等离子弧焊Q345B和430不锈钢异种接头的微观组织与性能

2022-08-18孙连北魏坤霞孟涛张尧成魏伟

焊接 2022年5期

孙连北，魏坤霞，孟涛，张尧成，魏伟

(1.常州大学，江苏省材料表面科学与技术重点实验室，石油和化工行业装备表面工程与新材料重点实验室，江苏常州 213164；2.常熟理工学院, 江苏省机电产品循环利用技术重点建设实验室，江苏常熟 215500)

0 前言

异种钢由于化学成分、组织和物理性能的差异，以及焊接过程中的不均匀加热与焊接热输入的影响，易在焊接接头处产生微偏析及高应力现象，进而影响接头组织与性能[1-4]。目前，国内外针对低合金钢与不锈钢焊接方法有过诸多研究。王超冉等人[5]采用电子束焊对接06Cr13Al铁素体不锈钢(FSS)和16Mn低合金钢，焊缝显微组织主要为板条马氏体；16Mn钢HAZ(热影响区)组织为羽毛状的上贝氏体和针状铁素体，06Cr13Al侧HAZ主要由粗大的铁素体和马氏体组成；焊缝区的显微硬度明显高于母材。王晓军等人[6]采用K-TIG焊接方法对Q345/316L异种钢进行焊接试验，结果表明：焊缝两侧组织分别为奥氏体加骨骼状铁素体和板条马氏体，焊缝显微硬度明显高于两侧热影响区及母材。由于Q345侧熔合区产生魏氏组织，且过热区晶粒粗大，拉伸断裂位置均发生在Q345侧母材。Torkamany等人[7]采用激光焊对接0.8 mm厚的低碳钢和304L奥氏体不锈钢，结果表明：焊缝组织由奥氏体、马氏体及铁素体组成，且焊缝平均硬度由于马氏体的形成远高于母材的硬度。焊接接头承受载荷能力随激光功率增加而增加。

等离子弧焊(PAW)是利用等离子弧高能量密度束流作为焊接热源的一种熔焊方法[8-9]。其具有能量密度高、焊接速度快、应力应变小、焊缝成形美观等优点。然而，在PAW焊接过程中，小孔对工艺参数的变化比较敏感，小孔稳定性差，等离子弧焊接过程不稳定[10-11]。为了得到热输入与焊接接头综合性能的对应关系，该试验采取等离子弧焊方法对Q345B低合金钢与430铁素体不锈钢进行焊接，并对其焊接接头的微观组织、力学性能和电化学腐蚀性能进行了分析。

1 试验材料和方法

试验选用的材料为3 mm等厚的Q345B低合金钢和430铁素体不锈钢，其化学成分见表1。Q345B钢组织为铁素体及珠光体，430钢组织为铁素体和碳化物。采用PTA-400E2-ST-3型等离子弧焊接机对Q345B和430不锈钢进行对接焊，焊接前对焊接处表面进行机械清理并用酒精清洗吹干后备用。等离子弧焊接的转弧电流为90～120 A，焊接速度为200 mm/min，保护气流量为10 L/min，离子气流量为17 L/min，衰减流量为0.6 L/min，焊枪钨棒与母材表面距离为13 mm。

表1 Q345B钢与430钢的化学成分(质量分数，%)

从焊接接头上取金相试样，研磨抛光后用稀王水(HCl∶HNO3=3∶1)腐蚀，采用OLYMPUS GX51型金相显微镜对其横截面各区域组织进行观察。采用HV-1000型维氏硬度计对接头硬度分布进行测量，加载载荷98.7 N，保载时间15 s。采用UTM5305型电子万能拉伸试验机对焊缝的力学性能进行测试，试样尺寸50 mm×20 mm×3 mm，每组焊缝测试3次取平均值，试验根据GB/T 228—2010 《金属材料拉伸试验：室温试验方法》进行。采用RST型电化学工作站对异种钢焊接接头耐腐蚀性能进行测试，试样尺寸为10 mm×5 mm×3 mm，腐蚀介质为质量分数3.5%的NaCl溶液，试验过程参考GB/T 24196—2009 《金属和合金的腐蚀电化学试验方法》进行。

2 试验结果和分析

2.1 接头微观组织

图1为转弧电流100 A时Q345B/430异种钢接头各区域微观组织。由图1可知，100 A条件下的Q345B/430异种钢接头焊缝处晶粒细小，组织为均匀分布的针状铁素体和马氏体。焊缝中溶解形成的碳化铬有效的抑制了高温下奥氏体晶粒的长大，在快速冷却的条件下得到了细小均匀的焊缝组织。溶入焊缝的铁素体转变为奥氏体是一个缓慢的过程，而等离子弧焊非平衡过程的冷却速度很快，导致δ-γ转变不完全，保留下来的δ铁素体晶核最终形成了针状δ铁素体[12]。同时奥氏体在快速冷却的条件下转变为马氏体。Q345B侧HAZ组织为针状铁素体F与珠光体P及少量的上贝氏体Bu。在冷却过程中，Q345B钢粗晶区中部分过冷的奥氏体转变为贝氏体，渗碳体分布在铁素体之间。此外，等离子弧焊接过程中较高热输入导致Q345B侧HAZ晶粒发生明显粗化。430HAZ组织为铁素体和碳化物颗粒。Cr是缩小奥氏体区的元素，430中高含量的Cr使奥氏体区封闭，且远离焊缝的430低温热影响区未受熔池碳扩散影响，该区域组织只发生粗化。

