等離子弧焊Q345B和430不銹鋼異種接頭的微觀組織與性能

孫連北， 魏坤霞， 孟濤， 張堯成， 魏偉

(1.常州大學，江蘇省材料表面科學與技術重點實驗室，石油和化工行業裝備表面工程與新材料重點實驗室，江蘇 常州 213164；2.常熟理工學院, 江蘇省機電產品循環利用技術重點建設實驗室，江蘇 常熟 215500)

0 前言

異種鋼由于化學成分、組織和物理性能的差異，以及焊接過程中的不均勻加熱與焊接熱輸入的影響，易在焊接接頭處產生微偏析及高應力現象，進而影響接頭組織與性能[1-4]。目前，國內外針對低合金鋼與不銹鋼焊接方法有過諸多研究。王超冉等人[5]采用電子束焊對接06Cr13Al鐵素體不銹鋼(FSS)和16Mn低合金鋼，焊縫顯微組織主要為板條馬氏體；16Mn鋼HAZ(熱影響區)組織為羽毛狀的上貝氏體和針狀鐵素體，06Cr13Al側HAZ主要由粗大的鐵素體和馬氏體組成；焊縫區的顯微硬度明顯高于母材。王曉軍等人[6]采用K-TIG焊接方法對Q345/316L異種鋼進行焊接試驗，結果表明：焊縫兩側組織分別為奧氏體加骨骼狀鐵素體和板條馬氏體，焊縫顯微硬度明顯高于兩側熱影響區及母材。由于Q345側熔合區產生魏氏組織，且過熱區晶粒粗大，拉伸斷裂位置均發生在Q345側母材。Torkamany等人[7]采用激光焊對接0.8 mm厚的低碳鋼和304L奧氏體不銹鋼，結果表明：焊縫組織由奧氏體、馬氏體及鐵素體組成，且焊縫平均硬度由于馬氏體的形成遠高于母材的硬度。焊接接頭承受載荷能力隨激光功率增加而增加。

等離子弧焊(PAW)是利用等離子弧高能量密度束流作為焊接熱源的一種熔焊方法[8-9]。其具有能量密度高、焊接速度快、應力應變小、焊縫成形美觀等優點。然而，在PAW焊接過程中，小孔對工藝參數的變化比較敏感，小孔穩定性差，等離子弧焊接過程不穩定[10-11]。為了得到熱輸入與焊接接頭綜合性能的對應關系，該試驗采取等離子弧焊方法對Q345B低合金鋼與430鐵素體不銹鋼進行焊接，并對其焊接接頭的微觀組織、力學性能和電化學腐蝕性能進行了分析。

1 試驗材料和方法

試驗選用的材料為3 mm等厚的Q345B低合金鋼和430鐵素體不銹鋼，其化學成分見表1。Q345B鋼組織為鐵素體及珠光體，430鋼組織為鐵素體和碳化物。采用PTA-400E2-ST-3型等離子弧焊接機對Q345B和430不銹鋼進行對接焊，焊接前對焊接處表面進行機械清理并用酒精清洗吹干后備用。等離子弧焊接的轉弧電流為90～120 A，焊接速度為200 mm/min，保護氣流量為10 L/min，離子氣流量為17 L/min，衰減流量為0.6 L/min，焊槍鎢棒與母材表面距離為13 mm。

表1 Q345B鋼與430鋼的化學成分(質量分數，%)

從焊接接頭上取金相試樣，研磨拋光后用稀王水(HCl∶HNO3=3∶1)腐蝕，采用OLYMPUS GX51型金相顯微鏡對其橫截面各區域組織進行觀察。采用HV-1000型維氏硬度計對接頭硬度分布進行測量，加載載荷98.7 N，保載時間15 s。采用UTM5305型電子萬能拉伸試驗機對焊縫的力學性能進行測試，試樣尺寸50 mm×20 mm×3 mm，每組焊縫測試3次取平均值，試驗根據GB/T 228—2010 《金屬材料拉伸試驗：室溫試驗方法》進行。采用RST型電化學工作站對異種鋼焊接接頭耐腐蝕性能進行測試，試樣尺寸為10 mm×5 mm×3 mm，腐蝕介質為質量分數3.5%的NaCl溶液，試驗過程參考GB/T 24196—2009 《金屬和合金的腐蝕電化學試驗方法》進行。

