2205双相不锈钢与Q235A异种接头组织性能分析

   在工程构件中，为了降低成本，节约材料，经常遇到双相不锈钢与碳钢的焊接。但由于两种材料的化学成分和组织差别很大，在焊接过程中存在着合金元素的扩散和迁移，使焊缝及邻近母材两侧的组织结构发生复杂的变化，进而对焊接接头的性能产生很大影响。鉴于双相不锈钢与Q235A异种金属在焊接过程中可能出现的特殊问题，如焊缝金属的稀释、异种钢熔合区的组织变化以及不锈钢侧焊缝的双相比例是否合适等，因此，对在不同焊接工艺条件下获得的接头进行微观组织结构分析和力学性能测试，以期保证焊接接头具有良好的性能，从而满足工程应用对其强度等性能要求。

 一、异种接头的微观组织结构分析

   1. Q235A-WM界面金相组织观察

   如图、所示，分别为在两种工艺条件下获得接头Q235A母材焊缝金属界面附近的组织形貌。由于异种钢焊接熔合区的晶体结构与焊缝金属存在较大差异，使该界面的组织形态较为复杂。从图中可看出，母材的金相组织为铁素体（F）和珠光体（P），而在靠近焊缝界面处珠光体量不断减少，直至形成单一的铁素体组织，并在靠近焊缝界面的母材上形成一层明显的脱碳层；而在焊缝熔合区一侧形成一层黑色的增碳层，这种脱碳层与增碳层统称为碳迁移过渡层。通过比较两种工艺获得接头在低倍和高倍下脱碳层和增碳层的微观形貌，发现采用GTAW打底和SMAW盖面焊获得接头的碳迁移现象不是很明显，因此采用该工艺接头的焊接质量较好。

    目前，国内外对碳钢与不锈钢异种钢焊接时过渡层的形成进行了较多研究。一般认为，由于两种金属的热导率和比热容差异较大，在焊接过程中液态金属的温度在接头熔合区、熔池边缘与焊缝中心有很大的不同。在熔池边缘靠近固态母材处，液态金属的温度较低，熔池流动性差，液态停留时间较短，受机械力的搅拌作用较弱，是一个滞流层，在该处熔化的母材与填充金属难以充分混合，并且越靠近母材，母材成分所占的比例越大，最终形成一个合金元素浓度梯度较大的过渡区。另外，由于焊缝金属和Q235A钢中的含碳量和合金元素含量不同，会引起碳元素的扩散，在靠近Q235A碳钢焊缝一侧，形成了铁素体的脱碳层而软化，在不锈钢焊缝一侧则形成了高硬度的黑色增碳层。由于增碳层和脱碳层的变形阻力不同，将引起应力集中，该部位通常是大量马氏体、碳化物、类马氏体聚集的区域，从而降低焊接接头的高温持久强度和塑性。为了减少碳迁移现象或减少碳迁移过渡层的宽度，除了应选择成分合适的焊接材料外（例如应选用含有较多强碳化物形成元素的填充材料），还应力求焊缝中存在能增大碳活度系数的元素。实践表明，焊缝金属中含有一定量的镍可较显著减少增碳层及脱碳层的宽度。

 图为Q235A母材侧热影响区的组织，从图中可看出，由于受焊接热循环的作用，热影响区内的晶粒存在不同程度的粗化现象，距离熔合线越近粗化越明显，对热影响区的塑性和强度都有较大的影响，在一定程度上降低接头的力学性能，但相比较而言，接头热影响区中的晶粒粗化现象较轻。

   2.  Q235A-WM界面合金元素线扫描分析

   异种钢焊接区域中的某些合金元素、特别是碳的扩散，导致在熔合区中形成扩散层。由于母材和焊缝金属的化学成分存在较大差异，因此焊接接头中的碳元素从碳钢母材一侧向不锈钢焊缝扩散迁移；与此同时，铬、镍元素则从焊缝向母材熔合区扩散迁移。由于碳原子半径小，能与Fe原子形成间隙固溶体，不论在 α-Fe 中还是在 γ-Fe 中碳的扩散能力都比其它合金元素大104~106倍。合金元素扩散迁移的最终结果是在熔合区靠近碳钢母材一侧形成脱碳铁素体层，而在靠近不锈钢焊缝一侧或焊缝熔合区处形成高硬度的黑色增碳层。对在两种工艺条件下所获的接头D、E按图中示意的线扫描位置进行元素线扫描，分析从焊缝金属到母材的化学成分变化情况，两种接头的分析测试结果如图所示。

