熱輸入對(duì)T4003/Q450NQR1異種鋼焊接接頭組織及性能的影響

李蘇珊， 李連勝， 馬青軍2， 趙明劍， 趙清宇

(1. 哈爾濱焊接研究院有限公司，哈爾濱 150028；2.天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，天津 300192)

0 前言

隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，核電、化工、航空航天、鐵路車(chē)輛、海洋與鋼結(jié)構(gòu)等工作環(huán)境對(duì)金屬材料的韌性、強(qiáng)度和耐蝕性提出了越來(lái)越苛刻的要求。同種金屬材料的連接已經(jīng)很難滿足現(xiàn)在復(fù)雜的工況條件。因此，異種金屬之間的焊接工藝性能及焊接接頭的綜合力學(xué)性能研究是目前的研究熱點(diǎn)之一[1]。

T4003鐵素體不銹鋼作為貨車(chē)車(chē)體材料廣泛應(yīng)用于我國(guó)軌道交通運(yùn)輸行業(yè)[2]，它具有良好的耐銹性和耐腐蝕性，但焊接時(shí)存在晶粒長(zhǎng)大敏感性，過(guò)熱區(qū)晶粒急劇長(zhǎng)大會(huì)引起接頭脆化，塑韌性降低等問(wèn)題[3-4]；Q450NQR1耐候鋼為Cu-Cr-Ni系，通過(guò)合理配置C,Si,Mn等元素含量，添加少量Nb,Ti微合金元素，利用控軋控冷細(xì)化晶粒，可以獲得較為優(yōu)異的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

文中對(duì)T4003鐵素體不銹鋼和Q450NQR1耐候鋼異種鋼采用不同熱輸入進(jìn)行MAG焊接，分析了焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能，探討了熱輸入對(duì)異種鋼焊接接頭的粗晶組織和性能脆化的影響規(guī)律，以期實(shí)現(xiàn)T4003鐵素體不銹鋼與Q450NQR1耐候鋼異種鋼優(yōu)質(zhì)連接，為其在工程實(shí)際中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)用材料

試驗(yàn)用鐵素體不銹鋼T4003板材與耐候鋼Q450NQR1板材厚度均為6 mm。焊接材料選用直徑為1.2 mm的奧氏體不銹鋼焊絲ER309LSi-G。母材和焊絲的化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1和表2。母材的微觀金相組織如圖1所示，其中圖1a為T(mén)4003鐵素體不銹鋼板材微觀組織形貌，組織為鐵素體；圖1b為耐候鋼Q450NQR1板材微觀組織形貌，組織為鐵素體+珠光體。

表1 試驗(yàn)用母材和焊材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 試驗(yàn)用母材和焊材力學(xué)性能

圖1 母材微觀金相組織

1.2 試驗(yàn)用方法

試驗(yàn)采用MAG焊工藝方法，對(duì)接焊試板尺寸為400 mm×150 mm×6 mm，對(duì)接焊試板加工60°V形坡口，根部間隙為0.8 ～1.2 mm，示意圖如圖2所示。焊接時(shí)采用的工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

圖2 對(duì)接試板坡口尺寸示意圖

焊后對(duì)焊接接頭進(jìn)行解剖，焊接接頭性能試樣尺寸、取樣方法和試驗(yàn)方法參照GB/T 25774.2—2016《鋼的單面單道焊和雙面單道焊焊接接頭力學(xué)性能試樣的制備及檢驗(yàn)方法》、GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》、GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》、GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》及相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行。

表3 對(duì)接接頭焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 接頭微觀組織

熱輸入0.62 kJ/mm的T4003不銹鋼與Q450NQR1耐候鋼焊接接頭微觀金相組織如圖3所示，焊縫組織為奧氏體+鐵素體；T4003側(cè)過(guò)熱區(qū)組織為馬氏體+鐵素體，晶粒度約為3級(jí)，正火區(qū)組織為馬氏體+鐵素體+極少量δ鐵素體，不完全正火區(qū)組織為鐵素體+極少量δ鐵素體；Q450NQR1側(cè)過(guò)熱區(qū)組織為粒狀貝氏體，晶粒度約為4級(jí)，正火區(qū)組織為貝氏體+鐵素體，不完全正火區(qū)組織為鐵素體+少量珠光體。

圖3 熱輸入為0.62 kJ/mm T4003不銹鋼與Q450NQR1耐候鋼焊接接頭微觀金相組織

熱輸入0.82 kJ/mm的T4003不銹鋼與Q450NQR1耐候鋼焊接接頭微觀金相組織如圖4所示，焊縫組織為奧氏體+δ鐵素體；T4003側(cè)過(guò)熱區(qū)組織為馬氏體+鐵素體，晶粒度約為2級(jí)，正火區(qū)組織為馬氏體+鐵素體+極少量δ鐵素體，不完全正火區(qū)組織為鐵素體+極少量δ鐵素體；Q450NQR1側(cè)過(guò)熱區(qū)組織為粒狀貝氏體，晶粒度約為3.5級(jí)，正火區(qū)組織為貝氏體+鐵素體，不完全正火區(qū)組織為鐵素體+少量珠光體。