2 試驗結果和分析

2.1 接頭微觀組織

圖1為轉弧電流100 A時Q345B/430異種鋼接頭各區域微觀組織。由圖1可知，100 A條件下的Q345B/430異種鋼接頭焊縫處晶粒細小，組織為均勻分布的針狀鐵素體和馬氏體。焊縫中溶解形成的碳化鉻有效的抑制了高溫下奧氏體晶粒的長大，在快速冷卻的條件下得到了細小均勻的焊縫組織。溶入焊縫的鐵素體轉變為奧氏體是一個緩慢的過程，而等離子弧焊非平衡過程的冷卻速度很快，導致δ-γ轉變不完全，保留下來的δ鐵素體晶核最終形成了針狀δ鐵素體[12]。同時奧氏體在快速冷卻的條件下轉變為馬氏體。Q345B側HAZ組織為針狀鐵素體F與珠光體P及少量的上貝氏體Bu。在冷卻過程中，Q345B鋼粗晶區中部分過冷的奧氏體轉變為貝氏體，滲碳體分布在鐵素體之間。此外，等離子弧焊接過程中較高熱輸入導致Q345B側HAZ晶粒發生明顯粗化。430HAZ組織為鐵素體和碳化物顆粒。Cr是縮小奧氏體區的元素，430中高含量的Cr使奧氏體區封閉，且遠離焊縫的430低溫熱影響區未受熔池碳擴散影響，該區域組織只發生粗化。

圖1 轉弧電流100 A時Q345B/430接頭微觀組織

當轉弧電流增大到120 A時(圖2)，焊縫組織轉變為較粗大的板條狀馬氏體與鐵素體。這是因為隨轉弧電流的增加熱輸入增加，焊縫在高溫下停留的時間變長，焊縫中的奧氏體和鐵素體長大速度快，因此焊縫組織相較于100 A發生粗化。同時，兩側熱影響區組織也都發生了一定程度的粗化，且Q345B側HAZ組織中出現大量鐵素體魏氏組織W。這是因為隨著熱輸入的增加，大量先共析鐵素體從奧氏體晶界沿奧氏體一定晶面往晶內生長，呈針片狀析出，形成魏氏組織[13]。

圖2 轉弧電流120 A時Q345B/430接頭微觀組織

2.2 接頭硬度分布

圖3為等離子弧焊Q345B/430異種鋼焊接接頭硬度分布，焊接接頭的硬度值從430母材—430側HAZ—焊縫區—Q345側BHAZ—Q345B母材大致呈先增大后減小的趨勢，且焊縫的硬度明顯高于母材金屬。這是由于熱影響區至焊縫區域受焊接影響最大，焊接過程中快速冷卻及合金元素混合不均勻，導致焊縫生成板條馬氏體組織，提高了焊縫的硬度。在430側HAZ中，鐵素體不銹鋼在較高熱輸入條件下發生晶粒粗化從而發生了軟化，硬度從焊縫到母材驟減。Q345B側靠近焊縫處由于馬氏體的存在具有更高的硬度，距離熔合線越遠，熱影響區中會出現鐵素體和珠光體，并且硬度逐漸接近母材。

圖3 異種鋼焊接接頭硬度分布

430鐵素體不銹鋼中大量的Cr在等離子弧熱源下溶解在焊縫中，增加了焊縫的淬透性的同時，也導致焊縫中的馬氏體存在過大的飽和度，因而出現焊縫硬度遠高于母材硬度的情況。不同轉弧電流下的焊接接頭加熱和冷卻方式一致，且接頭各區域相組成一致，因而具有相同的硬度分布趨勢變化。