图1 转弧电流100 A时Q345B/430接头微观组织

当转弧电流增大到120 A时(图2)，焊缝组织转变为较粗大的板条状马氏体与铁素体。这是因为随转弧电流的增加热输入增加，焊缝在高温下停留的时间变长，焊缝中的奥氏体和铁素体长大速度快，因此焊缝组织相较于100 A发生粗化。同时，两侧热影响区组织也都发生了一定程度的粗化，且Q345B侧HAZ组织中出现大量铁素体魏氏组织W。这是因为随着热输入的增加，大量先共析铁素体从奥氏体晶界沿奥氏体一定晶面往晶内生长，呈针片状析出，形成魏氏组织[13]。

图2 转弧电流120 A时Q345B/430接头微观组织

2.2 接头硬度分布

图3为等离子弧焊Q345B/430异种钢焊接接头硬度分布，焊接接头的硬度值从430母材—430侧HAZ—焊缝区—Q345侧BHAZ—Q345B母材大致呈先增大后减小的趋势，且焊缝的硬度明显高于母材金属。这是由于热影响区至焊缝区域受焊接影响最大，焊接过程中快速冷却及合金元素混合不均匀，导致焊缝生成板条马氏体组织，提高了焊缝的硬度。在430侧HAZ中，铁素体不锈钢在较高热输入条件下发生晶粒粗化从而发生了软化，硬度从焊缝到母材骤减。Q345B侧靠近焊缝处由于马氏体的存在具有更高的硬度，距离熔合线越远，热影响区中会出现铁素体和珠光体，并且硬度逐渐接近母材。

图3 异种钢焊接接头硬度分布

430铁素体不锈钢中大量的Cr在等离子弧热源下溶解在焊缝中，增加了焊缝的淬透性的同时，也导致焊缝中的马氏体存在过大的饱和度，因而出现焊缝硬度远高于母材硬度的情况。不同转弧电流下的焊接接头加热和冷却方式一致，且接头各区域相组成一致，因而具有相同的硬度分布趋势变化。

2.3 接头拉伸性能

图4为等离子弧焊Q345B/430异种钢接头及两种母材的抗拉强度。当转弧电流为90～120 A时，Q345B/430异种钢接头抗拉强度(397～427 MPa)与430母材相当，由于焊缝中碳含量较低，强碳化物形成元素Cr，Mo优先与碳结合，形成难溶于奥氏体的碳化物阻止奥氏体晶粒长大，从而细化晶粒并提高焊缝的强度[14]。此外，由于Q345B/430异种钢导热系数和热膨胀系数的差异，使得晶格畸变增大，晶内出现晶格缺陷密度很高的位错亚结构，阻碍位错运动，使焊缝中的马氏体发生相变强化[15]，同样提高了焊接接头的强度。当转弧电流为100 A时，焊缝处组织为细小均匀的针状铁素体和马氏体，相较于其他条件下接头的焊缝有更多的相界面抑制位错运动，故焊缝表现出相对优异的抗拉强度。

图4 异种钢焊接接头及母材的抗拉强度

不同转弧电流下焊接接头均在靠近焊缝的430侧母材区断裂， 430侧HAZ中的组织较为粗大，在拉伸应力作用下裂纹优先在此处产生，随应力的增加，裂纹进一步扩展并最终断裂。结合接头微观组织可知，不同转弧电流条件下430侧热影响区的组织粗化程度相差不大，故表现出较为相近的抗拉强度。焊缝中的马氏体保证了焊缝区的高硬度，所以Q345B侧的硬度低于焊缝区，而430侧HAZ的组织粗化使异种钢接头的抗拉强度均低于Q345B母材强度。

2.4 接头电化学腐蚀性

将等离子弧焊Q345B/430异种钢焊接接头置于NaCl电解质溶液中，通过电极反应发生腐蚀，由电极之间的电势差与电流密度可绘制其Tafel极化曲线，如图5所示。由图可知，各焊接电流下焊缝的自腐蚀电位由高至低为90 A, 100 A, 110 A, 120 A。一般来说，金属的自腐蚀电位越低，金属的耐腐蚀性就越差[16]，故焊接接头耐腐蚀性能与转弧电流呈负相关趋势。焊接接头在NaCl电解液中的电极反应方程式为: (+)O2+2H2O+4e-→4OH-, (-)2Fe-4e-→2Fe2+。Cl-离子可穿透接头中马氏体表面形成的钝化膜内细小孔隙，并与基体之间发生腐蚀[17]。随焊接接头在腐蚀溶液中浸泡时间的延长，接头的点蚀程度先不断增加，并随浸泡时间的进一步延长缓慢减弱。