   从图4.3 中可看出，Cr、Ni、Mn、Mo等合金元素的浓度在焊接熔合区发生了明显的变化，即在靠近焊缝侧极小范围内元素含量降低较小，而在靠近熔合线处突然降低，在熔合区内呈梯度变化，分析发现，Ni、Mn、Mo元素的含量在熔合区变化较小，但是Cr元素在熔合区存在一个很明显的浓度梯度。这是由于焊缝金属中的合金元素含量较高，而Q235A母材中主要含有Fe元素和C元素，这样就使焊缝金属和母材之间产生了较大的成分差，在焊接过程中，焊缝中的合金元素向熔化的母材扩散，在熔合区形成明显的浓度梯度，但远离熔合区合金元素仍然呈均匀分布，未发现有合金元素偏析现象。异种金属焊接熔合区是一个多组元体系，扩散的驱动力不仅取决于元素的浓度梯度，而且还取决于体系中的自由能变化和扩散元素的活度

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  3. 焊缝金属的金相观察及能谱分析

  图在两种工艺下获得接头焊缝金属的金相组织，其组织都是由奥氏体(γ) 和铁素体(α) 两相组成，接头D焊缝组织形态为铁素体(α)呈蠕虫状分布在奥氏体(γ) 基体上，而接头E却为奥氏体(γ) 呈树枝状分布在铁素体(α)基体上。在焊接高温条件下，焊缝金属的凝固过程是一个不平衡的冷却结晶过程。液体金属的正温度梯度较大时，液、固界面前沿将出现一个很小的成分过冷区，当成分过冷区较大时，在一个晶粒内生长出一个很长的主干，同时主干向横向排出溶质，横向也产生较大的浓度过冷区域，主干向四周伸出的二次横枝也得到很好的生长，生成的二次横枝抑制了周围其它亚晶的生长，形成了树枝状结晶。 在2205-Q235A异种接头焊缝金属中，当铁素体、奥氏体相含量各占50%时，异种接头具有最佳的力学性能和耐腐蚀性能。但是在焊接过程中，由于受热循环作用，接头组织中各相的含量会发生较大变化，为了避免在接头中形成大量的铁素体组织。

  4. 焊缝金属的物相分析

    双相不锈钢与碳钢异种金属进行熔化焊接时，由于两种材料的化学成分差异显著，在焊接过程中，碳钢中的碳元素会通过熔合线向焊缝金属一侧发生迁移，碳元素在扩散过程中易于在熔合区形成碳化物（M23C6）以及类马氏体等脆性相。同时在焊接热循环的作用下，如果工艺控制不当，双相不锈钢在焊接过程中会析出一些金属间化合物相，如铬的氮化物(Cr2N, CrN)、二次奥氏体(γ2) 、金属间相(σ相、x相、R相)等。这些相硬而脆，如在焊缝中形成将会显著降低接头的塑性、韧性；此外，还可能导致接头焊缝部位出现贫铬区而使接头的耐腐蚀性能降低。因此，有必要对获得接头的焊缝金属进行XRD相结构组成分析。

