310s与Q235异种钢焊接（性能）分析

2016-08-13四川电力建设二公司四川成都610051

低碳世界 2016年13期

陈　瑜（四川电力建设二公司，四川　成都　610051）

陈瑜（四川电力建设二公司，四川成都610051）

本文进行310s与Q235异种钢的焊接性能分析，首先通过舍弗勒组织图选取合适焊接材料进行手工电弧焊焊接实验，并采取光学显微镜和显微硬度计来观察微观焊接组织，来分析310s与Q235异种钢的焊接性能。结果表明：焊缝的组织为奥氏体、马氏体和少量的铁素体，熔合区靠近310s一侧存在着增碳的情况，靠近Q235一侧存在脱碳，并且焊接接头性能较好，证明焊接工艺参数选用正确；焊缝的强度高于两侧母材强度，低于热影响区强度，符合焊材等强匹配原则。

310s；Q235；异种钢；组织；硬度

引言

目前随着我国工业步伐的不断加快，在机械电力石油化工等行业中，异种钢的焊接结构被越来越多的广泛使用，使用异种钢焊接结构，能合理的使用材料，充分发挥每一种材料的特性。不但可以节约大量的高合金钢，减轻设备的重量，降低成本而且能够提高结构的工作和使用性能。因此，使用异种钢焊接结构件，具有非常大的技术价值和经济意识，异种钢焊接必然会在以后的电力建设施工焊接技术更新起着至关重要的推动作用。

1　焊条的选择

310s不锈钢是属于奥氏体铬镍不锈钢，具有很好的抗氧化性、耐腐蚀性，310s奥氏体型不锈钢的化学成分特性是以铬、镍为基础添加钼、钨、铌和钛等元素，由于其组织为面心立方结构，因而在高温下有高的强度和蠕变强度。Q235属于普通碳素结构钢，主要由铁素体与珠光体构成，故也属于珠光体钢。当奥氏体不锈钢与珠光体钢焊接时，因为珠光体钢母材的稀释作用，导致焊缝的成份和构造发生了巨大的变化。为了确保焊缝成分合理，经过选取填充金属成分和控制熔合比，能够在十分宽广的范围中调整焊缝的成分和组织性能。应指出的是奥氏体与珠光体异种钢焊接时，因为母材热处理性能的差别和电弧偏吹的存在，二者的熔化量必然是不相同的，珠光体钢一侧的熔化量可能要大一些。异种奥氏体钢焊接时，主要是依据焊件的工作条件，以及奥氏体钢本身的性能选用相应的奥氏体不锈钢焊条。本次试验采用的是310s奥氏体不锈钢和Q235低碳钢的焊接，其成分如表1所示。

表1　310s和Q235的化学成分

首先按照母材和焊条化学成分的化验结果，选择出w（c）低于0.15%的几种焊条A137、A102、A307，然后根据化验的化学成分，分别算出Cr、Ni当量舍夫勒图中的铬、镍当量公式如下所示：

分别算出Cr、Ni当量，记录如表2所示。

表2　铬、镍当量值

图1为奥氏体异种钢的焊缝组织图，根据表2的数据在舍夫勒组织图上找出对应的点，如图1所示。

图1　勒组织图

通过图1舍夫勒组织图分析，再综合其他的要素可以得出：

e～f段是采用的A307焊条时焊缝组织的熔合变化线，要是母材的熔合比控制在30～40%，在熔合变化线e～f段上求得的焊缝位置是在m～n段，此时的焊缝组织为含3%铁素体的奥氏体+铁素体的双向组织，抗裂性较好。而且A307焊条本身属于低氢型焊条，也有抗裂的性能。所以焊接310s奥氏体与Q235碳钢选择A307型焊条最为合理。同时焊接电流交直流都可用，但是直径是3.2mm，最好采用直流电源，电流不宜过大。

