热输入对T4003/Q450NQR1异种钢焊接接头组织及性能的影响

2020-05-10李苏珊李连胜马青军2赵明剑赵清宇

焊接 2020年1期

李苏珊，李连胜，马青军2，赵明剑，赵清宇

(1. 哈尔滨焊接研究院有限公司，哈尔滨 150028；2.天津市特种设备监督检验技术研究院，天津 300192)

0 前言

随着工业技术的快速发展，核电、化工、航空航天、铁路车辆、海洋与钢结构等工作环境对金属材料的韧性、强度和耐蚀性提出了越来越苛刻的要求。同种金属材料的连接已经很难满足现在复杂的工况条件。因此，异种金属之间的焊接工艺性能及焊接接头的综合力学性能研究是目前的研究热点之一[1]。

T4003铁素体不锈钢作为货车车体材料广泛应用于我国轨道交通运输行业[2]，它具有良好的耐锈性和耐腐蚀性，但焊接时存在晶粒长大敏感性，过热区晶粒急剧长大会引起接头脆化，塑韧性降低等问题[3-4]；Q450NQR1耐候钢为Cu-Cr-Ni系，通过合理配置C,Si,Mn等元素含量，添加少量Nb,Ti微合金元素，利用控轧控冷细化晶粒，可以获得较为优异的屈服强度和抗拉强度。

文中对T4003铁素体不锈钢和Q450NQR1耐候钢异种钢采用不同热输入进行MAG焊接，分析了焊接接头的显微组织和力学性能，探讨了热输入对异种钢焊接接头的粗晶组织和性能脆化的影响规律，以期实现T4003铁素体不锈钢与Q450NQR1耐候钢异种钢优质连接，为其在工程实际中的应用提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验用材料

试验用铁素体不锈钢T4003板材与耐候钢Q450NQR1板材厚度均为6 mm。焊接材料选用直径为1.2 mm的奥氏体不锈钢焊丝ER309LSi-G。母材和焊丝的化学成分及力学性能见表1和表2。母材的微观金相组织如图1所示，其中图1a为T4003铁素体不锈钢板材微观组织形貌，组织为铁素体；图1b为耐候钢Q450NQR1板材微观组织形貌，组织为铁素体+珠光体。

表1 试验用母材和焊材化学成分(质量分数，%)

表2 试验用母材和焊材力学性能

图1 母材微观金相组织

1.2 试验用方法

试验采用MAG焊工艺方法，对接焊试板尺寸为400 mm×150 mm×6 mm，对接焊试板加工60°V形坡口，根部间隙为0.8 ～1.2 mm，示意图如图2所示。焊接时采用的工艺参数见表3。

图2 对接试板坡口尺寸示意图

焊后对焊接接头进行解剖，焊接接头性能试样尺寸、取样方法和试验方法参照GB/T 25774.2—2016《钢的单面单道焊和双面单道焊焊接接头力学性能试样的制备及检验方法》、GB/T 2650—2008《焊接接头冲击试验方法》、GB/T 2651—2008《焊接接头拉伸试验方法》、GB/T 2654—2008《焊接接头硬度试验方法》及相关技术要求进行。

表3 对接接头焊接工艺参数

2 试验结果与分析

2.1 接头微观组织

热输入0.62 kJ/mm的T4003不锈钢与Q450NQR1耐候钢焊接接头微观金相组织如图3所示，焊缝组织为奥氏体+铁素体；T4003侧过热区组织为马氏体+铁素体，晶粒度约为3级，正火区组织为马氏体+铁素体+极少量δ铁素体，不完全正火区组织为铁素体+极少量δ铁素体；Q450NQR1侧过热区组织为粒状贝氏体，晶粒度约为4级，正火区组织为贝氏体+铁素体，不完全正火区组织为铁素体+少量珠光体。

