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异种奥氏体钢焊接接头显微组织结构分析

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发表于 2010-9-12 15:56:39 | 显示全部楼层 |阅读模式

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1 前言

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  20Mn23Al钢属奥氏体钢无磁钢,在大型变压器中作拉杆使用,可避免漏磁场在钢中产生涡流热损耗。由于没有深入了解其可焊性问题,其利用率只有60%,造成很大浪费[1]。因此,研究合理可靠的焊接工艺,可高效利用无磁钢材,具有重要的经济意义。
  20Mn23Al钢的主要合金元素是Mn和Al,其中Mn是奥氏体形成元素,但在低温或冷变形下,Fe-Mn合金的奥氏体并不稳定,当Mn的含量在15%~28%之间时,可能发生ε马氏体相变,ε马氏体是一种六角密堆结构,这是由于固溶体中Mn的含量较高时层错下降而产生的,ε马氏体会导致钢的冷脆性,为了提高Fe-Mn合金奥氏体钢组织的稳定性,一般可增加C的含量。另外可加入Al元素,可显著降低马氏体的相变温度,从而提高其低温性能,同时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]。由此可见,此钢在高温条件下为单一奥氏体组织,能保持良好的无磁性能,低温性能也很好,在变压器中作拉杆使用。
  焊接20Mn23Al钢可能产生的问题是钢中的Al的过渡系数低,容易产生气孔,奥氏体钢焊接还会产生热裂纹问题,20Mn23Al钢和低碳钢焊接时,由于元素的稀释还会产生脆性组织,从而发生裂纹[3]

2 试验材料及方法

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2.1 试验材料
  20Mn23Al钢(见图1),热轧态,其化学成份为: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%。机械性能为:σ0.2>225 MPa,σb>530 MPa,δs=30%,ψ=50%。

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图1 20Mn23Al钢金相组织×200

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  为了防止在焊接Mn-Fe奥氏体钢过程中产生脆性组织、气孔以及热裂纹,焊接材料选用奥302进行试验。

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2.2 试验方法
2.2.1 焊接工艺
  20Mn23Al钢板厚12 mm,试样尺寸为300×400 mm,焊缝处开X型坡口,坡口角度为60°,中间留2 mm钝边,坡口之间留2 mm间隙。
  采用如下工艺进行焊接:
  (1)焊前应清理坡口处的水份、油污及锈迹;
  (2)焊条在使用前在150~200 ℃下烘干1.5~2 h,随取随用,避免焊条多次烘烤;
  (3)焊接时采用多层焊,焊接时焊条尽量不要摆动,焊接顺序见图2,第一、二道焊缝采用3.2 mm直径焊条,焊接电流100~110 A,第三、四道焊缝采用4 mm直径焊条,焊接电流为120~130 A,焊接速度为140~160 mm/min。

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图2 焊接顺序示意图

* I! n5 a5 I R# V% u! k, @

2.2.2 力学性能试验
  拉伸试验按GB-265标准进行,弯曲试验按GB2653-89标准进行,拉伸试样均去掉钢材原始表面,避免焊缝加厚高的影响,同时作显微硬度试验。
2.2.3 熔合区透射电镜分析及合金元素扫描分析
  透射电镜分析在JEM-2000FX上进行,进行了化学成份能谱分析,以及金相组织结构分析,在扫描电镜上进行了焊接接头的合金元素线扫描分析,确定合金元素的扩散情况。

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3 试验结果及分析

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图3 接头显微组织硬度分布

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* I# N: B0 x) Q) A& ^6 w- f5 X4 A$ S

图4 焊接接头显微组织×250

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  20Mn23Al钢接头拉伸试验和显微组织试验以及接头的冷弯试验,结果如表1所示。由表可知,接头抗拉强度σb>589MPa,ψ>21.4%。断裂位置均在母材处,冷弯角大于90°,图3为A302接头的显微组织硬度分布,最高显微硬度HV100为197.9。焊接接头的显微组织如图4所示,焊缝组织为奥氏体+δ铁素体的双相组织。根据金相法可测得铁素体含量约为15%,适量的δ铁素体含量对防止热裂纹有利,同时δ铁素体的存在可有效地消除单相奥氏体组织的方向性,从而使晶粒细化。从图2显微硬度分布可以看出HV不大于200,焊缝组织的显微硬度比母材稍高。由于母材是高锰奥氏体钢,而焊缝是NiCr奥氏体钢,在熔合线存在明显的过渡组织(见图4),其性能和组织是人们十分关心的问题,接头的合金元素线扫描分析如图5所示,可见Mn、Ni、Cr在熔合线处由浓度高处起呈线性降低,而Al的过渡态不甚明显,这是由于高温烧损的缘故。将过渡区制成透射电镜薄膜,进行电子衍射以确定其物相,透射电镜照片如图6(a)所示,图6(b)为图6(a)白区的衍射花样及计算后的晶面指数,图6(c)为黑区的电子衍射花样及计算后的晶面指数,同时对选区进行能谱分析,各区化学成份见表2,对照成份线扫描分析,可见选区为焊缝熔合线。经计算黑区点阵常数a=0.3649 nm,白区a=0.3130 nm,故由点阵指数和点阵常数可知黑区为面心立方晶粒,白区为体心立方晶粒。即熔合线也是由奥氏体+铁素体组成的,这与显微硬度分析相一致,说明用NiCr奥氏体焊接材料焊接高锰奥氏体钢在熔合线上没有产生脆性组织。综合上述试验结果,看出在熔合线区域各种化学成份分别近似为母材和焊条成份的1/2,成线性分布,接头的强度高于母材,并且断在母材上,说明强度足够,延伸率和冷弯角说明具有足够的塑性,在焊缝上没有产生脆性相,化学成份分布只与稀释率有关。

