列車用大厚度16MnR-0Cr18Ni9 復合鋼板過渡層焊接組織及性能研究

許曉航 郭會生 王凡

摘要：復合鋼板具有優(yōu)良的機械性能及耐腐蝕性能，在鐵路行業(yè)得到廣泛應用。但是由于復合鋼板基層和復層材料不同，如果直接焊接將出現(xiàn)各種問題，故在基層和復層之間增加一個焊接過渡層。因此，復合鋼板的過渡層成為焊接接頭的關鍵部位。對采用常規(guī)工藝焊接的大厚度16MnR-0Cr18Ni9復合鋼板的焊后過渡層組織和性能進行分析，從而對此工藝進行評估。

關鍵詞：復合鋼板;過渡層;組織;性能

0? ? 前言

近年來隨著鐵路工業(yè)的發(fā)展，對列車部件耐腐蝕性要求日益提高，復合鋼板得到了廣泛應用，要求也越來越高。在復合鋼板部件制造過程中，最難控制的焊接技術是過渡層的焊接。在以前的相關資料中，焊接工藝評定只是通過性能試驗驗證焊接接頭力學性能的方法來評估焊縫，但對產生各種缺陷的原因卻未能給出合理的解釋。文中從力學性能和微觀金相角度出發(fā)，分析焊縫的組織形態(tài)及其性能特點，從根源上對其產生的各種性能進行解釋，從而驗證焊接工藝是否達到要求。

1 試驗材料和方法

根據(jù)焊接設備能力和具體板厚，將28 mm+4 mm 16MnR+0Cr18Ni9的復合鋼材對接。基層16MnR焊接時，定位焊選用J507焊條，埋弧焊選用H10Mn2焊絲+J431焊劑;過渡層為保證抗裂性能和力學性能，選用A302焊條;復層為保證化學成分，采用A102焊條，其焊接順序為：用J507定位后，先焊基層，再焊過渡層，最后焊復層。焊前預熱，焊后檢驗。坡口形式如圖1所示，焊接參數(shù)如表1所示。

2 試驗結果及金相分析

截取尺寸為24 mm×20 mm×25 mm的焊接接頭，再切成3個大小均等的樣品，包括焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和部分母材金屬區(qū)，將3個試樣分別在200倍、500倍下拍攝復合鋼板基層、復層和過渡層的金相照片，基層焊縫的金相照片如圖2所示，其焊縫組織為F+細P，因為之后焊接了過渡層，基層焊縫經歷了熱處理，所以總體組織較細，沒有出現(xiàn)粗大組織[2]。由于含碳量低，F(xiàn)較P要多，在焊縫有一定強度的基礎上保證了良好的塑性，從金相照片上來看，未出現(xiàn)類似于馬氏體等脆硬組織。

復層不銹鋼0Cr18Ni9的焊縫組織如圖3所示，呈明顯的胞狀樹枝晶組織形態(tài)，根據(jù)舍夫勒組織圖分析并參照圖3可知，焊縫組織為A+沿柱狀分布的F，同樣未發(fā)現(xiàn)類似馬氏體的脆硬組織。0Cr18Ni9母材的原始組織是A+少量F，與焊縫接近，可知焊縫性能與母材相差不大[2]。

對于復合鋼板，最關鍵的是過渡層組織，16MnR+0Cr18Ni9復合鋼板過渡層的金相照片如圖4所示。根據(jù)舍夫勒組織圖和圖4分析其組織為A+樹枝狀F[5]，但是由于過渡層上堆焊了A102不銹鋼焊條，對其有熱處理作用，組織發(fā)生再結晶，在原基礎上出現(xiàn)大量羽毛狀的上貝氏體，并且其條間的碳化物發(fā)生聚集長大和球化。從復層到基層，上貝氏體的數(shù)量由多到少變化，并且由于出現(xiàn)了組織的遺傳現(xiàn)象，原來的A柱狀晶+樹枝狀F晶界依稀可見，晶粒也稍顯粗大，整體性能較原始的A+樹枝狀F組織性能稍有降低[3-4]。

過渡層與基層和復層的熔合區(qū)是成分、組織較為復雜的部位，由于與過渡層相連的復層和基層的焊縫組織成分有較大差別，熔合區(qū)組織可能會出現(xiàn)一些新相，特別是馬氏體脆性層，可能會造成焊縫總體性能的下降，引起脆斷，所以需要詳細分析。