图3 热输入为0.62 kJ/mm T4003不锈钢与Q450NQR1耐候钢焊接接头微观金相组织

热输入0.82 kJ/mm的T4003不锈钢与Q450NQR1耐候钢焊接接头微观金相组织如图4所示，焊缝组织为奥氏体+δ铁素体；T4003侧过热区组织为马氏体+铁素体，晶粒度约为2级，正火区组织为马氏体+铁素体+极少量δ铁素体，不完全正火区组织为铁素体+极少量δ铁素体；Q450NQR1侧过热区组织为粒状贝氏体，晶粒度约为3.5级，正火区组织为贝氏体+铁素体，不完全正火区组织为铁素体+少量珠光体。

从上述两组热输入下的组织分布可以看出：焊缝中心组织均由奥氏体与δ铁素体组成，随着焊接热输入的增加，焊缝的峰值温度增加，焊缝的停留及冷却时间将延长，从而晶粒尺寸也逐渐增大。热输入为0.82 kJ/mm的T4003不锈钢侧过热区明显存在一个较大的铁素体粗晶粒区，晶粒不仅粗大，而且呈等轴状分布，而耐候钢侧过热区为贝氏体组织，晶粒要比T4003侧细小很多，但均比热输入为0.62 kJ/mm的不锈钢侧过热区和耐候钢侧过热区粗大一些；从两组热输入的T4003侧熔合区微观金相也可以发现，热输入为0.62 kJ/mm的T4003侧熔合线明显比0.82 kJ/mm的T4003侧熔合线窄，这也直接说明热输入为0.62 kJ/mm的焊接接头性能更好。

2.2 接头低温冲击韧性

T4003不锈钢与Q450NQR1耐候钢焊接接头半试样低温冲击缺口位置示意图如图5所示，以熔合线为原点向母材方向为“+”，向焊缝方向为“-”，t=+0.5 mm，t′=-0.5 mm。试验结果见表4，试验结果表明：Q450NQR1耐候钢侧和焊缝具有较好的的冲击韧性。热输入对T4003钢侧热影区冲击韧性有较大的影响，热输入在0.62 kJ/mm时，-40 ℃冲击韧性较好，平均值在20 J以上，热输入在0.82 kJ/mm时，冲击韧性有所下降。在焊缝中心组织中，γ-固溶体能够抑制δ铁素体相中的裂纹扩展，且C,N原子在奥氏体中具有较高溶解度，与T4003单相铁素体不锈钢相比，从高温冷却到室温的过程中，降低了晶界脆化倾向，从而提高了焊缝区的塑性。

图4 热输入为0.82 kJ/mm T4003不锈钢与Q450NQR1耐候钢焊接接头微观金相组织

图5 对接接头系列冲击试验试样缺口位置示意图

2.3 接头抗拉强度

接头抗拉强度见表5，从表中得知，焊接接头拉伸试样均断于T4003不锈钢侧，Q450NQR1耐候钢和焊缝组织的抗拉强度均高于T4003不锈钢，Q450NQR1耐候钢母材的铁素体和珠光体均为沿轧制方向呈等轴状分布，而在焊缝和热影响区中，奥氏体和铁素体交错、方向各异，这种分布方式使得焊缝组织和Q450NQR1耐候钢侧熔合区的晶界数量增加，阻碍位错运动，从而接头的强度又有了进一步提升。由于高热输入容易严重烧损T4003侧熔合区组织中的Cr,Ni，减少其重熔几率，阻碍其置换出母材金属晶格中的Fe原子，扰乱晶格排列，使得晶格产生畸变量减少，减弱了其阻碍位错运动的能力，从而使得热输入较小的焊接接头具有较大的拉伸数值。

表4 T4003+Q450NQR1异种钢焊接接头半试样冲击试验结果 -40 ℃

表5 T4003+Q450NQR1异种钢焊接接头拉伸试验结果

2.4 接头硬度

T4003不锈钢与Q450NQR1耐候钢焊接接头HV5硬度试验结果如图6所示，试验结果表明两种热输入的焊接接头在熔合线附近的粗晶区硬度值均有下降趋势，这是铁素体晶粒粗化所致，中间区域的焊缝组织硬度最低，这是因为奥氏体在焊缝组织中的存在。从过热区到焊缝中心，两种热输入的焊接接头硬度分布基本遵循由高到低的分布规律。