  5. 焊缝金属的透射电镜观察

   材料的力学性能与材料中的亚结构—位错有很大的联系，位错在晶体中运动的阻力除点阵阻力外，还有位错与位错之间的交互作用而产生的阻力；运动位错交截后形成的扭折和割阶，尤其是螺型位错的割阶对位错起钉扎作用，导致位错运动的阻力增加；位错与其它晶体缺陷如点缺陷、其它位错、晶界和第二相质点等发生交互作用，对位错运动均会产生阻力，导致晶体强化。采用透射电镜观察焊缝金属的微观亚结构如图所示。焊缝组织中由于晶面强烈滑移导致形成高密度位错型胞状亚结构，其转变特征可能是以晶格畸变为主的无扩散型相变，在相变过程中并不涉及到化学键的破坏，势垒较小，相变速率极快，而且相变是通过切变形式完成的，而切变又只能是通过滑移或孪生的方式来实现。图中位错在障碍物前塞积，越靠近障碍物处排列越密集，后面的位错间距则逐渐增大。当位错运动到晶界附近时，由于晶界两侧晶粒的取向不同，加之这里杂质原子较多，增大了晶界附近的滑移阻力，因此位错线在晶界处相互缠结，并塞积在晶界处形成胞状组织，杂质原子与位错的相互作用进而阻碍位错运动，从而提高了塑性变形的抗力。从图中可看出位错聚集于晶界两侧。位错在障碍物前塞积，高密度的位错缠绕等微观亚结构在一定程度上提高了接头的强度和硬度。

二、异种接头的力学性能分析

   焊接接头的力学性能是影响焊接结构使用性能的重要因素之一，由于异种金属焊接的特殊性，对接头使用性能的要求越来越引起人们的关注，因此，在焊接后需对获得接头的力学性能进行测定，以评价焊接接头的质量。对接头的力学性能进行评价，对于改进和优化焊接工艺、以获得优异的焊接接头具有重要意义。焊接接头的力学性能试验主要包括拉伸和硬度等试验，研究不同焊接工艺对接头的拉伸强度和显微硬度的影响规律，确保获得接头的力学性能能够满足实际工程结构的使用要求。

 1. 异种接头拉伸性能测试

    进行接头拉伸试验的主要目的是测定其抗拉强度，并根据相应标准或产品技术条件对焊接结构进行评定。焊接接头的横向拉伸试验按GB/T 2651-2008《焊接接头拉伸试验法》进行，其主要特点是焊接接头各区在拉伸加载时，承受相同数值的应力，拉伸中的大部分塑性变形和最后断裂都发生在接头薄弱区。拉伸试验时，每种试样均测量三次，然后取平均值，几种焊接接头的拉伸试验结果见表。

   从表中的结果可看出，两种接头的抗拉强度平均值分别为445.6MPa、440.2MPa，且拉伸试样均断裂在强度相对较低的Q235A母材一侧。因此，从获得接头的强度来看，接头的力学性能应该是合格的，能够满足工程结构对接头的强度要求，其中接头的抗拉强度最高，而接头的延伸率最好。这可能是由于在焊接过程中采用了含镍量较高的填充材料，大大降低了低碳钢母材对焊缝金属的稀释作用，减少熔合区中碳的扩散，避免了接头焊缝中的脆性相析出，有利于焊缝金属保持为合理的奥氏体和铁素体双相组织，使接头具有较高的抗裂性能。与此同时，本文中采用多层多道焊的焊接工艺，进行每一层焊接的同时又对上一层焊道起到热处理的作用，有利于细化组织晶粒，促进接头热影响区中的铁素体向奥氏体转变，在一定程度上降低接头的残余应力，从而获得满意的焊接接头。

   拍摄的接头拉伸断口扫描电镜照片如图所示，从图中可以看出，断口形貌特征为典型的等轴状韧窝断口，韧窝的数量多且分布密集，韧窝尺寸较小，其断裂机制为微孔聚集型断裂。在正应力作用下，由于滑移面上有位错堆积，在局部产生许多微小空洞，或因夹杂物与金属界面脱离而形成微小空洞，然后这些微孔不断的形核、长大，连接聚集并继续产生新的微孔；另一方面，由于局部塑性变形使夹杂物界面上首先形成的微裂纹并不扩展，在夹杂物与金属基体之间局部区域产生“内缩颈”，当缩颈的尺寸达到一定程度后被撕裂而使空洞连接，最终导致整个接头的断裂，在断口上显示的是尺寸大小不一的韧窝状结构。图中的断口形貌呈明显韧性断裂特征，说明所获得的接头质量良好，能够满足实际使用要求。

