在工程構(gòu)件中，為了降低成本，節(jié)約材料，經(jīng)常遇到雙相不銹鋼與碳鋼的焊接。但由于兩種材料的化學(xué)成分和組織差別很大，在焊接過(guò)程中存在著合金元素的擴(kuò)散和遷移，使焊縫及鄰近母材兩側(cè)的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生復(fù)雜的變化，進(jìn)而對(duì)焊接接頭的性能產(chǎn)生很大影響。鑒于雙相不銹鋼與Q235A異種金屬在焊接過(guò)程中可能出現(xiàn)的特殊問(wèn)題，如焊縫金屬的稀釋、異種鋼熔合區(qū)的組織變化以及不銹鋼側(cè)焊縫的雙相比例是否合適等，因此，對(duì)在不同焊接工藝條件下獲得的接頭進(jìn)行微觀組織結(jié)構(gòu)分析和力學(xué)性能測(cè)試，以期保證焊接接頭具有良好的性能，從而滿足工程應(yīng)用對(duì)其強(qiáng)度等性能要求。

 一、異種接頭的微觀組織結(jié)構(gòu)分析

   1. Q235A-WM界面金相組織觀察

   如圖、所示，分別為在兩種工藝條件下獲得接頭Q235A母材焊縫金屬界面附近的組織形貌。由于異種鋼焊接熔合區(qū)的晶體結(jié)構(gòu)與焊縫金屬存在較大差異，使該界面的組織形態(tài)較為復(fù)雜。從圖中可看出，母材的金相組織為鐵素體（F）和珠光體（P），而在靠近焊縫界面處珠光體量不斷減少，直至形成單一的鐵素體組織，并在靠近焊縫界面的母材上形成一層明顯的脫碳層；而在焊縫熔合區(qū)一側(cè)形成一層黑色的增碳層，這種脫碳層與增碳層統(tǒng)稱為碳遷移過(guò)渡層。通過(guò)比較兩種工藝獲得接頭在低倍和高倍下脫碳層和增碳層的微觀形貌，發(fā)現(xiàn)采用GTAW打底和SMAW蓋面焊獲得接頭的碳遷移現(xiàn)象不是很明顯，因此采用該工藝接頭的焊接質(zhì)量較好。

    目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)碳鋼與不銹鋼異種鋼焊接時(shí)過(guò)渡層的形成進(jìn)行了較多研究。一般認(rèn)為，由于兩種金屬的熱導(dǎo)率和比熱容差異較大，在焊接過(guò)程中液態(tài)金屬的溫度在接頭熔合區(qū)、熔池邊緣與焊縫中心有很大的不同。在熔池邊緣靠近固態(tài)母材處，液態(tài)金屬的溫度較低，熔池流動(dòng)性差，液態(tài)停留時(shí)間較短，受機(jī)械力的攪拌作用較弱，是一個(gè)滯流層，在該處熔化的母材與填充金屬難以充分混合，并且越靠近母材，母材成分所占的比例越大，最終形成一個(gè)合金元素濃度梯度較大的過(guò)渡區(qū)。另外，由于焊縫金屬和Q235A鋼中的含碳量和合金元素含量不同，會(huì)引起碳元素的擴(kuò)散，在靠近Q235A碳鋼焊縫一側(cè)，形成了鐵素體的脫碳層而軟化，在不銹鋼焊縫一側(cè)則形成了高硬度的黑色增碳層。由于增碳層和脫碳層的變形阻力不同，將引起應(yīng)力集中，該部位通常是大量馬氏體、碳化物、類馬氏體聚集的區(qū)域，從而降低焊接接頭的高溫持久強(qiáng)度和塑性。為了減少碳遷移現(xiàn)象或減少碳遷移過(guò)渡層的寬度，除了應(yīng)選擇成分合適的焊接材料外（例如應(yīng)選用含有較多強(qiáng)碳化物形成元素的填充材料），還應(yīng)力求焊縫中存在能增大碳活度系數(shù)的元素。實(shí)踐表明，焊縫金屬中含有一定量的鎳可較顯著減少增碳層及脫碳層的寬度。

 圖為Q235A母材側(cè)熱影響區(qū)的組織，從圖中可看出，由于受焊接熱循環(huán)的作用，熱影響區(qū)內(nèi)的晶粒存在不同程度的粗化現(xiàn)象，距離熔合線越近粗化越明顯，對(duì)熱影響區(qū)的塑性和強(qiáng)度都有較大的影響，在一定程度上降低接頭的力學(xué)性能，但相比較而言，接頭熱影響區(qū)中的晶粒粗化現(xiàn)象較輕。

