2205和Q235B異種鋼的焊接接頭組織及性能分析

黎麗，唐焱杰，戴偉，孫書剛，吉光，李徐

1.南通理工學院機械工程學院 江蘇南通 226002

2.萬高（南通）電機制造有限公司 江蘇南通 226010

1 序言

隨著工業生產技術的不斷發展，如今生產制造過程中的材料需求不再滿足于單一材料，于是多種材料復合的生產工藝方法便適時產生。其中異種鋼焊接就是材料復合制造工藝之一，它是將不同的鋼種焊接在一起，這些鋼材在微觀組織和物理性能方面都有很大的差別，滿足不同工作條件下的使用需求，并且還能在不影響性能的情況下，減少貴金屬的加入，減少生產成本。正因為這些優勢，使得異種鋼焊接技術得到快速發展，被廣泛應用到機械、化工等行業。

與同種鋼焊接相比，異種鋼焊接接頭有著一個明顯的區別，即其焊縫和熔合區存在一個過渡區，這一區域主要是在合金元素的作用下形成的，例如稀釋了合金元素，遷移了碳元素[1]。這個過渡區又稱為凝固過渡層，它是焊接接頭中薄弱的區域，也是發生失效的主要部位，因此設計焊接工藝與焊接時要考慮減少過渡區的寬度。這個區域的化學成分和金相組織存在不均勻性，同時物理性能、力學性能等方面也有非常大的差異，會導致異種鋼焊接過程中遇到很多困難，且很容易產生焊接缺陷，這是異種鋼焊接接頭存在的主要問題[2]。

2 試驗材料和方法

（1）試驗母材的選擇 選用2205雙相不銹鋼和Q235B碳素鋼為母材，其化學成分見表1。

表1 2205雙相不銹鋼和Q235B碳素鋼的化學成分（質量分數） （%）

（2）焊接材料的選擇 2205雙相不銹鋼和Q235B碳素鋼焊接屬于異種鋼焊接的一種，由以上分析可知，在異種鋼焊接過程中其熔合區容易發生碳遷移現象，導致異種鋼的焊接接頭質量變差。為了避免或減少這種現象的產生，在選擇焊接材料時應考慮Ni含量較高的焊接材料，這是因為Ni元素對抑制碳遷移現象的產生起著較好的作用。但是，需要注意的是，Ni含量不能太高，否則從單相鐵素體向雙相凝固過渡時，焊接接頭的耐蝕性會降低，易造成元素的偏移[3]。最終，決定選用GFS-309MoL藥芯焊絲作為焊接材料，其化學成分見表2。

表2 GFS-309MoL藥芯焊絲的化學成分（質量分數） （%）

（3）焊接工藝及參數的選擇 本文以減少碳元素遷移和獲得質量可靠的焊接接頭為前提，采用了FCAW焊接工藝方法，相關焊接參數見表3。

表3 FCAW焊接參數

3 結果與分析

3.1 顯微組織分析

（1）2205雙相不銹鋼-焊縫界面金相組織2205雙相不銹鋼側母材到熔合區的金相組織如圖1所示。由圖1a可知，母材2205雙相不銹鋼組織由白色奧氏體和黑色鐵素體組成。圖1b～d所示為熱影響區內不同區域的金相組織。由圖1b可知，奧氏體以細小塊狀或條塊狀分布在鐵素體基體上，與母材相比奧氏體含量大大減少[4]，這主要是因為在焊接過程中溫度較高，在1250℃溫度以上發生了從奧氏體到鐵素體的轉變。從圖1e中的熔合線可看出，此區域里的化學成分不均勻，該區域里是焊接材料與熔化的母材，在熔池邊緣和內部的混合程度是完全不同的。對于2205雙相不銹鋼母材，其邊緣區域溫度不是特別高，熔池金屬部分缺少流動性。在較弱的機械力攪拌作用下，不能長久地保持液態，且由于焊接材料與母材的化學成分不相同，所以在熔池邊緣熔化的金屬不能夠完全混合。因此，在2205雙相不銹鋼與焊縫的交界處形成了組織不均勻的一個區域，也就是熔合區，此區域是焊接接頭中最為薄弱的環節。

（2）焊縫金屬的金相組織 焊縫金屬的金相組織如圖2所示。由圖2可知，焊縫金屬的金相組織是由白色奧氏體及其基體上的鋸齒形黑色鐵素體構成。

圖2 焊縫金屬的金相組織

（3）焊縫金屬-Q235B界面金相組織 Q235B側熔合區到母材的金相組織如圖3所示。從圖3a可觀察到，此熱影響區內的組織與其他區域的組織相比相對細小。從圖3b能夠明顯看出，此熱影響區內的組織粗化，相比圖3c、d組織粗化更加明顯。因此，從熔合區到母材的組織晶粒大小先細化后又粗化，隨著向母材的靠近，珠光體漸漸增加。由圖3e可清楚地看到，母材Q235B是由鐵素體和珠光體構成的，黑色和白色片層組成一種機械混合物，由于片層間的間距較小，所以顯示為黑色。

