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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

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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

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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。

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表1

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1 N$ {5 z7 D9 m( L1 t# t4 E* S8 S" ` P6 v% t$ j; `$ N1 k$ Q# g$ F3 H3 b, o8 k4 H% E7 Q3 v) r2 o& ^6 C# o+ G g, Z/ ]( f+ d5 N6 A4 |0 g2 A, h' D2 \: e1 M+ l0 {* B& b% w6 A. c' I$ T/ S( k2 x4 ^6 {. s T. z7 P) F" ~' ?( n& i# B+ F& C1 T2 }% w( B5 F% t- L* Q7 k, y8 P' V' a/ |1 J* S# c. r6 M# D+ h5 B+ ~) |, s* a. K4 P! u& _' ]# F1 ^5 v) m8 i( N$ C, z8 A l* ~; b0 v0 {" ]' L/ t3 O) P0 p) a! a+ P# o) P7 T- v* b3 n2 _5 G) D( Y+ h' F% @ j$ p' H. i0 f( ^) O- q% v3 V4 J7 d# f; Y6 Q+ Q. b& {% O& w( D& i1 D1 `5 c+ B# M* a: O3 z& A6 D4 B$ F7 M% k! k+ ]8 L: K \. _3 |6 {3 [( ?. j& J# W" D! Y# c0 L! O- ^ f. S I' U" W9 C8 T5 l1 V3 z' a1 i8 Q7 q' c b B6 O2 t1 Z& P( l- z9 N; w7 A; S2 O' L' ?2 c% o& s. y/ N+ F
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

7 B/ r$ H$ ~3 ^; |
) F; i, v& \) k" P3 Z q3 m- R9 }. ^1 P* k3 C. c6 w7 J4 d( M" N4 D1 L; ^# \: R& O- `9 J* C& }1 Z* E( v7 [3 G( G- f/ [# X& [ V( ~4 }7 i# O; X9 U' P. e2 E9 G6 j$ S4 y8 A% e+ x8 R4 x" O# v; R7 u7 P9 w7 v8 @! Q0 r1 M7 t$ E1 y& Q; o/ i0 {* Z3 P# P; J+ e( y- e! ?) t4 F3 R: Z% M2 C8 M# p" C$ O) E; u0 C+ P, B5 d# \# B6 H. J$ ~4 J8 k% }8 n" T" r1 X: B; ?) c% f2 I0 @5 X* t. v7 c- y2 g" K& r( a" U6 [& @" ^( ?, e7 W4 x+ E: i3 S1 H( j+ b0 j! h# }( T% ~- d4 Y* A" q" U5 ^( B; j! q
  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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