   2.  Q235A-WM界面合金元素線掃描分析

   異種鋼焊接區(qū)域中的某些合金元素、特別是碳的擴(kuò)散，導(dǎo)致在熔合區(qū)中形成擴(kuò)散層。由于母材和焊縫金屬的化學(xué)成分存在較大差異，因此焊接接頭中的碳元素從碳鋼母材一側(cè)向不銹鋼焊縫擴(kuò)散遷移；與此同時(shí)，鉻、鎳元素則從焊縫向母材熔合區(qū)擴(kuò)散遷移。由于碳原子半徑小，能與Fe原子形成間隙固溶體，不論在 α-Fe 中還是在 γ-Fe 中碳的擴(kuò)散能力都比其它合金元素大104~106倍。合金元素?cái)U(kuò)散遷移的最終結(jié)果是在熔合區(qū)靠近碳鋼母材一側(cè)形成脫碳鐵素體層，而在靠近不銹鋼焊縫一側(cè)或焊縫熔合區(qū)處形成高硬度的黑色增碳層。對(duì)在兩種工藝條件下所獲的接頭D、E按圖中示意的線掃描位置進(jìn)行元素線掃描，分析從焊縫金屬到母材的化學(xué)成分變化情況，兩種接頭的分析測(cè)試結(jié)果如圖所示。

   從圖4.3 中可看出，Cr、Ni、Mn、Mo等合金元素的濃度在焊接熔合區(qū)發(fā)生了明顯的變化，即在靠近焊縫側(cè)極小范圍內(nèi)元素含量降低較小，而在靠近熔合線處突然降低，在熔合區(qū)內(nèi)呈梯度變化，分析發(fā)現(xiàn)，Ni、Mn、Mo元素的含量在熔合區(qū)變化較小，但是Cr元素在熔合區(qū)存在一個(gè)很明顯的濃度梯度。這是由于焊縫金屬中的合金元素含量較高，而Q235A母材中主要含有Fe元素和C元素，這樣就使焊縫金屬和母材之間產(chǎn)生了較大的成分差，在焊接過(guò)程中，焊縫中的合金元素向熔化的母材擴(kuò)散，在熔合區(qū)形成明顯的濃度梯度，但遠(yuǎn)離熔合區(qū)合金元素仍然呈均勻分布，未發(fā)現(xiàn)有合金元素偏析現(xiàn)象。異種金屬焊接熔合區(qū)是一個(gè)多組元體系，擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力不僅取決于元素的濃度梯度，而且還取決于體系中的自由能變化和擴(kuò)散元素的活度

 。

  3. 焊縫金屬的金相觀察及能譜分析

  圖在兩種工藝下獲得接頭焊縫金屬的金相組織，其組織都是由奧氏體(γ) 和鐵素體(α) 兩相組成，接頭D焊縫組織形態(tài)為鐵素體(α)呈蠕蟲(chóng)狀分布在奧氏體(γ) 基體上，而接頭E卻為奧氏體(γ) 呈樹(shù)枝狀分布在鐵素體(α)基體上。在焊接高溫條件下，焊縫金屬的凝固過(guò)程是一個(gè)不平衡的冷卻結(jié)晶過(guò)程。液體金屬的正溫度梯度較大時(shí)，液、固界面前沿將出現(xiàn)一個(gè)很小的成分過(guò)冷區(qū)，當(dāng)成分過(guò)冷區(qū)較大時(shí)，在一個(gè)晶粒內(nèi)生長(zhǎng)出一個(gè)很長(zhǎng)的主干，同時(shí)主干向橫向排出溶質(zhì)，橫向也產(chǎn)生較大的濃度過(guò)冷區(qū)域，主干向四周伸出的二次橫枝也得到很好的生長(zhǎng)，生成的二次橫枝抑制了周圍其它亞晶的生長(zhǎng)，形成了樹(shù)枝狀結(jié)晶。 在2205-Q235A異種接頭焊縫金屬中，當(dāng)鐵素體、奧氏體相含量各占50%時(shí)，異種接頭具有最佳的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。但是在焊接過(guò)程中，由于受熱循環(huán)作用，接頭組織中各相的含量會(huì)發(fā)生較大變化，為了避免在接頭中形成大量的鐵素體組織。

