在工程構件中，為了降低成本，節約材料，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(zhù)合金元素的擴散和遷移，使焊縫及鄰近母材兩側的組織結構發(fā)生復雜的變化，進(jìn)而對焊接接頭的性能產(chǎn)生很大影響。鑒于雙相不銹鋼與Q235A異種金屬在焊接過(guò)程中可能出現的特殊問(wèn)題，如焊縫金屬的稀釋、異種鋼熔合區的組織變化以及不銹鋼側焊縫的雙相比例是否合適等，因此，對在不同焊接工藝條件下獲得的接頭進(jìn)行微觀(guān)組織結構分析和力學(xué)性能測試，以期保證焊接接頭具有良好的性能，從而滿(mǎn)足工程應用對其強度等性能要求。

 一、異種接頭的微觀(guān)組織結構分析

   1. Q235A-WM界面金相組織觀(guān)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的晶體結構與焊縫金屬存在較大差異，使該界面的組織形態(tài)較為復雜。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；而在焊縫熔合區一側形成一層黑色的增碳層，這種脫碳層與增碳層統稱(chēng)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(guān)形貌，發(fā)現采用GTAW打底和SMAW蓋面焊獲得接頭的碳遷移現象不是很明顯，因此采用該工藝接頭的焊接質(zhì)量較好。

    目前，國內外對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。一般認為，由于兩種金屬的熱導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、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。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 )引起碳元素的擴散，在靠近Q235A碳鋼焊縫一側，形成了鐵素體的脫碳層而軟化，在不銹鋼焊縫一側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，將引起應力集中，該部位通常是大量馬氏體、碳化物、類(lèi)馬氏體聚集的區域，從而降低焊接接頭的高溫持久強度和塑性。為了減少碳遷移現象或減少碳遷移過(guò)渡層的寬度，除了應選擇成分合適的焊接材料外（例如應選用含有較多強碳化物形成元素的填充材料），還應力求焊縫中存在能增大碳活度系數的元素。實(shí)踐表明，焊縫金屬中含有一定量的鎳可較顯著(zhù)減少增碳層及脫碳層的寬度。

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

   2.  Q235A-WM界面合金元素線(xiàn)掃描分析

   異種鋼焊接區域中的某些合金元素、特別是碳的擴散，導致在熔合區中形成擴散層。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向不銹鋼焊縫擴散遷移；與此同時(shí)，鉻、鎳元素則從焊縫向母材熔合區擴散遷移。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 中碳的擴散能力都比其它合金元素大104~106倍。合金元素擴散遷移的最終結果是在熔合區靠近碳鋼母材一側形成脫碳鐵素體層，而在靠近不銹鋼焊縫一側或焊縫熔合區處形成高硬度的黑色增碳層。對在兩種工藝條件下所獲的接頭D、E按圖中示意的線(xiàn)掃描位置進(jìn)行元素線(xiàn)掃描，分析從焊縫金屬到母材的化學(xué)成分變化情況，兩種接頭的分析測試結果如圖所示。

   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發(fā)生了明顯的變化，即在靠近焊縫側極小范圍內元素含量降低較小，而在靠近熔合線(xiàn)處突然降低，在熔合區內呈梯度變化，分析發(fā)現，Ni、Mn、Mo元素的含量在熔合區變化較小，但是Cr元素在熔合區存在一個(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散，在熔合區形成明顯的濃度梯度，但遠離熔合區合金元素仍然呈均勻分布，未發(fā)現有合金元素偏析現象。異種金屬焊接熔合區是一個(gè)多組元體系，擴散的驅動(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散元素的活度