2　焊接工艺参数的确定

本次实验是310s和Q235异种钢的对接焊，又结合焊条直接与焊件厚度等焊接要素所以选择直径为3.2mm的A307焊条。

（1）表3是焊条直径和焊接电流的关系：

表3　焊条直径和焊接电流的关系

根据焊条的直径，所以选择120A的电流来进行310s不锈钢和Q235低碳钢的对接焊。

（2）焊接速度的选择：采用较快的焊接速度进行焊接，在此选择100～150mm/min的焊接速度。

（3）电源种类和极性的选择：采用直流反接，来提高焊接接头质量。

3　金相组织的分析

3.1下面是焊接接头组织的图片及分析

3.1.1母材Q235和310s

图2所示是母材310s奥氏体不锈钢的金相图，其微观组织都主要是单相的奥氏体组织，可以发现其中平直晶界的数量较多，这是低Σ晶界的特点，这种情况在奥氏体不锈钢中出现的比较多。

图2　310s母材组织图

图3　Q235母材组织图

图3为母材Q235的金相组织图，Q235作为亚共析钢，其金相组织主要由铁素体和细小的粒状珠光体组成，基体组织为块状铁素体，黑色的组织为少量珠光体。

3.1.2熔合区

在焊缝与母材交界处的金属区域为熔合区。焊接时该区金属处于局部熔化状态，加热温度在固液相温度区间，金属从熔化到凝固时间非常短，在这段时间内，冶金反应是不平衡的，从而使焊缝金属的成分分布不均匀，有时区域偏析很大，组织相对也不稳定。310s和Q235异种钢焊接有两条融合线，当然就有两个熔合区，在本次金相实验中，一侧是焊缝与Q235碳钢的熔合区，另一侧是焊缝与310s不锈钢的熔合区（如图4～5）。

图4　不锈钢一侧

图5　碳钢一侧

从靠近不锈钢侧的熔合区图4可以很明显的看出在焊缝与不锈钢的熔合线附近组织较为复杂，这是由于该区的不锈钢处于半熔化状态，在随后冷却的过程中形成的。并且焊缝与310s不锈钢的熔合区附近存在着暗色增碳层。

在靠近在碳钢一侧如图5熔合区的晶粒呈颗粒状，晶粒的晶界比较平直为多边形。但是，靠近焊缝的熔合区组织明显比母材的组织粗大，且随着焊缝距离的增加，晶粒的尺寸在减小。这是因为焊缝与Q235的熔合区附近形成了脱碳层。存在增碳和脱碳的主要是由于碳的扩散和迁移。这是因为：

（1）碳的活度：碳原子为间隙型原子，间隙原子比置换型原子的扩散系数大于100左右。

（2）合金元素的影响：合金元素也是碳的扩散迁移的重要因素，但这都取决于碳的活度系数，Cr元素与碳的活度系数有着密切的关系，因为Cr元素是碳化物的形成元素，它能降低碳的活度系数。310s奥氏体不锈钢含有较高的碳化物形成元素，碳在焊缝处的活度系数较小，又由于碳的扩散能力很强，碳就会通过焊缝边界向靠近不锈钢一侧扩散而和铬形成碳化物，靠近低碳钢侧会因碳的迁移而贫碳。

（3）晶体结构的影响：晶体结构对碳的扩散迁移也有影响，碳在r-Fe中的活度系数小于碳在a-Fe中的活度系数，所以在冷却的过程中，Q235中的碳就会向不锈钢一侧的焊缝扩散。

3.1.3焊缝

图6　焊缝组织

由焊缝组织图6可以看出，其中含有为板条状马氏体，位于靠近碳钢一侧的焊缝组织，这些组织具有不均匀的化学成分，所以力学性能较差，还有少量残余奥氏体以及一定的珠光体。因为碳的扩散迁移造成了熔合区形成扩散层。碳元素从珠光体母材Q235向奥氏体焊缝扩散，而Cr，Ni元素就从焊缝向母材熔合区扩散迁移。同时因为碳原子半径小，能与Fe元素形成间隙固溶体，所以在熔合区靠近母材Q235一侧形成脱碳层，而奥氏体一侧就形成了高硬度的黑色增碳层。焊缝中间部位的化学成分和物理成分与焊缝的边缘成分差别很大，因此，在焊缝不同区域其显微组织就有一定的差异。

3.2焊接接头硬度测试结果及分析

将做显微硬度实验测试的数据用表4的形式表示出来，硬度值分别是从母材Q235低碳钢到焊缝再到母材310s不锈钢的顺序依次测试出来的。