  4. 焊縫金屬的物相分析

    雙相不銹鋼與碳鋼異種金屬進(jìn)行熔化焊接時(shí)，由于兩種材料的化學(xué)成分差異顯著，在焊接過(guò)程中，碳鋼中的碳元素會(huì)通過(guò)熔合線向焊縫金屬一側(cè)發(fā)生遷移，碳元素在擴(kuò)散過(guò)程中易于在熔合區(qū)形成碳化物（M23C6）以及類馬氏體等脆性相。同時(shí)在焊接熱循環(huán)的作用下，如果工藝控制不當(dāng)，雙相不銹鋼在焊接過(guò)程中會(huì)析出一些金屬間化合物相，如鉻的氮化物(Cr2N, CrN)、二次奧氏體(γ2) 、金屬間相(σ相、x相、R相)等。這些相硬而脆，如在焊縫中形成將會(huì)顯著降低接頭的塑性、韌性；此外，還可能導(dǎo)致接頭焊縫部位出現(xiàn)貧鉻區(qū)而使接頭的耐腐蝕性能降低。因此，有必要對(duì)獲得接頭的焊縫金屬進(jìn)行XRD相結(jié)構(gòu)組成分析。

  5. 焊縫金屬的透射電鏡觀察

   材料的力學(xué)性能與材料中的亞結(jié)構(gòu)—位錯(cuò)有很大的聯(lián)系，位錯(cuò)在晶體中運(yùn)動(dòng)的阻力除點(diǎn)陣阻力外，還有位錯(cuò)與位錯(cuò)之間的交互作用而產(chǎn)生的阻力；運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)交截后形成的扭折和割階，尤其是螺型位錯(cuò)的割階對(duì)位錯(cuò)起釘扎作用，導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增加；位錯(cuò)與其它晶體缺陷如點(diǎn)缺陷、其它位錯(cuò)、晶界和第二相質(zhì)點(diǎn)等發(fā)生交互作用，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)均會(huì)產(chǎn)生阻力，導(dǎo)致晶體強(qiáng)化。采用透射電鏡觀察焊縫金屬的微觀亞結(jié)構(gòu)如圖所示。焊縫組織中由于晶面強(qiáng)烈滑移導(dǎo)致形成高密度位錯(cuò)型胞狀亞結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)變特征可能是以晶格畸變?yōu)橹鞯臒o(wú)擴(kuò)散型相變，在相變過(guò)程中并不涉及到化學(xué)鍵的破壞，勢(shì)壘較小，相變速率極快，而且相變是通過(guò)切變形式完成的，而切變又只能是通過(guò)滑移或?qū)\生的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖中位錯(cuò)在障礙物前塞積，越靠近障礙物處排列越密集，后面的位錯(cuò)間距則逐漸增大。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近時(shí)，由于晶界兩側(cè)晶粒的取向不同，加之這里雜質(zhì)原子較多，增大了晶界附近的滑移阻力，因此位錯(cuò)線在晶界處相互纏結(jié)，并塞積在晶界處形成胞狀組織，雜質(zhì)原子與位錯(cuò)的相互作用進(jìn)而阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高了塑性變形的抗力。從圖中可看出位錯(cuò)聚集于晶界兩側(cè)。位錯(cuò)在障礙物前塞積，高密度的位錯(cuò)纏繞等微觀亞結(jié)構(gòu)在一定程度上提高了接頭的強(qiáng)度和硬度。

二、異種接頭的力學(xué)性能分析

   焊接接頭的力學(xué)性能是影響焊接結(jié)構(gòu)使用性能的重要因素之一，由于異種金屬焊接的特殊性，對(duì)接頭使用性能的要求越來(lái)越引起人們的關(guān)注，因此，在焊接后需對(duì)獲得接頭的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)定，以評(píng)價(jià)焊接接頭的質(zhì)量。對(duì)接頭的力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)于改進(jìn)和優(yōu)化焊接工藝、以獲得優(yōu)異的焊接接頭具有重要意義。焊接接頭的力學(xué)性能試驗(yàn)主要包括拉伸和硬度等試驗(yàn)，研究不同焊接工藝對(duì)接頭的拉伸強(qiáng)度和顯微硬度的影響規(guī)律，確保獲得接頭的力學(xué)性能能夠滿足實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的使用要求。

