药芯焊丝镍含量对25Cr2Ni4MoV高强钢焊接接头组织与性能的影响

张 敏，张 林，王博玉，贾 芳，夏 拓

(西安理工大学材料科学与工程学院，西安 710048)

0 引 言

离心风机作为工业生产中提供气体动力的重要设备，广泛应用于各个工业领域[1]，其核心零部件叶轮的质量直接影响风机的服役寿命。目前，大多数叶轮采用焊条电弧焊工艺生产，其效率低下，焊接质量不稳定[2]。风机叶轮常用材料为25Cr2Ni4MoV调质高强钢，在焊接过程中存在接头强韧性匹配较差的问题。研究[3-4]发现，通过控制焊缝金属成分可以得到韧性好的组织，从而使高强钢焊接接头实现良好的强韧性匹配。因此，为了保证焊接叶轮质量，提高生产效率，新型焊接材料的开发势在必行。

镍作为高强钢中重要元素，可以通过固溶强化来提高钢的强度。但是有研究[5]发现，镍含量较高时会导致钢的马氏体转变开始温度Ms降低，残余奥氏体增多，屈服强度降低。研究表明[6]，镍元素的存在可以增加焊缝组织中贝氏体和马氏体组织含量，从而提高接头的强度，同时促进针状铁素体的形成，从而改善接头的低温冲击韧性。镍含量过高时，焊缝组织中贝氏体和马氏体含量增加对焊接接头韧性的不利影响大于针状铁素体的细化作用和对韧性的改善作用，接头韧性降低[7-9]。可知，镍含量是控制焊接接头强韧性的关键元素。基于此，作者根据25Cr2Ni4MoV钢的化学成分，设计了3种不同镍含量的金属型药芯焊丝，对25Cr2Ni4MoV钢板进行熔化极活性气体保护电弧焊(MAG焊)，研究了药芯焊丝镍含量对接头组织和性能的影响，以期为25Cr2Ni4MoV钢焊接用金属型药芯焊丝的成分设计提供参考。

1 试样制备与试验方法

母材为尺寸300 mm×500 mm×16 mm 的25Cr2Ni4MoV调质高强钢板，化学成分见表1，其屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和室温冲击吸收功分别为781 MPa,1 125 MPa,16.6%，31 J。根据25Cr2Ni4MoV钢的化学成分以及各合金元素对焊缝金属冷却凝固和相变过程的影响，采用Cr-Ni-Mo系作为金属型药芯焊丝的主合金系，同时添加微量元素锰、钒、铌、硅和稀土元素等，设计了3种药芯焊丝，其中镍的质量分数分别为15%，19%，23%，其他元素成分(质量分数/%)为5.5Cr,1(Si-Fe),3.25Mo,3.5Mn,1(V-Fe),1.1(Nb-Fe),0.5La2O3,余Fe。铬、钼元素具有固溶强化、增加淬透性及提高强度的作用；钼、铌元素能促进焊缝组织形成针状铁素体，提高焊缝的冲击韧性，并通过细晶强化和沉淀强化提高接头的抗拉强度[10]；稀土元素在结晶形核时可提供更多形核质点，细化晶粒，同时改善焊缝组织的形态，提高韧性[11]。以截面尺寸为7 mm×0.3 mm的Q235低碳钢作为钢带，使用钢带成型轧拔法制备直径为1.2 mm的金属型药芯焊丝，由于钢带的合金元素含量很少，因此焊缝金属中合金成分主要来自药芯。

表1 25Cr2Ni4MoV调质高强钢的化学成分

采用Panasonic弧焊机器人进行多层多道MAG焊，保护气体为体积分数90%Ar+10%CO2，气体流量为15～20 L·min-1，焊接坡口为V型坡口，焊接电流在226～270 A，焊接电压为22.4～26.6 V，焊接速度为0.25 m·min-1。焊前进行300～350 ℃的预热，焊接时层间温度保持在250～300 ℃，焊接结束后进行400 ℃×(1～1.5) h +550 ℃×(4～5) h的去应力退火处理。将采用镍质量分数为15%，19%，23%药芯焊丝制备的焊接接头分别标记为1#接头、2#接头和3#接头。

在焊接接头上沿垂直于焊缝方向截取金相试样，经打磨、抛光，用5 mL盐酸+1 g苦味酸+100 mL水组成的溶液腐蚀后，采用OLYMPUS-GX71型光学显微镜观察显微组织，采用JSM-6700F型扫描电子显微镜(SEM)观察微观形貌，并用附带的能谱仪(EDS)分析微区成分。按照GB/T 2651-2008，在焊接接头上以焊缝为中心垂直于焊缝方向截取拉伸试样，试样标距为25 mm，采用17HT-2402型电子万能拉伸试验机进行室温拉伸试验，拉伸速度为1 mm·min-1，每组测3个平行试样取平均值。按照GB/T 2650-2008，在焊接接头上垂直于焊缝方向截取V型缺口冲击试样，缺口位于焊缝中心，采用NI750F型冲击试验机进行室温冲击试验，采用扫描电镜观察冲击断口形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 对焊缝成形质量的影响