  2.异种接头显微硬度测试

   硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标，是金属材料表面在接触压力的作用下抵抗塑性变形的一种能力。硬度值是材料性能的一个重要指标，试验方法简单、迅速，不需要专门的试样，易于保持试样的完整性。由于异种钢焊接接头是由两种化学成分和性质不同的母材在一定的焊接条件下形成的焊缝，其化学成分和微观组织将发生较大变化。因此，有必要对接头界面Q235A-WM与WM-2205双相不锈钢的显微硬度分布进行测试分析，为判断焊接接头的质量提供依据。

  图为测得的在两种工艺条件下所获接头界面的显微硬度分布曲线，从图中可看出，两条硬度分布曲线的变化规律基本一致。图中焊缝金属的平均硬度要比Q235A母材和热影响区的高，而且在熔合线附近硬度值有突变，远离该区域后，硬度值均呈现平缓变化。熔合线附近硬度值存在这种突变的原因是：

     a. 由于Q235A钢中除了含Fe和C两种元素以外，其它合金元素的含量较少，焊接时焊缝金属中的合金元素向碳钢一侧扩散将造成对整个焊缝金属的稀释，会使焊缝中的奥氏体形成元素含量减少，因此，易在异种金属接头的熔合区出现马氏体、碳化物等脆性相；

    b. 由于碳元素的迁移，在Q235A碳钢一侧形成珠光体脱碳层而使接头发生软化，而在焊缝一侧形成了高硬度的黑色增碳层，使得该区的硬度值明显提高。图中2205双相不锈钢母材一侧热影响区的硬度值高于2205母材和焊缝金属的硬度，这是由于热影响区受到了复杂的热循环作用，在焊接高温条件下，组织中的奥氏体 (γ) 含量有所减少，而铁素体（α）的硬度高于奥氏体，因此硬度明显增加，最高硬度达268HV。所以，在焊接时必须适当控制线能量和冷却速率，使接头热影响区中的铁素体能够充分转变为奥氏体，使焊缝组织中两相的比例保持在合适范围内，从而获得具有良好力学性能的焊接接头。

三、总结

    浙江至德钢业有限公司对在不同工艺条件下获得的2205双相不锈钢和Q235A低碳钢异种金属焊接接头进行了系统的微观组织结构分析和力学性能测试，得到以下主要结论：

 1. 在接头Q235A-WM界面，由于焊缝金属和Q235A碳钢中含碳量和合金元素含量不同，引起碳原子的扩散，在熔合线附近的Q235A碳钢一侧形成了铁素体的脱碳层而软化，在不锈钢焊缝一侧则形成了高硬度的黑色增碳层。通过元素线扫描对该界面进行分析发现，Cr、Ni、Mn、Mo等合金元素的浓度在焊接熔合区发生了明显变化，尤其是Cr元素在靠近熔合线处突然降低，在熔合区内呈梯度变化，但并未出现合金元素偏聚现象。 

 2. 对焊缝金属的金相组织观察表明，接头焊缝组织为奥氏体(γ) 和铁素体(α) 两相组成。采用网格法对在两种工艺下获得接头组织中的铁素体相含量进行测量，分别为32.8%、37.3%，基本符合对焊缝组织铁素体相含量的要求。对接头焊缝金属进行X射线衍射分析结果表明，获得接头焊缝组织为铁素体相和奥氏体相，并未发现有M23C6、Cr2N和M等有害相在接头中析出。进一步对焊缝金属进行透射电镜观察，发现组织中存在大量的位错，且聚集在晶界两侧，使滑移变形受到阻碍，有利于提高接头的强度和硬度。

 3. 接头的力学性能测试表明，两种工艺获得接头的拉伸断裂位置均发生在Q235A母材侧，表明接头完全能够满足工程结构对其强度要求，其中接头的强度较高，力学性能较好。拉伸断口的扫描形貌为典型的等轴状韧窝断口，呈塑性断裂。接头界面的显微硬度测试表明，在两种工艺条件下所获接头的硬度分布变化规律基本一致，2205双相不锈钢界面，热影响区的硬度要高于焊缝金属和母材本身的硬度。在Q235A-WM界面，整体而言焊缝金属的硬度值逐渐升高，且在焊缝金属侧熔合区的显微硬度值最高，这是由于碳元素发生迁移的结果。