（1）過渡層與復層的熔合區(qū)組織。

過渡層與復層的熔合區(qū)微觀組織如圖5所示，復層和過渡層都采用奧氏體不銹鋼焊條進行焊接，兩者成分接近，但是過渡層與復層接近的原始A+樹枝F組織受焊后熱處理的影響轉變?yōu)樯县愂象w，復層組織為A+樹枝狀F，熔合區(qū)未出現(xiàn)第三相，并且通過金相顯微鏡檢查熔合區(qū)未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋等重大缺陷。

（2）過渡層與基層的熔合區(qū)組織。

過渡層與基層的熔合區(qū)金相組織如圖6所示。基層組織為F+細P，過渡層組織為A+F，并且成分相差較大，此時熔合區(qū)合金成分被稀釋，導致焊縫中奧氏體形成元素含量不足，焊縫可能出現(xiàn)馬氏體淬硬組織[5]，從而降低整個焊接接頭的性能，經分析有兩個因素會造成焊縫性能的下降：

（1）基層焊縫金屬的熔入，使熔合區(qū)的合金成分被沖淡，對焊縫有稀釋作用，焊縫中奧氏體形成元素鉻、鎳含量降低，焊縫容易出現(xiàn)馬氏體組織，從而使焊接接頭韌性降低。當然基層金屬對焊縫的稀釋程度取決于母材的熔入量，即熔合比，熔合比越大，稀釋程度越高，產生馬氏體組織的可能性就越大[6]。

（2）熔合區(qū)本身成分比較復雜，再加上焊縫的攪拌作用，各種合金元素的稀釋與焊縫的碳遷移同時進行，成分分布也極不均勻，從而造成組織分布不均勻，也增加了出現(xiàn)馬氏體的可能性。

因此，在焊接過渡層時采用Cr和Ni含量高的焊條 A302進行焊接[7]，以保證熔合區(qū)有足夠的Cr、Ni含量，而且Ni是奧氏體形成元素，可以克服母材的稀釋作用，并有利于防止熔合區(qū)內的碳遷移[8]，且此處采用了小的熔合比、適當小的焊接工藝參數(shù)以減小熔合區(qū)寬度，從而有效控制馬氏體的產生[9]。參照圖6a、6b可推測熔合區(qū)未出現(xiàn)馬氏體組織。

3 硬度分析

焊縫局部硬度如圖7所示。由圖7可知，由于是多層焊，后一層對前一層焊道有熱處理作用，C元素在此區(qū)域得到充分的擴散和遷移，使過渡層近熔合區(qū)處脫碳，基層焊縫近熔合區(qū)處增碳，而熔合區(qū)硬度高的原因是因為C在此處的富集和碳化物的析出，在焊縫組織中表現(xiàn)為熔合區(qū)的硬度依次升高[10]。

熔合區(qū)硬度峰值達到407 HV（即41 HRC），過渡層組織硬度約為380 HV（即38.8 HRC），在常規(guī)貝氏體硬度范圍內（35～45 HRC）;并且基板所用H10Mn2焊條含碳量為0.09%，A302焊條含碳量小于0.15%，所以焊縫組織中碳含量小于0.15%，而當碳含量小于0.2%時，熔合區(qū)組織中即使出現(xiàn)馬氏體也只能是板條馬氏體，而板條馬氏體的硬度范圍為45～50 HRC，大于熔合區(qū)組織硬度（41 HRC），所以結合組織圖可知過渡層并未出現(xiàn)馬氏體[11]。

3 結論

（1）通過在基層和復層之間增加一個過渡層對16MnR+0Cr18Ni9復合鋼板進行焊接可行，能夠得到符合使用要求的焊縫。

（2）采用A302焊條進行過渡層焊接，其焊縫過渡層初始組織為A+樹枝狀δ鐵素體，但經多層焊后，過渡層組織中出現(xiàn)大量上貝氏體，使過渡層性能有所下降。

（3）在16MnR+0Cr18Ni9異種鋼焊接工藝中，過渡層熔合區(qū)由于焊材成分不同造成焊縫成分稀釋，其組織、成分分布和硬度皆發(fā)生變化，并且多層焊重熱作用也會像焊后熱處理或高溫長期運行一樣使熔合區(qū)產生碳擴散、脆化相析出、硬化層寬度變化和組織形態(tài)變化等。

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