 1. 異種接頭拉伸性能測(cè)試

    進(jìn)行接頭拉伸試驗(yàn)的主要目的是測(cè)定其抗拉強(qiáng)度，并根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)或產(chǎn)品技術(shù)條件對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)定。焊接接頭的橫向拉伸試驗(yàn)按GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)法》進(jìn)行，其主要特點(diǎn)是焊接接頭各區(qū)在拉伸加載時(shí)，承受相同數(shù)值的應(yīng)力，拉伸中的大部分塑性變形和最后斷裂都發(fā)生在接頭薄弱區(qū)。拉伸試驗(yàn)時(shí)，每種試樣均測(cè)量三次，然后取平均值，幾種焊接接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表。

   從表中的結(jié)果可看出，兩種接頭的抗拉強(qiáng)度平均值分別為445.6MPa、440.2MPa，且拉伸試樣均斷裂在強(qiáng)度相對(duì)較低的Q235A母材一側(cè)。因此，從獲得接頭的強(qiáng)度來(lái)看，接頭的力學(xué)性能應(yīng)該是合格的，能夠滿足工程結(jié)構(gòu)對(duì)接頭的強(qiáng)度要求，其中接頭的抗拉強(qiáng)度最高，而接頭的延伸率最好。這可能是由于在焊接過(guò)程中采用了含鎳量較高的填充材料，大大降低了低碳鋼母材對(duì)焊縫金屬的稀釋作用，減少熔合區(qū)中碳的擴(kuò)散，避免了接頭焊縫中的脆性相析出，有利于焊縫金屬保持為合理的奧氏體和鐵素體雙相組織，使接頭具有較高的抗裂性能。與此同時(shí)，本文中采用多層多道焊的焊接工藝，進(jìn)行每一層焊接的同時(shí)又對(duì)上一層焊道起到熱處理的作用，有利于細(xì)化組織晶粒，促進(jìn)接頭熱影響區(qū)中的鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變，在一定程度上降低接頭的殘余應(yīng)力，從而獲得滿意的焊接接頭。

   拍攝的接頭拉伸斷口掃描電鏡照片如圖所示，從圖中可以看出，斷口形貌特征為典型的等軸狀韌窩斷口，韌窩的數(shù)量多且分布密集，韌窩尺寸較小，其斷裂機(jī)制為微孔聚集型斷裂。在正應(yīng)力作用下，由于滑移面上有位錯(cuò)堆積，在局部產(chǎn)生許多微小空洞，或因夾雜物與金屬界面脫離而形成微小空洞，然后這些微孔不斷的形核、長(zhǎng)大，連接聚集并繼續(xù)產(chǎn)生新的微孔；另一方面，由于局部塑性變形使夾雜物界面上首先形成的微裂紋并不擴(kuò)展，在夾雜物與金屬基體之間局部區(qū)域產(chǎn)生“內(nèi)縮頸”，當(dāng)縮頸的尺寸達(dá)到一定程度后被撕裂而使空洞連接，最終導(dǎo)致整個(gè)接頭的斷裂，在斷口上顯示的是尺寸大小不一的韌窩狀結(jié)構(gòu)。圖中的斷口形貌呈明顯韌性斷裂特征，說(shuō)明所獲得的接頭質(zhì)量良好，能夠滿足實(shí)際使用要求。

  2.異種接頭顯微硬度測(cè)試

   硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)，是金屬材料表面在接觸壓力的作用下抵抗塑性變形的一種能力。硬度值是材料性能的一個(gè)重要指標(biāo)，試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單、迅速，不需要專門的試樣，易于保持試樣的完整性。由于異種鋼焊接接頭是由兩種化學(xué)成分和性質(zhì)不同的母材在一定的焊接條件下形成的焊縫，其化學(xué)成分和微觀組織將發(fā)生較大變化。因此，有必要對(duì)接頭界面Q235A-WM與WM-2205雙相不銹鋼的顯微硬度分布進(jìn)行測(cè)試分析，為判斷焊接接頭的質(zhì)量提供依據(jù)。