從上述兩組熱輸入下的組織分布可以看出：焊縫中心組織均由奧氏體與δ鐵素體組成，隨著焊接熱輸入的增加，焊縫的峰值溫度增加，焊縫的停留及冷卻時(shí)間將延長(zhǎng)，從而晶粒尺寸也逐漸增大。熱輸入為0.82 kJ/mm的T4003不銹鋼側(cè)過(guò)熱區(qū)明顯存在一個(gè)較大的鐵素體粗晶粒區(qū)，晶粒不僅粗大，而且呈等軸狀分布，而耐候鋼側(cè)過(guò)熱區(qū)為貝氏體組織，晶粒要比T4003側(cè)細(xì)小很多，但均比熱輸入為0.62 kJ/mm的不銹鋼側(cè)過(guò)熱區(qū)和耐候鋼側(cè)過(guò)熱區(qū)粗大一些；從兩組熱輸入的T4003側(cè)熔合區(qū)微觀金相也可以發(fā)現(xiàn)，熱輸入為0.62 kJ/mm的T4003側(cè)熔合線明顯比0.82 kJ/mm的T4003側(cè)熔合線窄，這也直接說(shuō)明熱輸入為0.62 kJ/mm的焊接接頭性能更好。

2.2 接頭低溫沖擊韌性

T4003不銹鋼與Q450NQR1耐候鋼焊接接頭半試樣低溫沖擊缺口位置示意圖如圖5所示，以熔合線為原點(diǎn)向母材方向?yàn)椤?”，向焊縫方向?yàn)椤?”，t=+0.5 mm，t′=-0.5 mm。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，試驗(yàn)結(jié)果表明：Q450NQR1耐候鋼側(cè)和焊縫具有較好的的沖擊韌性。熱輸入對(duì)T4003鋼側(cè)熱影區(qū)沖擊韌性有較大的影響，熱輸入在0.62 kJ/mm時(shí)，-40 ℃沖擊韌性較好，平均值在20 J以上，熱輸入在0.82 kJ/mm時(shí)，沖擊韌性有所下降。在焊縫中心組織中，γ-固溶體能夠抑制δ鐵素體相中的裂紋擴(kuò)展，且C,N原子在奧氏體中具有較高溶解度，與T4003單相鐵素體不銹鋼相比，從高溫冷卻到室溫的過(guò)程中，降低了晶界脆化傾向，從而提高了焊縫區(qū)的塑性。

圖4 熱輸入為0.82 kJ/mm T4003不銹鋼與Q450NQR1耐候鋼焊接接頭微觀金相組織

圖5 對(duì)接接頭系列沖擊試驗(yàn)試樣缺口位置示意圖

2.3 接頭抗拉強(qiáng)度

接頭抗拉強(qiáng)度見(jiàn)表5，從表中得知，焊接接頭拉伸試樣均斷于T4003不銹鋼側(cè)，Q450NQR1耐候鋼和焊縫組織的抗拉強(qiáng)度均高于T4003不銹鋼，Q450NQR1耐候鋼母材的鐵素體和珠光體均為沿軋制方向呈等軸狀分布，而在焊縫和熱影響區(qū)中，奧氏體和鐵素體交錯(cuò)、方向各異，這種分布方式使得焊縫組織和Q450NQR1耐候鋼側(cè)熔合區(qū)的晶界數(shù)量增加，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而接頭的強(qiáng)度又有了進(jìn)一步提升。由于高熱輸入容易嚴(yán)重?zé)龘pT4003側(cè)熔合區(qū)組織中的Cr,Ni，減少其重熔幾率，阻礙其置換出母材金屬晶格中的Fe原子，擾亂晶格排列，使得晶格產(chǎn)生畸變量減少，減弱了其阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力，從而使得熱輸入較小的焊接接頭具有較大的拉伸數(shù)值。

表4 T4003+Q450NQR1異種鋼焊接接頭半試樣沖擊試驗(yàn)結(jié)果 -40 ℃

表5 T4003+Q450NQR1異種鋼焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.4 接頭硬度

T4003不銹鋼與Q450NQR1耐候鋼焊接接頭HV5硬度試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，試驗(yàn)結(jié)果表明兩種熱輸入的焊接接頭在熔合線附近的粗晶區(qū)硬度值均有下降趨勢(shì)，這是鐵素體晶粒粗化所致，中間區(qū)域的焊縫組織硬度最低，這是因?yàn)閵W氏體在焊縫組織中的存在。從過(guò)熱區(qū)到焊縫中心，兩種熱輸入的焊接接頭硬度分布基本遵循由高到低的分布規(guī)律。

圖6 T4003不銹鋼與Q450NQR1耐候鋼焊接接頭HV5硬度試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

(1)隨著焊接熱輸入的增加，焊縫在經(jīng)歷焊接熱循環(huán)時(shí)的峰值溫度升高，高溫停留時(shí)間及焊縫冷卻時(shí)間都將延長(zhǎng)，導(dǎo)致晶粒粗大且熔合線較寬，因此，在合適的焊接工藝參數(shù)范圍內(nèi)，盡量采用較小的焊接熱輸入以保證焊縫晶粒度。

(2)焊接熱輸入對(duì)T4003焊接HAZ組織和性能有較大影響。較大熱輸入下HAZ粗晶區(qū)晶粒粗大，硬度提高，沖擊韌性下降，并且HAZ韌性低值區(qū)域范圍增大。因此，在實(shí)際焊接生產(chǎn)中應(yīng)注意嚴(yán)格控制焊接熱輸入。

(3)高焊接熱輸入容易嚴(yán)重?zé)龘p熔合區(qū)組織中的Cr、Ni，減少其重熔幾率，阻礙其置換出母材金屬晶格中的Fe原子，擾亂晶格排列，使得晶格產(chǎn)生畸變量減少，減弱了其阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力，從而使得熱輸入較小的焊接接頭具有較大的拉伸數(shù)值。