2.3 接頭拉伸性能

圖4為等離子弧焊Q345B/430異種鋼接頭及兩種母材的抗拉強度。當轉弧電流為90～120 A時，Q345B/430異種鋼接頭抗拉強度(397～427 MPa)與430母材相當，由于焊縫中碳含量較低，強碳化物形成元素Cr，Mo優先與碳結合，形成難溶于奧氏體的碳化物阻止奧氏體晶粒長大，從而細化晶粒并提高焊縫的強度[14]。此外，由于Q345B/430異種鋼導熱系數和熱膨脹系數的差異，使得晶格畸變增大，晶內出現晶格缺陷密度很高的位錯亞結構，阻礙位錯運動，使焊縫中的馬氏體發生相變強化[15]，同樣提高了焊接接頭的強度。當轉弧電流為100 A時，焊縫處組織為細小均勻的針狀鐵素體和馬氏體，相較于其他條件下接頭的焊縫有更多的相界面抑制位錯運動，故焊縫表現出相對優異的抗拉強度。

圖4 異種鋼焊接接頭及母材的抗拉強度

不同轉弧電流下焊接接頭均在靠近焊縫的430側母材區斷裂， 430側HAZ中的組織較為粗大，在拉伸應力作用下裂紋優先在此處產生，隨應力的增加，裂紋進一步擴展并最終斷裂。結合接頭微觀組織可知，不同轉弧電流條件下430側熱影響區的組織粗化程度相差不大，故表現出較為相近的抗拉強度。焊縫中的馬氏體保證了焊縫區的高硬度，所以Q345B側的硬度低于焊縫區，而430側HAZ的組織粗化使異種鋼接頭的抗拉強度均低于Q345B母材強度。

2.4 接頭電化學腐蝕性

將等離子弧焊Q345B/430異種鋼焊接接頭置于NaCl電解質溶液中，通過電極反應發生腐蝕，由電極之間的電勢差與電流密度可繪制其Tafel極化曲線，如圖5所示。由圖可知，各焊接電流下焊縫的自腐蝕電位由高至低為90 A, 100 A, 110 A, 120 A。一般來說，金屬的自腐蝕電位越低，金屬的耐腐蝕性就越差[16]，故焊接接頭耐腐蝕性能與轉弧電流呈負相關趨勢。焊接接頭在NaCl電解液中的電極反應方程式為: (+)O2+2H2O+4e-→4OH-, (-)2Fe-4e-→2Fe2+。Cl-離子可穿透接頭中馬氏體表面形成的鈍化膜內細小孔隙，并與基體之間發生腐蝕[17]。隨焊接接頭在腐蝕溶液中浸泡時間的延長，接頭的點蝕程度先不斷增加，并隨浸泡時間的進一步延長緩慢減弱。

圖5 異種鋼焊接接頭耐腐蝕極化曲線

接頭的自腐蝕電位隨轉弧電流的增加而減小，這是因為隨著轉弧電流的增大，高溫停留時間變長，晶粒發生粗化，且在冷卻過程中加快了碳化鉻在晶界的析出，碳化鉻在腐蝕時可以作為陰極，與基體構成微腐蝕電偶，降低晶界抗腐蝕性。此外，當轉弧電流為120 A時，Q345B側HAZ的晶界遭到破壞，同樣加快了腐蝕速率。

3 結論

(1)等離子弧焊Q345B/430異種鋼接頭的焊縫組織隨轉弧電流變化而變化，當轉弧電流為100 A時，焊縫為細小均勻的針狀鐵素體及馬氏體，均勻分布，其組織性能最佳。隨著電流的增大，焊縫組織發生粗化。兩側熱影響區組織在等離子弧較高的熱輸入下發生了一定程度的粗化，Q345B側熱影響區出現魏氏組織。

(2)不同電流下的異種鋼接頭的顯微硬度分布的總體變化趨勢一致。焊縫處由于存在較多馬氏體因而呈現較高硬度。不同轉弧電流下，異種鋼接頭抗拉強度(397～428 MPa)與430母材相當，且拉伸試樣均斷裂在靠近焊縫的430母材側，電流為100 A時接頭抗拉性能相對最佳,達到427 MPa。

(3)不同電流條件下焊接接頭耐腐蝕性能與轉弧電流呈負相關趨勢。轉弧電流為90 A時，焊接接頭耐腐蝕性能最佳。