  圖為測(cè)得的在兩種工藝條件下所獲接頭界面的顯微硬度分布曲線，從圖中可看出，兩條硬度分布曲線的變化規(guī)律基本一致。圖中焊縫金屬的平均硬度要比Q235A母材和熱影響區(qū)的高，而且在熔合線附近硬度值有突變，遠(yuǎn)離該區(qū)域后，硬度值均呈現(xiàn)平緩變化。熔合線附近硬度值存在這種突變的原因是：

     a. 由于Q235A鋼中除了含F(xiàn)e和C兩種元素以外，其它合金元素的含量較少，焊接時(shí)焊縫金屬中的合金元素向碳鋼一側(cè)擴(kuò)散將造成對(duì)整個(gè)焊縫金屬的稀釋，會(huì)使焊縫中的奧氏體形成元素含量減少，因此，易在異種金屬接頭的熔合區(qū)出現(xiàn)馬氏體、碳化物等脆性相；

    b. 由于碳元素的遷移，在Q235A碳鋼一側(cè)形成珠光體脫碳層而使接頭發(fā)生軟化，而在焊縫一側(cè)形成了高硬度的黑色增碳層，使得該區(qū)的硬度值明顯提高。圖中2205雙相不銹鋼母材一側(cè)熱影響區(qū)的硬度值高于2205母材和焊縫金屬的硬度，這是由于熱影響區(qū)受到了復(fù)雜的熱循環(huán)作用，在焊接高溫條件下，組織中的奧氏體 (γ) 含量有所減少，而鐵素體（α）的硬度高于奧氏體，因此硬度明顯增加，最高硬度達(dá)268HV。所以，在焊接時(shí)必須適當(dāng)控制線能量和冷卻速率，使接頭熱影響區(qū)中的鐵素體能夠充分轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，使焊縫組織中兩相的比例保持在合適范圍內(nèi)，從而獲得具有良好力學(xué)性能的焊接接頭。

三、總結(jié)

    浙江至德鋼業(yè)有限公司對(duì)在不同工藝條件下獲得的2205雙相不銹鋼和Q235A低碳鋼異種金屬焊接接頭進(jìn)行了系統(tǒng)的微觀組織結(jié)構(gòu)分析和力學(xué)性能測(cè)試，得到以下主要結(jié)論：

 1. 在接頭Q235A-WM界面，由于焊縫金屬和Q235A碳鋼中含碳量和合金元素含量不同，引起碳原子的擴(kuò)散，在熔合線附近的Q235A碳鋼一側(cè)形成了鐵素體的脫碳層而軟化，在不銹鋼焊縫一側(cè)則形成了高硬度的黑色增碳層。通過(guò)元素線掃描對(duì)該界面進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，Cr、Ni、Mn、Mo等合金元素的濃度在焊接熔合區(qū)發(fā)生了明顯變化，尤其是Cr元素在靠近熔合線處突然降低，在熔合區(qū)內(nèi)呈梯度變化，但并未出現(xiàn)合金元素偏聚現(xiàn)象。 

 2. 對(duì)焊縫金屬的金相組織觀察表明，接頭焊縫組織為奧氏體(γ) 和鐵素體(α) 兩相組成。采用網(wǎng)格法對(duì)在兩種工藝下獲得接頭組織中的鐵素體相含量進(jìn)行測(cè)量，分別為32.8%、37.3%，基本符合對(duì)焊縫組織鐵素體相含量的要求。對(duì)接頭焊縫金屬進(jìn)行X射線衍射分析結(jié)果表明，獲得接頭焊縫組織為鐵素體相和奧氏體相，并未發(fā)現(xiàn)有M23C6、Cr2N和M等有害相在接頭中析出。進(jìn)一步對(duì)焊縫金屬進(jìn)行透射電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)組織中存在大量的位錯(cuò)，且聚集在晶界兩側(cè)，使滑移變形受到阻礙，有利于提高接頭的強(qiáng)度和硬度。

 3. 接頭的力學(xué)性能測(cè)試表明，兩種工藝獲得接頭的拉伸斷裂位置均發(fā)生在Q235A母材側(cè)，表明接頭完全能夠滿足工程結(jié)構(gòu)對(duì)其強(qiáng)度要求，其中接頭的強(qiáng)度較高，力學(xué)性能較好。拉伸斷口的掃描形貌為典型的等軸狀韌窩斷口，呈塑性斷裂。接頭界面的顯微硬度測(cè)試表明，在兩種工藝條件下所獲接頭的硬度分布變化規(guī)律基本一致，2205雙相不銹鋼界面，熱影響區(qū)的硬度要高于焊縫金屬和母材本身的硬度。在Q235A-WM界面，整體而言焊縫金屬的硬度值逐漸升高，且在焊縫金屬側(cè)熔合區(qū)的顯微硬度值最高，這是由于碳元素發(fā)生遷移的結(jié)果。