不同镍含量下焊缝成形质量均无明显变化，因此以1#接头为例进行宏观形貌观察。由图1可以看出，焊缝成形美观，宽度均匀，与母材的过渡形式为鱼鳞状咬合波纹，焊缝中不存在气孔、裂纹等缺陷。可知，不同镍含量药芯焊丝制备的接头焊缝成形质量良好。

图1 1#接头焊缝表面和截面宏观形貌Fig.1 Surface (a) and Section (b) macromorphology of 1# joint weld

2.2 对焊缝显微组织的影响

由图2可以看出，3种药芯焊丝制备的接头焊缝组织主要由板条马氏体组成。1#接头焊缝中马氏体较粗大，其分布具有明显的方向性；2#接头和3#接头焊缝组织中板条马氏体较细小，且数量较多，其中2#接头焊缝的马氏体分布较均匀，而3#接头焊缝的马氏体具有一定的方向性，同时板条束有一定程度的长大。

由图3可以看出：2#接头和3#接头焊缝组织中除板条马氏体(M)外，还观察到贝氏体(B)以及针状铁素体(AF)，同时还存在一定量的球形夹杂物，EDS分析显示为锰和硅的氧化物夹杂；与2#接头焊缝组织相比，3#接头焊缝马氏体板条方向性更明显，且组织较粗大。25Cr2Ni4MoV钢焊接接头中的铬质量分数小于20%，焊接熔池在冷却时先完全转变为奥氏体[12-13]，在过冷奥氏体冷却过程中，贝氏体先在原奥氏体晶界形核且向晶内生长，随冷却过程的继续进行，未转变的奥氏体转变成马氏体。组织中存在的夹杂物成为针状铁素体的形核核心，从而形成少量针状铁素体组织[13-14]。根据Andrews经验公式[15]，随着镍含量的增加，贝氏体和马氏体转变开始温度降低，因此在焊后冷却过程中，焊缝中更容易形成贝氏体和马氏体。2#和3#接头热影响区组织均由贝氏体和马氏体组织组成，同时存在明显的原奥氏体晶界，贝氏体组织一部分以针状形式分布在原奥氏体晶粒内，另一部分从原奥氏体晶界处向晶内延伸生长。原奥氏体晶粒内部的针状贝氏体会阻碍马氏体转变，抑制马氏体组织长大，进而细化马氏体组织。

图3 2#接头和3#接头焊缝和热影响区的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of heat (a-b) and heat affected zone (c-d) of 2# joint (a, c) and 3# joint (b, d)

2.3 对接头力学性能的影响

由表4可以看出，随着药芯焊丝中镍含量的增加，焊接接头的强度先升高后降低。这是由于随着镍含量的增加，镍的固溶强化作用增强，同时板条马氏体组织细化，因此接头强度提高；但当药芯焊丝中镍质量分数超过19%时，焊缝中板条马氏体组织粗化[6-7]，接头强度又降低。随着药芯焊丝中镍含量的增加，接头的断后伸长率和冲击吸收功增大，说明接头的塑性和冲击韧性提高，可能原因是针状铁素体组织对接头韧性提高的作用大于马氏体组织粗化的影响。针状铁素体的存在使焊缝组织中存在较多的大角度晶界，导致裂纹扩展时路径变长，裂纹扩展阻力增加，因此接头具有更好的冲击韧性[16]。2#接头的强度最高，冲击吸收功高于母材，计算得到2#接头焊缝强度匹配系数为0.81，因此该焊接接头属于低强匹配。25Cr2Ni4MoV钢的强度极高，焊接接头达到等强匹配技术难度大，即使得到等强匹配焊接接头，其塑韧性也会有一定程度降低，而采用低强匹配可得到较高韧性储备，对接头综合性能有利。

表4 不同接头的力学性能及拉伸断裂位置

由图4可见，不同接头的冲击断口均存在大量韧窝，呈韧性断裂特征，同时韧窝底部还存在球形夹杂物颗粒。1#接头冲击断口上的韧窝较浅且存在少量解理小平面，2#接头冲击断口中部分韧窝趋于扁平状，相比于1#和2#接头，3#接头冲击断口中扁平状韧窝减少且韧窝变深，韧窝凹凸明显，表明接头断裂前发生的塑性变形最大，接头塑性最好，与力学性能测试结果相符合。

图4 不同接头冲击断口SEM形貌Fig.4 SEM morphology of impact fracture of different joints: (a) 1# joint; (b) 2# joint and (c) 3# joint

3 结 论

(1) 不同镍含量药芯焊丝制备的接头焊缝成形质量好，焊缝宽度均匀，与母材间以鱼鳞状咬合波纹过渡。焊缝组织均由板条马氏体、贝氏体及少量针状铁素体组成，当药芯焊丝中镍质量分数由15%增加到19%时，焊缝中板条马氏体细化，且分布更加均匀，而当镍质量分数超过19%时，板条马氏体粗化，并呈一定方向性分布。镍含量为19%23%时，接头热影响区组织均由贝氏体和马氏体组成。

(2) 随着药芯焊丝中镍含量的增加，接头的强度先升高后降低，断后伸长率和冲击吸收功增加。当药芯焊丝中镍质量分数为19%时，接头具有最高的抗拉强度和较大的冲击吸收功，分别达到920 MPa和48 J，此时接头具有较好的强韧性匹配。