 。

  3. 焊縫金屬的金相觀(guān)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、固界面前沿將出現一個(gè)很小的成分過(guò)冷區，當成分過(guò)冷區較大時(shí)，在一個(gè)晶粒內生長(cháng)出一個(gè)很長(cháng)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)冷區域，主干向四周伸出的二次橫枝也得到很好的生長(cháng)，生成的二次橫枝抑制了周?chē)渌鼇喚У纳L(cháng)，形成了樹(shù)枝狀結晶。 在2205-Q235A異種接頭焊縫金屬中，當鐵素體、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(zhù)，在焊接過(guò)程中，碳鋼中的碳元素會(huì )通過(guò)熔合線(xiàn)向焊縫金屬一側發(fā)生遷移，碳元素在擴散過(guò)程中易于在熔合區形成碳化物（M23C6）以及類(lèi)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，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(zhù)降低接頭的塑性、韌性；此外，還可能導致接頭焊縫部位出現貧鉻區而使接頭的耐腐蝕性能降低。因此，有必要對獲得接頭的焊縫金屬進(jìn)行XRD相結構組成分析。

  5. 焊縫金屬的透射電鏡觀(guān)察

   材料的力學(xué)性能與材料中的亞結構—位錯有很大的聯(lián)系，位錯在晶體中運動(dòng)的阻力除點(diǎn)陣阻力外，還有位錯與位錯之間的交互作用而產(chǎn)生的阻力；運動(dòng)位錯交截后形成的扭折和割階，尤其是螺型位錯的割階對位錯起釘扎作用，導致位錯運動(dòng)的阻力增加；位錯與其它晶體缺陷如點(diǎn)缺陷、其它位錯、晶界和第二相質(zhì)點(diǎn)等發(fā)生交互作用，對位錯運動(dòng)均會(huì )產(chǎn)生阻力，導致晶體強化。采用透射電鏡觀(guān)察焊縫金屬的微觀(guān)亞結構如圖所示。焊縫組織中由于晶面強烈滑移導致形成高密度位錯型胞狀亞結構，其轉變特征可能是以晶格畸變?yōu)橹鞯臒o(wú)擴散型相變，在相變過(guò)程中并不涉及到化學(xué)鍵的破壞，勢壘較小，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)滑移或孿生的方式來(lái)實(shí)現。圖中位錯在障礙物前塞積，越靠近障礙物處排列越密集，后面的位錯間距則逐漸增大。當位錯運動(dòng)到晶界附近時(shí)，由于晶界兩側晶粒的取向不同，加之這里雜質(zhì)原子較多，增大了晶界附近的滑移阻力，因此位錯線(xiàn)在晶界處相互纏結，并塞積在晶界處形成胞狀組織，雜質(zhì)原子與位錯的相互作用進(jìn)而阻礙位錯運動(dòng)，從而提高了塑性變形的抗力。從圖中可看出位錯聚集于晶界兩側。位錯在障礙物前塞積，高密度的位錯纏繞等微觀(guān)亞結構在一定程度上提高了接頭的強度和硬度。

二、異種接頭的力學(xué)性能分析

   焊接接頭的力學(xué)性能是影響焊接結構使用性能的重要因素之一，由于異種金屬焊接的特殊性，對接頭使用性能的要求越來(lái)越引起人們的關(guān)注，因此，在焊接后需對獲得接頭的力學(xué)性能進(jìn)行測定，以評價(jià)焊接接頭的質(zhì)量。對接頭的力學(xué)性能進(jìn)行評價(jià)，對于改進(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)性能試驗主要包括拉伸和硬度等試驗，研究不同焊接工藝對接頭的拉伸強度和顯微硬度的影響規律，確保獲得接頭的力學(xué)性能能夠滿(mǎn)足實(shí)際工程結構的使用要求。

 1. 異種接頭拉伸性能測試

    進(jìn)行接頭拉伸試驗的主要目的是測定其抗拉強度，并根據相應標準或產(chǎn)品技術(shù)條件對焊接結構進(jìn)行評定。焊接接頭的橫向拉伸試驗按GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗法》進(jìn)行，其主要特點(diǎn)是焊接接頭各區在拉伸加載時(shí)，承受相同數值的應力，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。拉伸試驗時(shí)，每種試樣均測量三次，然后取平均值，幾種焊接接頭的拉伸試驗結果見(jiàn)表。

