不同焊接方法下20Mn23Al无磁钢焊接接头的显微组织与性能

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(西安理工大学材料科学与工程学院，西安 710048)

0 引 言

20Mn23Al无磁钢具有极低的磁导率，广泛应用于制造变压器的油箱及其他附件[1-2]。由于无磁钢是根据变压器制造厂的特殊要求而生产的电工材料，在普通的机械领域中很少用到，因此国内外并没有针对无磁钢的成熟的焊接工艺及专用的焊接材料。对20Mn23Al无磁钢进行焊接时通常采用不锈钢焊接材料，常用的焊接方法主要有气体保护焊、手工电弧焊和埋弧焊。对于厚度小于14 mm的20Mn23Al无磁钢薄板，李立新[3]采用A302和A132焊条对其进行焊接，而李创基[4]采用研制的专用焊条KTD-286A对其进行焊接。对于厚度大于14 mm的20Mn23Al无磁钢厚板，翟卫东[5]采用埋弧焊对其进行焊接。20Mn23Al无磁钢的显微组织为单相奥氏体，在焊接过程中随热输入的增加，奥氏体晶粒变粗，热影响区的敏化温度区间变宽，从而导致焊接接头的耐腐蚀性能下降，使焊接接头容易出现热裂纹[6]。为了研究不同焊接方法对20Mn23Al无磁钢组织和性能的影响，作者选用变压器常用的3种焊接方法，即非熔化极惰性气体钨极保护焊-熔化极气体保护焊(TIG-GMAW)、非熔化极惰性气体钨极保护焊-手工电弧焊(TIG-SMAW)和非熔化极惰性气体钨极保护焊-埋弧焊(TIG-SAW)对厚度12 mm的20Mn23Al无磁钢板进行焊接，对比不同焊接方法下20Mn23Al无磁钢焊接接头的显微组织、力学性能和耐腐蚀性能，为10～14 mm厚20Mn23Al无磁钢板的焊接提供试验参考。

1 试样制备与试验方法

试验材料为20Mn23Al奥氏体无磁钢板，供货态为轧制态，化学成分如表1所示，显微组织如图1所示。由图1可以看出，试验钢的组织为单相奥氏体，沿轧制方向呈带状分布。焊接材料为E316LT0-1不锈钢焊丝、E309-16(A302)焊条、H08Cr21Ni10Si埋弧焊焊丝搭配HJ260焊剂，3种焊材的化学成分如表2所示。

表1 20Mn23Al钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of 20Mn23Alsteel (mass) %

图1 20Mn23Al钢的显微组织Fig.1 Microstructure of 20Mn23Al steel

Table 2 Chemical composition of welding materials (mass) %

分别采用TIG-GMAW、TIG-SMAW、TIG-SAW焊接方法对尺寸为300 mm×150 mm×12 mm的试验钢板进行对接焊，这3种焊接方法均采用TIG进行打底焊，用GMAW、SMAW、SAW进行填充、盖面焊接[7-9]。采用TIG-GMAW、TIG-SMAW焊接时，钢板两边均开Y形坡口，钝边2 mm，采用TIG-SAW焊接时，钢板两边均开X形坡口。焊接前，对坡口两侧20 mm范围区域进行清理。用TIG进行焊接时采用纯氩气作为保护气体，用GMAW进行焊接时采用80%(体积分数,下同)Ar+20%CO2作为保护气体。3种焊接方法的焊接工艺参数如表3所示。用SMAW进行焊接时采用直流反接。焊接前对钢板进行120 ℃预热，焊后随炉冷却，以降低焊接接头的残余应力。

在焊缝区域截取金相试样，经打磨、抛光,用王水溶液腐蚀后，在OLYMPUSGX71型光学显微镜上观察母材和焊缝的显微组织。采用HV-120型维氏硬度计从母材到焊缝每隔1 mm测硬度，载荷为200 N，保载时间为15 s。按照GB/T 2652-2008，以焊缝为中心，在焊接接头处截取如图2(a)所示的拉伸试样，采用SHT5106型拉伸试验机进行室温拉伸试验，拉伸速度为0.5 mm·min-1。按照GB/T 2650-2008，以焊缝为中心，在焊接接头上截取如图2(b)所示的冲击试样，采用JB-300B型冲击试验机进行冲击试验，试验温度分别为20，-20 ℃，在JSM-6700F型冷场发射扫描电镜(SEM)上观察冲击断口形貌。在焊接接头焊缝处截取尺寸为30 mm×20 mm×4 mm的试样，逐级打磨至1000#，按照JB/T 7901-2001进行腐蚀试验，腐蚀介质为由体积分数2.5%H2SO4和体积分数2.5%HCl组成的水溶液，采用水浴加热，试验温度35 ℃，试验时间72 h，腐蚀试验结束后，在流水中用软毛刷对试样表面进行轻微机械清洗，去除附着不牢固的或疏松的腐蚀产物，清理完成后迅速干燥并贮存于干燥器内，冷却至室温后用FA2004N型电子天平测试样腐蚀前后的质量，腐蚀速率的计算公式[10]为

