异种奥氏体钢焊接接头显微组织结构分析

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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：σ_0.2＞225　MPa，σ_b＞530　MPa，δ_s=30%,ψ=50%。

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图1　20Mn23Al钢金相组织×200

　　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。

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

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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图4　焊接接头显微组织×250

　　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σ_b＞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。

表1

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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

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图5　熔合线化学成份线扫描

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(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

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表2

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	Fe%	Cr%	Mn%	Ni%
白区	71.86	10.91	11.43	5.74
黑区	70.50	11.98	10.92	6.60

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4　结论

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　　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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