   從表中的結果可看出，兩種接頭的抗拉強度平均值分別為445.6MPa、440.2MPa，且拉伸試樣均斷裂在強度相對較低的Q235A母材一側。因此，從獲得接頭的強度來(lái)看，接頭的力學(xué)性能應該是合格的，能夠滿(mǎn)足工程結構對接頭的強度要求，其中接頭的抗拉強度最高，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焊縫金屬的稀釋作用，減少熔合區中碳的擴散，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)又對上一層焊道起到熱處理的作用，有利于細化組織晶粒，促進(jìn)接頭熱影響區中的鐵素體向奧氏體轉變，在一定程度上降低接頭的殘余應力，從而獲得滿(mǎn)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，韌窩的數量多且分布密集，韌窩尺寸較小，其斷裂機制為微孔聚集型斷裂。在正應力作用下，由于滑移面上有位錯堆積，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(cháng)大，連接聚集并繼續產(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展，在夾雜物與金屬基體之間局部區域產(chǎn)生“內縮頸”，當縮頸的尺寸達到一定程度后被撕裂而使空洞連接，最終導致整個(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構。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(mǎn)足實(shí)際使用要求。

  2.異種接頭顯微硬度測試

   硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標，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，試驗方法簡(jiǎn)單、迅速，不需要專(zhuān)門(mén)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(guān)組織將發(fā)生較大變化。因此，有必要對接頭界面Q235A-WM與WM-2205雙相不銹鋼的顯微硬度分布進(jìn)行測試分析，為判斷焊接接頭的質(zhì)量提供依據。

  圖為測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(xiàn)，從圖中可看出，兩條硬度分布曲線(xiàn)的變化規律基本一致。圖中焊縫金屬的平均硬度要比Q235A母材和熱影響區的高，而且在熔合線(xiàn)附近硬度值有突變，遠離該區域后，硬度值均呈現平緩變化。熔合線(xiàn)附近硬度值存在這種突變的原因是：

     a. 由于Q235A鋼中除了含Fe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擴散將造成對整個(gè)焊縫金屬的稀釋?zhuān)瑫?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出現馬氏體、碳化物等脆性相；

    b. 由于碳元素的遷移，在Q235A碳鋼一側形成珠光體脫碳層而使接頭發(fā)生軟化，而在焊縫一側形成了高硬度的黑色增碳層，使得該區的硬度值明顯提高。圖中2205雙相不銹鋼母材一側熱影響區的硬度值高于2205母材和焊縫金屬的硬度，這是由于熱影響區受到了復雜的熱循環(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268HV。所以，在焊接時(shí)必須適當控制線(xiàn)能量和冷卻速率，使接頭熱影響區中的鐵素體能夠充分轉變?yōu)閵W氏體，使焊縫組織中兩相的比例保持在合適范圍內，從而獲得具有良好力學(xué)性能的焊接接頭。

三、總結

    浙江至德鋼業(yè)有限公司對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)行了系統的微觀(guān)組織結構分析和力學(xué)性能測試，得到以下主要結論：

 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，引起碳原子的擴散，在熔合線(xiàn)附近的Q235A碳鋼一側形成了鐵素體的脫碳層而軟化，在不銹鋼焊縫一側則形成了高硬度的黑色增碳層。通過(guò)元素線(xiàn)掃描對該界面進(jìn)行分析發(fā)現，Cr、Ni、Mn、Mo等合金元素的濃度在焊接熔合區發(fā)生了明顯變化，尤其是Cr元素在靠近熔合線(xiàn)處突然降低，在熔合區內呈梯度變化，但并未出現合金元素偏聚現象。 

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

 3. 接頭的力學(xué)性能測試表明，兩種工藝獲得接頭的拉伸斷裂位置均發(fā)生在Q235A母材側，表明接頭完全能夠滿(mǎn)足工程結構對其強度要求，其中接頭的強度較高，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試表明，在兩種工藝條件下所獲接頭的硬度分布變化規律基本一致，2205雙相不銹鋼界面，熱影響區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，且在焊縫金屬側熔合區的顯微硬度值最高，這是由于碳元素發(fā)生遷移的結果。