表3 不同焊接方法的工艺参数Table 3 Process parameters of different welding methods

图2 拉伸和冲击试样的尺寸Fig.2 Dimensions of tensile (a) and impact (b) samples

(1)

式中：R为腐蚀速率，mm·a-1；m为试验前试样的质量，g；m1为试验后试样的质量，g；S为试样的表面积，cm2；t为试验时间，h；ρ为材料的密度，kg·m-3。

每种焊接方法下测5个数据，选取中间3个数据取平均值，得到不同焊接方法下试样的平均腐蚀速率。采用JSM-6700F型冷场发射扫描电镜观察腐蚀形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图3(a)～图3(c)可以看出：TIG-GMAW接头焊缝的显微组织由奥氏体、网状δ铁素体和碳化物组成，δ铁素体的存在可以有效地消除单相奥氏体的方向性，使其晶粒细化，从而提高焊缝的强度[11]，同时还可起到抗裂、耐晶间腐蚀的作用[12]；打底焊焊缝的晶粒尺寸最小，填充焊焊缝的次之，盖面焊焊缝的最大。由图3(d)～图3(f)可以看出，TIG-SMAW接头焊缝的显微组织由奥氏体、骨骼状或蠕虫状δ铁素体和碳化物组成，δ铁素体分布于奥氏体基体中；打底焊焊缝的晶粒尺寸最小，填充焊焊缝的次之、盖面焊焊缝的晶粒尺寸最大。由图3(g)～图3(i)可以看出：TIG-SAW接头焊缝的显微组织由奥氏体、骨骼状δ铁素体和碳化物组成，δ铁素体分布于奥氏体基体中，导致焊缝的塑性较差；TIG-SAW接头焊缝的晶粒尺寸比其余2种焊接方法下的大，且盖面焊的组织为粗大的树枝晶，这是由于SAW焊接电流较大，热效率高，奥氏体易于长大而导致的。20Mn23Al钢为无磁钢，这就要求焊缝组织也应具有抗磁性。δ铁素体属于体心立方体结构，为铁磁体组织，其含量越多，磁导率则越大，抗磁性能越好；但其含量过多会造成20Mn23Al钢变脆。焊缝组织中δ铁素体的面积分数以5%最为适宜[3]。

2.2 维氏硬度

由图4可知：3种焊接方法下，焊接接头焊缝的硬度最高，焊接热影响区(HAZ)的次之，母材的最低；TIG-SMAW接头焊缝的硬度最高、TIG-GMAW接头焊缝的次之。在焊接过程中，部分母材和焊材中的合金元素在高温电弧作用下固溶于焊缝而产生固溶强化作用，因此焊缝的硬度高于母材和HAZ的；在焊接过程中，HAZ处于半熔融状态，在凝固时会有相析出，从而产生沉淀强化，因此HAZ的硬度高于母材的。

图3 3种焊接方法下焊接接头中不同焊道焊缝的显微组织Fig.3 Microstructures of different bead welds of welded joints by three welding processes: (a) backing weld of TIG-GMAW; (b) filling weld of TIG-GMAW; (c) cosmetic weld of TIG-GMAW; (d) backing weld of TIG-SMAW; (e) filling weld of TIG-SMAW; (f) cosmetic weld of TIG-SMAW; (g) backing weld of TIG-SAW; (h) filling weld of TIG-SAW and (i) cosmetic weld of TIG-SAW

图4 3种焊接方法下焊接接头的硬度分布Fig.4 Hardness distribution of welded joint by three welding processes

TIG-SAW过程中的热效率比较高，为0.85，焊缝区域温度升高得较快，因此铬的扩散速率增大，使得晶界处不易形成贫铬区，导致碳化物的形成受到抑制；同时焊接过程中的热循环峰值温度很高[13-14]，焊缝在高温处停留的时间也随之增加，从而促进了奥氏体的长大，并使得析出相含量较低。因此，TIG-SAW接头焊缝的硬度最低。在TIG-SMAW过程中，焊缝中的析出相最多，强化效果最明显，因此硬度最高。

2.3 拉伸性能

拉伸时TIG-GMAW接头在焊缝处断裂，TIG-SMAW和TIG-SAW接头均在母材处断裂。由表4可以看出：3种焊接方法下焊接接头的拉伸性能均满足变压器的使用要求，且TIG-SMAW焊接方法下接头的拉伸性能优于其他2种焊接方法下的。

表4 3种焊接方法下焊接接头的拉伸性能Table 4 Tensile properties of welded joints by threewelding processes

