周杰，張明渝，李志洋，張建，范霽康,2，王克鴻

(1.南京理工大學(xué)，受控電弧智能增材技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210094；2.昆山華恒焊接股份有限公司，江蘇 昆山 215300)

0 前言

高氮奧氏體不銹鋼(高氮鋼)是一種利用N元素代替Ni元素而開(kāi)發(fā)出的優(yōu)良鋼種，可通過(guò)N原子的固溶強(qiáng)化作用，提高其綜合力學(xué)性能[1]。近年來(lái)，高氮鋼因其具有良好的強(qiáng)度、塑性、耐腐蝕性在兵器、船舶、化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2-5]。675馬氏體高強(qiáng)鋼(675鋼)是一種低合金高強(qiáng)度鋼，具有較高的強(qiáng)度及良好的抗沖擊性能，因而在某些抗沖擊性能要求較高的領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值和戰(zhàn)略地位[6-11]。在裝甲車輛特殊防護(hù)領(lǐng)域結(jié)構(gòu)中，需要將高氮鋼和675鋼焊接起來(lái)，而該類焊接接頭會(huì)面臨著許多特殊情況，對(duì)焊接接頭的綜合力學(xué)性能有著較高的要求。高氮鋼與675鋼物理性能差異大，同時(shí)高氮鋼焊接時(shí)易出現(xiàn)氣孔問(wèn)題，而高強(qiáng)鋼在焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)淬火硬化及回火軟化現(xiàn)象，因此常規(guī)焊接方法難以將2種金屬焊接在一起，得到性能優(yōu)良的焊接接頭。

王立忠等人[5]對(duì)高氮鋼焊接中的氮行為進(jìn)行了探究，其采用含 Ti焊絲和母材成分焊絲對(duì)高氮鋼進(jìn)行了TIG的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：焊縫、熔合區(qū)及熱影響區(qū)均未產(chǎn)生明顯的氮?dú)饪祝瑫r(shí)焊接接頭的抗拉強(qiáng)度與母材基本保持一致，但是TIG方法效率低，難以在裝甲領(lǐng)域應(yīng)用。杜挽生等人[6]研究發(fā)現(xiàn)高氮鋼焊接接頭韌性下降的主要原因是敏化區(qū)中脆硬的碳化物Cr23C6析出增多。李濤等人[7]發(fā)現(xiàn)增加高強(qiáng)鋼的焊前預(yù)變形量可以增強(qiáng)其抑制邊部裂紋擴(kuò)展的能力。郭宇航等人[12]發(fā)現(xiàn)不同焊接方式對(duì)超高強(qiáng)鋼粘接強(qiáng)度的影響不同，其中采用氬弧焊獲得的超高強(qiáng)鋼焊接件在母材處斷裂，而采用激光焊方法獲得的焊接件在熱影響區(qū)附近發(fā)生斷裂。Jang等人[13]使用Incone182/182焊絲焊接低合金鋼，發(fā)現(xiàn)焊縫底部的強(qiáng)度比焊縫頂部的強(qiáng)度高50～70 MPa，焊縫頂部的斷裂韌性值比焊縫底部的斷裂韌性值高約70%。

綜上所述，針對(duì)高氮鋼或高強(qiáng)鋼焊接的研究主要集中在同種金屬之間的連接，對(duì)675鋼和高氮鋼之間的異種連接研究還較少。文中根據(jù)“低強(qiáng)匹配原則”，采用脈沖MIG方法，探索了13.5 mm厚高氮鋼與675鋼異種材料連接的焊接工藝，并分析了焊接接頭微觀組織與力學(xué)性能，為高氮鋼與高強(qiáng)鋼異種材料連接提供了理論和工藝基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)?zāi)覆募昂附z化學(xué)成分見(jiàn)表1，試驗(yàn)采用尺寸為130 mm×150 mm×13.5 mm的高氮鋼和675鋼作為母材，采用直徑為1.2 mm的ER307Mo焊絲作為填充材料；坡口形式為60°單 V形坡口，鈍邊 2 mm，裝配間隙 1.5 mm；焊接保護(hù)氣為95%Ar+ 5%CO2，流量為25 L/min。

