Q345R/316L復合板鎳基焊接接頭性能

張俠洲，王鳳會，陳延清，張 熹，劉 宏，楊建煒

（首鋼技術研究院，北京100043）

Q345R/316L復合板鎳基焊接接頭性能

張俠洲，王鳳會，陳延清，張 熹，劉 宏，楊建煒

（首鋼技術研究院，北京100043）

采用TIG和SMAW焊焊接Q345R/316L雙金屬復合板。利用光學顯微鏡、電子顯微探針、力學性能測試等分析手段研究復合板焊接接頭顯微組織、主要化學元素分布和力學性能。結果表明，采用THNi317焊條所獲得的焊接接頭組織主要為奧氏體和少量δ鐵素體。基層焊縫熔合線處無明顯合金元素稀釋，同時未形成脫碳層。焊接接頭力學性能良好，無缺陷，平均抗拉強度為519 MPa，焊縫、熔合線與熱影響區的沖擊功分別為77 J、116 J、69 J，焊道硬度均低于350 HV10，滿足性能要求。

Q345R/316L復合板；顯微組織；元素分布；力學性能

0 前言

雙金屬復合板是基層金屬與復層金屬通過機械或者冶金方法結合在一起，耐蝕性能和力學性能優良，在石油、化工、食品生產等領域具有廣闊的應用前景[1-2]。碳鋼/不銹鋼復合板由于其材料的特殊性，焊接過程中既要防止基層Cr、Ni等合金元素的增加而生成脆硬組織，產生裂紋，降低力學性能，又要避免復層焊縫中C元素的增加導致其耐蝕性能降低[3-6]。此外，由于異種金屬熱膨脹系數、導熱系數的差異，焊接接頭易產生應力和變形[7]。復合板/管的焊接一直是國內外學者研究的熱點，但至今未形成成熟的焊接工藝。

王鳳會等人研究了Q345R/316L復合板雙面焊接工藝及焊接接頭性能，發現采用不對稱的X型坡口可以明顯改善焊后變形，焊接接頭的力學性能和耐晶間腐蝕性能良好[8]。王斌等人的研究表明，焊縫中生成魏氏體組織是降低Q345/N08825雙金屬復合板雙面焊焊接接頭低溫沖擊性能的主要原因[9]。但是在許多現場施工條件下，受限于操作空間或者為提高施工效率，只能采取單面焊接，但又需保證焊接接頭的強度和耐蝕性。因此，本研究采用單面V型坡口和THNi317焊材，研究Q345R/316L復合板焊接接頭顯微組織、元素擴散和力學性能。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料及焊接工藝

選用13 mm+3 mm厚Q345R碳鋼+316L不銹鋼的熱軋復合板，試板尺寸600mm×200mm×16mm。Q345R和316L不銹鋼的主要化學成分見表1，Q345R組織為鐵素體和珠光體，316L不銹鋼為奧氏體組織。為防止焊后變形，焊前預留向不銹鋼側約3.5°變形，坡口形式如圖1所示。采用多層多道焊接工藝，氬弧焊打底，焊材使用背面自保護的TGF-316L氬弧焊絲，其他焊道采用焊條電弧焊。為保證焊接接頭力學性能（主要是提高耐沖擊性能），使用THNi317鎳基焊條，層間溫度低于100℃，嚴格控制熱輸入為10～15kJ/cm，以防止大熱輸入造成Cr、Ni、Mo等合金元素稀釋與C元素擴散。焊材主要化學成分見表2。

表1 復合板Q345R碳鋼和316L不銹鋼的主要化學成分 %

圖1 坡口形式

表2 試驗中熔敷金屬的主要化學成分 %

1.2 試驗設備

焊后取尺寸40 mm×15mm×16mm焊接接頭試樣，利用FeCl3金相腐蝕液進行腐蝕，使用激光共聚焦顯微鏡觀察焊接接頭焊縫和熔合線組織，利用JXA-8230型電子探針分析基層焊縫熔合線兩側的化學成分變化。根據國標GB/T 228.1-2010、GB/T 2653-2008、GB/T19748-2005、GB/T4340-2009，利用Zwick/Roell Z1200電液伺服材料試驗機、彎曲試驗機、沖擊試驗機和維氏硬度計，分別檢測焊接接頭試樣的拉伸、彎曲、沖擊和硬度等性能。

