異種奧氏體鋼焊接接頭顯微組織結構分析

1　前言

　　20Mn23Al鋼屬奧氏體鋼無磁鋼，在大型變壓器中作拉桿使用，可避免漏磁場在鋼中產(chǎn)生渦流熱損耗。由于沒有深入了解其可焊性問題，其利用率只有60%，造成很大浪費^［1］。因此，研究合理可靠的焊接工藝，可高效利用無磁鋼材，具有重要的經(jīng)濟意義。
　　20Mn23Al鋼的主要合金元素是Mn和Al，其中Mn是奧氏體形成元素，但在低溫或冷變形下，F(xiàn)e－Mn合金的奧氏體并不穩(wěn)定，當Mn的含量在15%～28%之間時，可能發(fā)生ε馬氏體相變，ε馬氏體是一種六角密堆結構，這是由于固溶體中Mn的含量較高時層錯下降而產(chǎn)生的，ε馬氏體會導致鋼的冷脆性，為了提高Fe－Mn合金奧氏體鋼組織的穩(wěn)定性，一般可增加C的含量。另外可加入Al元素，可顯著降低馬氏體的相變溫度，從而提高其低溫性能，同時Al的加入也可降低Fe－Mn合金的加工硬化能力，可改善切削性能和冷加工性能^［2］。由此可見，此鋼在高溫條件下為單一奧氏體組織，能保持良好的無磁性能，低溫性能也很好，在變壓器中作拉桿使用。
　　焊接20Mn23Al鋼可能產(chǎn)生的問題是鋼中的Al的過渡系數(shù)低，容易產(chǎn)生氣孔，奧氏體鋼焊接還會產(chǎn)生熱裂紋問題，20Mn23Al鋼和低碳鋼焊接時，由于元素的稀釋還會產(chǎn)生脆性組織，從而發(fā)生裂紋^［3］。

2　試驗材料及方法

2.1　試驗材料
　　20Mn23Al鋼(見圖1)，熱軋態(tài)，其化學成份為：C　0.14%～0.20%；si　0.5%；Mn　21.5%～25.5%；P　0.03%；S　0.03%；Al　1.5%～2.5%；V　0.04%～0.1%。機械性能為：σ_0.2＞225　MPa，σ_b＞530　MPa，δ_s=30%,ψ=50%。

圖1　20Mn23Al鋼金相組織×200

　　為了防止在焊接Mn－Fe奧氏體鋼過程中產(chǎn)生脆性組織、氣孔以及熱裂紋，焊接材料選用奧302進行試驗。

2.2　試驗方法
2.2.1　焊接工藝
　　20Mn23Al鋼板厚12 mm,試樣尺寸為300×400 mm，焊縫處開X型坡口，坡口角度為60°，中間留2 mm鈍邊，坡口之間留2 mm間隙。
　　采用如下工藝進行焊接：
　　(1)焊前應清理坡口處的水份、油污及銹跡；
　　(2)焊條在使用前在150～200 ℃下烘干1.5～2 h,隨取隨用，避免焊條多次烘烤；
　　(3)焊接時采用多層焊，焊接時焊條盡量不要擺動，焊接順序見圖2，第一、二道焊縫采用3.2 mm直徑焊條，焊接電流100～110 A，第三、四道焊縫采用4 mm直徑焊條，焊接電流為120～130 A，焊接速度為140～160 mm/min。

圖2　焊接順序示意圖

2.2.2　力學性能試驗
　　拉伸試驗按GB－265標準進行，彎曲試驗按GB2653－89標準進行，拉伸試樣均去掉鋼材原始表面，避免焊縫加厚高的影響，同時作顯微硬度試驗。
2.2.3　熔合區(qū)透射電鏡分析及合金元素掃描分析
　　透射電鏡分析在JEM－2000FX上進行，進行了化學成份能譜分析，以及金相組織結構分析，在掃描電鏡上進行了焊接接頭的合金元素線掃描分析，確定合金元素的擴散情況。

3　試驗結果及分析

圖3　接頭顯微組織硬度分布

圖4　焊接接頭顯微組織×250

　　20Mn23Al鋼接頭拉伸試驗和顯微組織試驗以及接頭的冷彎試驗，結果如表1所示。由表可知，接頭抗拉強度σ_b＞589MPa,ψ＞21.4%。斷裂位置均在母材處，冷彎角大于90°，圖3為A302接頭的顯微組織硬度分布，最高顯微硬度HV100為197.9。焊接接頭的顯微組織如圖4所示，焊縫組織為奧氏體+δ鐵素體的雙相組織。根據(jù)金相法可測得鐵素體含量約為15%，適量的δ鐵素體含量對防止熱裂紋有利，同時δ鐵素體的存在可有效地消除單相奧氏體組織的方向性，從而使晶粒細化。從圖2顯微硬度分布可以看出HV不大于200，焊縫組織的顯微硬度比母材稍高。由于母材是高錳奧氏體鋼，而焊縫是NiCr奧氏體鋼，在熔合線存在明顯的過渡組織(見圖4)，其性能和組織是人們十分關心的問題，接頭的合金元素線掃描分析如圖5所示，可見Mn、Ni、Cr在熔合線處由濃度高處起呈線性降低，而Al的過渡態(tài)不甚明顯，這是由于高溫燒損的緣故。將過渡區(qū)制成透射電鏡薄膜，進行電子衍射以確定其物相，透射電鏡照片如圖6(a)所示，圖6(b)為圖6(a)白區(qū)的衍射花樣及計算后的晶面指數(shù)，圖6(c)為黑區(qū)的電子衍射花樣及計算后的晶面指數(shù)，同時對選區(qū)進行能譜分析，各區(qū)化學成份見表2，對照成份線掃描分析，可見選區(qū)為焊縫熔合線。經(jīng)計算黑區(qū)點陣常數(shù)a=0.3649　nm,白區(qū)a=0.3130　nm,故由點陣指數(shù)和點陣常數(shù)可知黑區(qū)為面心立方晶粒，白區(qū)為體心立方晶粒。即熔合線也是由奧氏體+鐵素體組成的，這與顯微硬度分析相一致，說明用NiCr奧氏體焊接材料焊接高錳奧氏體鋼在熔合線上沒有產(chǎn)生脆性組織。綜合上述試驗結果，看出在熔合線區(qū)域各種化學成份分別近似為母材和焊條成份的1/2，成線性分布，接頭的強度高于母材，并且斷在母材上，說明強度足夠，延伸率和冷彎角說明具有足夠的塑性，在焊縫上沒有產(chǎn)生脆性相，化學成份分布只與稀釋率有關。

表1

圖5　熔合線化學成份線掃描

(a)透射電鏡像×200K　　(b)白區(qū)電子衍射像　　(c)黑區(qū)電子衍射像
圖6　熔合線透射電鏡像和電子衍射像

表2

4　結論

　　綜上所述，可得出如下結論：
　　采用奧302焊條焊接20Mn23Al鋼可獲得足夠的強度和塑性的焊接接頭；焊縫組織和熔合線區(qū)域均為F+A，沒有產(chǎn)生脆性相；采用上述工藝可以解決20Mn23Al鋼的焊接問題，從而提高此鋼材的利用率。