3.2 異種鋼焊接接頭拉伸性能分析

在焊接2205雙相不銹鋼和Q235B碳素鋼時，會存在受熱不均、冷卻、相變等問題，使得異種鋼焊接接頭的力學性能改變。為了保證異種鋼焊接接頭滿足工程應用需求，首先要測試焊接接頭的力學性能。

將焊接接頭進行拉伸試驗，異型鋼焊接接頭抗拉強度在WDW-300H萬能試驗機上測試。為了有效地保證拉伸試驗結果數據的準確性，準備3個試樣做拉伸試驗，取平均值，試驗結果見表4。

表4 焊接接頭拉伸試驗結果

從表4可看出，焊接接頭的抗拉強度平均值為634MPa，并且斷裂的地方是在抗拉強度相對較低的Q235B碳素鋼側，焊縫金屬比Q235B碳素鋼的抗拉強度高，這是因為在焊接時選用的焊接材料Ni含量較高，在很大程度上使得碳素鋼對焊縫金屬的稀釋作用降低，避免異種鋼焊接處的焊縫金屬中產生脆硬相，同時使焊縫保持合理的兩相比例，異種鋼焊接處抗裂性高，減弱熔接處碳原子的遷移[3]。另外，因為是多層多道焊，在對每一層進行焊接時相當于又對上一層焊道做了熱處理，有助于細化組織晶粒，從而獲得滿意的焊接接頭。通過拉伸試驗，得知這種異種鋼焊接接頭的力學性能符合應用要求。

3.3 異種鋼焊接接頭硬度分析

由于2205雙相不銹鋼和Q235B碳素鋼的化學成分和物理性能均存在很大區別，因此需要對焊接接頭的2205雙相不銹鋼-焊縫金屬與焊縫金屬Q235B碳素鋼的顯微硬度進行檢測。由于各區域之間的硬度有所差別，因此為了直觀地反映硬度的變化趨勢，將所測得數值轉化成曲線，分別如圖4、圖5所示。

圖4 2205雙相不銹鋼-焊縫金屬界面顯微硬度分布曲線

圖5 焊縫金屬-Q235B碳素鋼界面顯微硬度分布曲線

從圖4可看出，2205雙相不銹鋼一側熱影響區的平均硬度值高于2205雙相不銹鋼母材，同時也高于焊縫金屬。主要是由于焊接過程中復雜的熱循環作用，在整體焊接的過程中產生大量熱能，出現局部升溫，使熱影響區出現細小的鐵素體，則鐵素體含量增加，且鐵素體的硬度大于奧氏體，所以熱影響區的硬度較高，最高硬度達389HV。

從圖5可看出，在Q235B碳素鋼一側，焊縫金屬區域的顯微硬度比Q235B碳素鋼側熱影響區和Q235B碳素鋼母材都高，但焊縫金屬硬度值在接近熔合線位置出現了陡降，隨著距熔合線越來越遠，其硬度值曲線又趨于平緩。分析其硬度值發生突變的原因，是由于此區域內發生了碳遷移現象，Q235B碳素鋼母材一側熱影響區的碳元素越過焊縫邊界向焊縫處遷移，在Q235B碳素鋼一側母材的碳含量下降，于是產生了脫碳層，結果使焊縫中碳含量上升[5]，最終導致Q235B碳素鋼母材一側因形成了鐵素體的脫碳層而軟化，而在靠近焊縫一側形成高硬度的增碳層。

4 結束語

本文以GFS-309MoL為焊接材料，以2205雙相不銹鋼和Q235B碳素鋼為母材，進行了藥芯焊絲氣體保護異種鋼焊接工藝試驗，分析焊接區域的金相組織，并測得其力學性能及硬度值，得出以下結論。

1）與母材相比，2205雙相不銹鋼一側受到熱影響作用區域的奧氏體含量下降；焊縫金屬組織由鐵素體與奧氏體組成；Q235B碳素鋼一側，隨著遠離焊縫，其熱影響區域內珠光體量漸漸增多。

2）通過對焊接標準樣件進行拉伸試驗，斷裂之處位于Q235B碳素鋼母材處，而非焊接接頭，表明焊接接頭的拉伸性能是合格的。通過顯微硬度觀察得出焊縫金屬和熱影響區域的硬度均高于2205雙相不銹鋼和Q235B碳素鋼母材的硬度，表明其能夠滿足工程應用需求。