2.4 冲击性能

TIG-GMAW、TIG-SMAW、TIG-SAW接头在20 ℃时的冲击功分别为79.5,71.0,31.5 J，在-20 ℃时的冲击功分别为71,63,18 J，均满足变压器的使用要求。

由图5(a)～图5(c)可以看出：在20 ℃时，TIG-GMAW、TIG-SMAW接头的冲击断口均呈韧窝状，韧窝分布均匀，焊接接头均为韧性断裂，且TIG-GMAW接头断口的韧窝大而深，因此该接头的韧性更好；TIG-SAW接头的冲击断口呈现韧窝、解理台阶和解理条纹等形貌，呈韧性和准解理混合断裂特征，该焊接接头的韧性较差，这与TIG-SAW的热输入较大，导致所形成的柱状晶较粗大有关。TIG-GMAW接头的晶粒细小，一定体积内的晶粒数量较多，在塑性变形时位向有利的晶粒较多，变形可均匀地分散到各个晶粒上；且晶粒越细小，晶界越多，越有利于裂纹的扩展，使得接头在断裂前可获得更大的塑性变形。因此，TIG-SMAW接头的塑性最好。

由图5(d)～图5(f)可以看出：在-20 ℃时，TIG-GMAW、TIG-SMAW接头冲击断口中的韧窝均较小，且分布均匀，焊接接头为韧性断裂，与20 ℃时的相比，韧性稍差；TIG-SAW接头呈韧性和准解理混合断裂特征，但与20 ℃时的相比，其解理台阶和解理条纹的数量较多，韧性较差。

图5 3种焊接方法下焊接接头在不同温度冲击后的断口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of impact fracture at different temperatures of welded joints by three welding processes

2.5 耐腐蚀性能

由表5可以看出，TIG-SAW接头的腐蚀速率最大，TIG-SMAW接头的最小。

由图6可以看出：TIG-GMAW接头的腐蚀严重，表面出现大量的腐蚀坑，并且部分区域已经脱落；TIG-SMAW接头表面腐蚀坑的数量较少，且腐蚀坑比TIG-GMAW接头的浅很多，说明TIG-SMAW接头的腐蚀较轻微；TIG-SAW接头表面腐蚀坑尺寸最大，说明其腐蚀最严重。综上可知，TIG-SMAW接头的耐腐蚀性能最优，TIG-GMAW接头的次之，TIG-SAW接头的最差，这与焊接时的热输入有关。焊接热输入越大，焊接接头的腐蚀越严重[15]。在焊接过程中，热影响区的温度高达400 ℃及以上，导致接头的晶粒粗大；温度升高还导致碳原子更易扩散到晶界处，碳原子与铬原子反应生成Cr23C6，使晶界处形成贫铬区，Cr23C6与贫铬区构成腐蚀电池，导致其耐腐蚀性能降低。随着焊接热输入的增大，焊接熔池在高温阶段停留的时间延长，贫铬区扩大，从而导致焊接接头的耐腐蚀性能进一步降低。

表5 3种焊接方法下焊接接头的腐蚀速率Table 5 Corrosion rates of welded joints by threewelding processes mm·a-1

图6 3种焊接方法下焊接接头的腐蚀形貌Fig.6 Corrosion morphology of welded joint by three welding processes

3 结 论

(1) 在TIG-GMAW、TIG-SMAW、TIG-SAW焊接方法下，焊接接头焊缝的显微组织均由奥氏体、δ铁素体和碳化物组成，TIG-SAW焊接接头焊缝的晶粒尺寸比其余2种焊接方法下的大。

(2) 3种焊接方法下，焊接接头焊缝的硬度最高，焊接热影响区(HAZ)的次之，母材的最低；TIG-SMAW接头焊缝的硬度最高，TIG-GMAW接头焊缝的次之，TIG-SAW接头焊缝的最低；TIG-SMAW焊接方法下接头的拉伸性能优于其他2种焊接方法下的。

(3) TIG-GMAW接头的冲击韧性最好，TIG-SMAW接头的次之，TIG-SAW接头的最差；TIG-GMAW、TIG-SMAW接头的冲击断口均存在大量韧窝，为韧性断裂；TIG-SAW接头冲击断口存在韧窝、解理台阶和解理条纹，呈韧性和准解理混合断裂特征。

(4) TIG-GMAW、TIG-SMAW、TIG-SAW接头的平均腐蚀速率分别为80.15，79.50，83.54 mm·a-1；TIG-GMAW接头腐蚀严重，表面出现大量的腐蚀坑，并且部分区域已经脱落；TIG-SMAW接头表面腐蚀坑的数量较少，且腐蚀坑比TIG-GMAW接头的浅很多，腐蚀较轻微；TIG-SAW接头表面腐蚀坑尺寸最大，腐蚀最严重；TIG-SMAW接头的耐腐蚀性能最好，TIG-GMAW接头的次之，TIG-SAW接头的最差。