表1 試驗(yàn)?zāi)覆募昂附z化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

采用搭建的脈沖MIG焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后，采用X射線探傷儀對(duì)焊接接頭進(jìn)行探傷，檢查是否存在氣孔、裂紋等焊接缺陷；從焊接接頭中部取樣，并打磨、拋光、腐蝕制成金相試樣，進(jìn)行金相微觀組織觀察；采用顯微維氏硬度儀對(duì)焊接接頭進(jìn)行硬度測(cè)量，測(cè)量間距為0.5 mm，測(cè)量位置如圖1所示；按照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)測(cè)試，并采用掃描電鏡對(duì)拉伸斷口形貌進(jìn)行觀察，拉伸試樣尺寸如圖2所示。

圖1 硬度測(cè)量位置示意圖

圖2 拉伸試樣尺寸示意圖

2 焊縫成形質(zhì)量及微觀組織分析

2.1 焊縫成形質(zhì)量

在正式進(jìn)行對(duì)接焊接試驗(yàn)前，先對(duì)焊縫進(jìn)行單道試驗(yàn)分析，獲取單道焊縫的熔深、熔寬、余高數(shù)據(jù)，部分單道焊縫橫截面如圖3所示，焊接速度均為5 mm/s。在保證成形質(zhì)量的前提下，選擇熔寬大，余高小的焊接工藝參數(shù)為基礎(chǔ)參數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)送絲速度為6 m/min、焊接速度為5 mm/s、電弧電壓166 V、焊接電流20.3 A時(shí)符合設(shè)計(jì)要求。在此參數(shù)附近設(shè)計(jì)焊接工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)為4層7道次焊接，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 焊接工藝參數(shù)

圖3 部分單道焊縫接頭

焊接接頭形貌如圖4所示。由圖4a可知，焊縫表面成形美觀，無(wú)咬邊等表面缺陷出現(xiàn)；通過(guò)X射線探傷可知，焊接接頭內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)明顯的焊接裂紋、氣孔等焊接缺陷。

圖4 焊接接頭宏觀形貌

2.2 微觀組織分析

焊接接頭各個(gè)區(qū)域的微觀組織如圖5所示。圖5a為高氮鋼側(cè)熱影響區(qū)組織，該區(qū)域組織為塊狀?yuàn)W氏體及少量鐵素體；同時(shí)，越靠近熔合線晶粒組織越大，這是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)粗晶區(qū)經(jīng)歷了多次焊接熱循環(huán)，晶粒發(fā)生了二次再長(zhǎng)大，導(dǎo)致粗晶區(qū)晶粒更為粗大。圖5b為焊縫組織，該區(qū)域由奧氏體及從奧氏體晶界中析出的鐵素體組織組成；同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)左側(cè)的鐵素體含量明顯多于右側(cè)，分析認(rèn)為是由于左側(cè)區(qū)域?yàn)樯弦粚雍缚p，經(jīng)歷了更多的焊接熱循環(huán)，導(dǎo)致鐵素體析出更多。圖5c為675鋼側(cè)熱影響區(qū)組織，該區(qū)域組織主要由馬氏體組成，初始的回火索氏體組織經(jīng)歷淬火，形成了脆硬的板條狀馬氏體組織，導(dǎo)致675鋼側(cè)熱影響區(qū)硬度升高，但塑性韌性下降，綜合力學(xué)使用性能下降。