2 k; O+ K" e4 K4 L8 q

表1

0 E9 A$ D5 [" b P3 X
3 |2 D9 {- x; H) B" h7 y; j a! i4 c5 W. U9 s2 B; z/ {' ], w9 A- b& w1 d6 i' x/ H3 Y2 D1 T$ ?! p: {6 V0 n' g1 P" F8 h0 k7 n6 g! u* `) t- S x1 B2 Y' O- j, M, _# I& H: ?' _+ }* T- k5 M! _2 `/ z8 i* K2 K: c% u6 D$ g9 Y0 c% I2 b% q7 s3 A. [5 q3 N( X q* t/ k& R O) g% q4 L U8 p* ?: x* w) F- y9 {: E4 m. ` F) {" p: g. I" c( b! K' L* U0 }! N& G7 h: E/ k1 E0 p! V# f' G; j+ R: E! u5 ?" H% U' q4 w, c. g+ h/ [: S2 w ]; H; ~2 o/ N( a+ z( h- c4 m& ^6 A6 b7 W" Q5 R9 W/ w1 _- |, ]- {+ W9 t. Y) Q9 m" `3 a. Q* A0 C; z6 X$ e# k, @0 A/ X: g" K9 q; a7 F! A% L7 I0 P: H! l# [) F ~1 B* M1 c3 K4 F: i, I+ E2 x, `; N" f5 |" v4 o2 u% \/ I9 H: A* a' @/ B( u$ G5 k. P5 Y1 ~8 n, k1 I0 {2 i4 J$ [% l7 C
焊接材料 试样号 σb(MPa) σb均值(MPa) φ(%) 断裂位置
A302 1 610.1   21.7 BM
A302 2 656.3 618 21.4 BM
A302 3 589   22.6 BM
4 w6 v( e9 P7 m

2 i: J- u+ F7 u

图5 熔合线化学成份线扫描

; C( e. B6 n' b6 y4 j/ C

5 y8 C$ ^% o, s4 T+ w* {

(a)透射电镜像×200K  (b)白区电子衍射像  (c)黑区电子衍射像
图6 熔合线透射电镜像和电子衍射像

5 f: U* K7 a; n3 D3 L1 Y( W

表2

9 R0 L, z, G: x
) ?' W. @* W( [2 W2 L1 J7 N" x6 c4 J: @0 }- |6 O/ t! }& m* M0 d1 F7 E) R/ S: O s3 p9 I, C* c7 E& ]* i/ g g8 s7 f$ X8 U/ L2 d/ ~/ p0 D/ p8 s" \* B, l# m& o6 T" e# _' w1 x0 M- s7 i Q9 Z; y4 v; f( G6 i' N1 d8 d8 I, C- J1 k# }7 ] C+ N, P0 W7 v/ _9 [6 W/ Y9 q" B$ n w+ `" ]) i" z3 u( s$ F7 y- q4 w5 w" Q9 r4 F3 i' N" C7 x4 z! x5 f# U% S& y# X) y' Y* J6 {# H+ \# Z, C4 l' F3 ]* S4 J: ?6 E- T8 Y" R1 `" n8 y: }/ R( C7 g* f3 `* ^ D2 `: U. G# w4 ~! @" P# g) m$ e) B2 v2 c
  Fe% Cr% Mn% Ni%
白区 71.86 10.91 11.43 5.74
黑区 70.50 11.98 10.92 6.60
2 {* Q) U% ]! e

4 结论

9 J4 [% `! ?( M3 W/ k3 N

  综上所述,可得出如下结论:
  采用奥302焊条焊接20Mn23Al钢可获得足够的强度和塑性的焊接接头;焊缝组织和熔合线区域均为F+A,没有产生脆性相;采用上述工艺可以解决20Mn23Al钢的焊接问题,从而提高此钢材的利用率。【MechNet】

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