2 試驗結果與分析

2.1 焊接接頭組織分析

焊接接頭宏觀形貌如圖2所示，焊接接頭坡口形狀規則，熔合界面良好，熱影響區較窄，有利于焊接接頭的力學性能，未出現未熔合、未焊透、宏觀裂紋等缺陷。

圖2 焊接接頭宏觀形貌

焊接接頭打底焊道、打底焊道與鎳基焊道間的熔合線、鎳基焊道、碳鋼側焊道熔合線的金相組織如圖3所示。由圖3可知，打底焊道和鎳基焊道組織主要為奧氏體和少量δ鐵素體，其中打底焊道中鐵素體含量較高，呈骨架狀；鎳基焊道中鐵素體含量較少，呈點狀和短棒狀，鐵素體分布均勻，有利于提高焊縫的強度和韌性。打底焊道與鎳基焊道熔合線兩側組織與焊道本身組織基本一致，且熔合線附近未出現脆硬的馬氏體組織，有利于保證焊接接頭的韌性，防止裂紋在焊縫間熔合線處形成和擴展，引起脆斷，這主要是由于第2焊道采用較低的熱輸入，降低了合金元素稀釋，并且防止了Q345R中C元素擴散到焊道中。碳鋼側焊道熔合線比較平滑，其兩側組織均勻，其中Q345R側組織為鐵素體和珠光體，較母材原始組織細小，且珠光體含量降低，主要原因是焊接過程造成一定量的C元素燒損，鎳基焊道側組織無明顯變化。熔合線附近未出現明顯的脫碳層，同時未生成脆硬馬氏體或者魏氏體組織，說明試驗中控制熱輸入有效地防止了碳元素擴散和合金元素稀釋，保證了焊接接頭的強度和韌性。

2.2 化學成分分析

圖3 焊接接頭金相組織

沿著圖1中箭頭方向對基層熔合線兩側的C、Fe、Cr、Ni和Mo元素的分布進行線掃描分析，結果如圖4所示。由圖4可知，熔合線兩側的Cr、Ni和Mo元素在熔合線處發生陡升，基層Q345R中含有非常少量的Cr、Ni和Mo元素，而熔敷金屬THNi317中合金元素含量較高，說明在焊接熱循環作用下并未在熔合線附近發生明顯的合金元素稀釋，焊縫金屬中的合金元素未稀釋到碳鋼金屬中，有效地避免熔合線附近生成脆硬的馬氏體組織或者魏氏體組織，與圖3中熔合線的金相圖相吻合。從碳鋼基層到鎳基焊縫C元素分布無明顯差異，說明C元素在熔合線附近出現部分擴散。掃描曲線中出現的幾個高碳峰，可能是C與Cr形成的金屬化合物，該化合物可以降低C的活度，阻止C元素進一步向焊縫擴散。

2.3 焊接接頭力學性能分析

復合板焊接接頭拉伸、彎曲和沖擊試驗結果如表3所示。拉伸試樣寬25 mm，去余高，平均抗拉強度519 MPa，兩組試樣均在距離焊縫較遠的母材處斷裂，說明焊縫的抗拉強度高于母材，而且拉伸之后復合板基材Q345R與復層316L不銹鋼未出現分層現象，表明復合板基材與復材冶金結合良好。復合板焊接接頭試樣180°正彎和背彎試驗均合格，未出現明顯裂紋。沖擊試驗采用10 mm×10 mm× 55 mm標準的夏比V型缺口試樣，分別測試焊縫、熔合線和熱影響區在0℃下的沖擊功。焊縫、熔合線與熱影響區的沖擊功分別為77 J、116 J、69 J，均大于34 J，滿足使用性能要求。熔合線處沖擊功最高，主要是由于熔合線兩側組織較細，有利于提高沖擊韌性，而熱影響區由于組織較粗大，沖擊功最低。總之，復合板焊接接頭的拉伸、彎曲和沖擊性能均能夠滿足性能要求。

復合板焊接接頭各焊道硬度分布如圖5所示，各焊道的平均硬度為170～230 HV10，均低于350HV10，

表3 復合板焊接接頭力學性能

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Properties of Ni-base welding joint of Q345R/316L clad plate

ZHANG Xiazhou，WANG Fenghui，CHEN Yanqing，ZHANG Xi，LIU Hong，YANG Jianwei
（Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100043，China）

Q345R/316L clad plate was welded through TIG and SMAW.Microstructure，main alloying elements distribution and mechanical properties were analyzed and investigated by optical microscope（OM），EMPA and mechanics apparatus.The results showed that microstructure of the THNi317 welding joint was austenite and a small amount of δ-ferrite.The chemical composition did not dilute apparently，and decarburized layer did not generate near the weld interface of base weld.The tensile strength of the welding joint was up to 519 MPa，the impact energy of welding joint，weld interface and HAZ were 77 J，116 J and 69 J.The hardness of welding joint was not higher than 350 HV10.The defect free joint was produced and performed well，could meet the requirements of the relevant technical standards.

Q345R/316L clad plate；microstructure；element distribution；mechanical properties

TG457.19

A

1001－2303（2017）08－0081-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.15

2017-01-18；

2017-02-03

張俠洲（1991—），男，碩士，主要從事金屬材料焊接及腐蝕機理的研究工作。E-mail：xiazhou2014@ 163.com。

本文參考文獻引用格式：張俠洲，王鳳會，陳延清，等. Q345R/316L復合板鎳基焊接接頭性能[J].電焊機，2017，47（08）：81-83+113.