹鋼的表面硬度， 如氮化等[5]。

2.3 晶間腐蝕

不同熱處理溫度下焊縫的晶間腐蝕形貌如圖4 所示， 由圖4 可以看出， 經(jīng)650 ℃熱處理的焊縫晶間腐蝕最為嚴(yán)重， 而經(jīng)450 ℃和850 ℃熱處理的焊縫晶間腐蝕相對(duì)較輕， 由此可以判斷不銹鋼耐蝕性的強(qiáng)弱與加熱溫度有關(guān)。 450 ℃熱處理的溫度較低， 在焊縫金屬中不會(huì)形成碳化鉻化合物， 極大地增加了奧氏體不銹鋼的耐蝕性。 而當(dāng)熱處理溫度超過850 ℃時(shí)， 鉻元素?cái)U(kuò)散速度較快， 導(dǎo)致有足夠的鉻元素和碳元素結(jié)合， 避免了晶界貧鉻區(qū)的形成[6]。 通常焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)是最易發(fā)生晶間腐蝕的區(qū)域， 在焊接冷卻過程中其溫度也要穿過450～850 ℃溫度區(qū)， 所以該區(qū)域會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕。 要提高焊接接頭的耐蝕性就必須在450～850 ℃的溫度區(qū)間停留時(shí)間越短越好， 所以焊接接頭的快速冷卻能有效提高接頭耐腐蝕能力。

3 結(jié) 論

（1） 對(duì)Q355D 和12Cr18Ni9 進(jìn)行異種鋼焊接， 焊縫組織主要由奧氏體和少量鐵素體構(gòu)成，并且未析出有害相， 表明焊材材料及焊接工藝的選擇較為合理。

（2） Q355D 和12Cr18Ni9 異種鋼焊接接頭在焊后必須做焊后熱處理時(shí)， 需要考慮消除應(yīng)力和不銹鋼晶間腐蝕的雙重要求。 焊后熱處理溫度選擇過低會(huì)影響消除焊接應(yīng)力的效果， 而選擇溫度過高會(huì)使異種鋼焊接接頭多次達(dá)到晶間腐蝕最嚴(yán)重的溫度， 降低接頭的耐蝕性和硬度， 因此比較理想的焊后熱處理溫度為450～650 ℃。