圖5 焊接接頭微觀組織

3 焊縫力學(xué)性能分析

3.1 顯微硬度

焊接接頭的硬度測(cè)量結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，高氮鋼側(cè)熱影響區(qū)的平均硬度為342.6 HV，且該區(qū)域硬度沿向焊縫中心的方向呈下降趨勢(shì)，結(jié)合金相組織分析，這與晶粒大小有關(guān)，越靠近熔合線的晶粒，受到的熱輸入越大，晶粒異常長(zhǎng)大，導(dǎo)致靠近熔合線的晶粒較大，遠(yuǎn)離熔合線的晶粒較小。由于采取的“低強(qiáng)匹配”原則，因此焊縫的硬度整體低于兩側(cè)母材金屬，平均硬度為217.6 HV，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)靠近高氮鋼側(cè)焊縫金屬硬度整體上高于靠近675鋼側(cè)焊縫金屬硬度，分析認(rèn)為這是由于焊接過(guò)程中，高氮鋼中的N元素部分過(guò)渡到焊縫金屬中，起到了固溶強(qiáng)化作用。675鋼側(cè)熱影響區(qū)平均硬度為376.7 HV，且其硬度沿向母材的方向呈現(xiàn)先上升后小幅度下降的趨勢(shì)，分析認(rèn)為靠近熔合線區(qū)域經(jīng)歷了淬火，形成了淬硬的馬氏體組織[14]，而遠(yuǎn)離熔合線部分經(jīng)歷了回火，故硬度有一定下降。

圖6 焊接接頭硬度分布

3.2 拉伸性能

為了獲得焊接接頭的拉伸性能，從焊接接頭中部取3塊拉伸試樣，并從母材上各取一個(gè)拉伸試樣作為對(duì)比，拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度為731 MPa，達(dá)到了高氮鋼母材的71%，斷裂位置位于焊縫區(qū)靠近675鋼側(cè)，分析認(rèn)為在焊接過(guò)程中675鋼側(cè)發(fā)生了明顯的馬氏體相變，產(chǎn)生了相變應(yīng)力，在拉伸過(guò)程中，裂紋率先從應(yīng)力集中處生成并擴(kuò)展，因而斷裂位置靠近675鋼。焊接接頭平均斷后伸長(zhǎng)率為10.5%，與675鋼母材相當(dāng)，遠(yuǎn)低于高氮鋼母材，分析認(rèn)為焊接接頭的斷后伸長(zhǎng)率較低是由于675鋼側(cè)熱影響區(qū)處產(chǎn)生了淬硬的馬氏體組織，馬氏體組織的塑性韌性較差、延展性低，因而焊接接頭的平均斷后伸長(zhǎng)率較低。

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

為了判斷焊接接頭的拉伸斷裂形式，對(duì)拉伸斷口進(jìn)行了掃描電鏡觀察，斷口微觀形貌如圖7所示。由圖7a可知，焊接接頭主要以韌性斷裂為主，存在剪切唇，未發(fā)現(xiàn)明顯的解理斷裂形貌特征；如圖7b所示，放大區(qū)處存在大量的韌窩形貌，這是典型的韌性斷裂特征形貌，從圖7c中可以發(fā)現(xiàn)，拉伸斷口中析出了第二相粒子，分析認(rèn)為這些第二相為碳化物[15]，這些第二相的存在對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能有著一定的不良影響。

圖7 拉伸斷口形貌

4 結(jié)論

(1)根據(jù)“低強(qiáng)匹配”原則，采用ER307Mo不銹鋼焊絲對(duì)高氮鋼和675鋼進(jìn)行了焊接，焊縫組織主要由奧氏體及分布在奧氏體基體上的鐵素體組織組成，高氮鋼側(cè)熱影響區(qū)主要為塊狀?yuàn)W氏體組織，675鋼側(cè)熱影響區(qū)主要為馬氏體組織。

(2)焊縫的平均硬度為217.6 HV，整體低于母材組織；高氮鋼側(cè)熱影響區(qū)平均硬度達(dá)342.6 HV，且硬度沿向焊縫中心的方向呈下降趨勢(shì)；675鋼側(cè)熱影響區(qū)平均硬度為376.7 HV，且其硬度沿向母材的方向呈現(xiàn)先上升后小幅度下降的趨勢(shì)。

(3)675鋼-高氮鋼焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度為731 MPa，達(dá)到了高氮鋼母材的71%；斷后伸長(zhǎng)率為10.5%，與675鋼母材相當(dāng)。焊接接頭斷裂以韌性斷裂為主，未發(fā)現(xiàn)明顯的解理斷裂特征。