轧制组织对304L/Q345R复合板焊接裂纹敏感性的影响规律

摘" 要： 复合板热轧过程中的组织演变、界面元素扩散以及脆性相析出，对其焊接质量有着重要影响.一些焊接性评定方法在测试裂纹敏感性时并不会开裂，所以将筋板拘束裂纹敏感性试验方法用于研究轧制组织对304L/Q345R复合板裂纹敏感性的影响规律.在拘束应力与热处理条件相同时，通过在板厚方向不同位置开设坡口进行焊接裂纹敏感性试验，来反映不同轧制组织特征对焊接裂纹敏感性的影响.结果表明，当复合板基层中有脱碳层时，开X型坡口，钝边位于碳钢层与不锈钢层交界处，裂纹率为0；当基层组织中有轧制带时，开X型坡口，钝边位于碳钢层1/2处，裂纹率为0；当基层组织中出现马氏体时，开V型坡口，钝边位于碳钢层底部，裂纹率为11.3％，裂纹长度为69 mm.焊接裂纹为液态薄膜造成的结晶裂纹，裂纹出现在焊缝中心位置，裂纹两侧为均匀的柱状晶组织.裂纹附近存在S、P元素的聚集，以及大量Si、Mn元素以非金属形式析出的夹杂和偏析，增大了热裂敏感性，导致裂纹的萌生和扩展.

关键词： 筋板拘束裂纹敏感性试验；轧制组织；304L/Q345R复合板；结晶裂纹

中图分类号：TG406""" 文献标志码：A""""" 文章编号：1673-4807（2024）05-032-07

DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.05.005

收稿日期： 2023-03-02""" 修回日期： 2021-04-29

基金项目： 国家自然科学基金项目（52105351）；江苏省自然科学基金项目（BK20210890）；江苏省高等学校基础科学（自然科学）研究项目（21KJB460015）

作者简介： 陈坤（1998—），男，硕士研究生，研究方向为材料焊接性等.E-mail：1091068931@qq.com

*通信作者： 刘坤（1989—），男，博士，副教授，研究方向为焊接冶金及特种焊接性.E-mail：liu_kun@163.com

引文格式： 陈坤，余薇，范益，等.轧制组织对304L/Q345R复合板焊接裂纹敏感性的影响规律［J］.江苏科技大学学报（自然科学版），202 38（5）：32-38.DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.05.005.

Effect of rolling structure on the crack sensitivity of304L/Q345R composite plates

CHEN Kun1，YU Wei2， FAN Yi3， LI Wei1， 3， WANG Xiaobin3， ZOU Jiasheng1， LIU Kun1*

（1.School of Materials Science and Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100， China）

（2.Nanjing Hwachung Inspection amp; Testing Co.Ltd.， Nanjing 210024， China）

（3.Jiangsu Key Laboratory for Premium Steel Materials， Nanjing Iron amp; Steel Co.Ltd.， Nanjing 210035， China）

Abstract：The tissue evolution， interface element diffusion and brittle phase precipitation during the hot rolling of composite plates have an important influence on their welding quality. Some weldability assessment methods do not crack when testing crack sensitivity， so rib restraint crack sensitivity test is used to study the effect of rolling structure on the crack sensitivity of 304L/Q345R composite plates. When the detention stress and heat treatment conditions are the same， bevels at different locations in the direction of the plate thickness are designed for welding crack sensitivity test to reflect the impact of different rolling structure characteristics on the sensitivity of welding cracks. The results indicate that when there is a decarburized layer in the composite plate base layer， X-bevel is made， blunt edge is located at the junction of carbon steel layer and stainless steel layer and the crack rate is 0; when there is a rolled strip in the base tissue， X-bevel is made， blunt edge is located at 1/2 of the carbon steel layer， and the crack rate is 0; when the grass-roots organization appears in martensite， V-bevel is designed， blunt edge located at the bottom of the carbon steel layer， the crack rate is 11.3%， the crack length is 69 mm. The crack is a crystalline crack caused by liquid film， the crack appears in the center of the weld position， both sides of the crack being uniform columnar crystal organization. The presence of S， P elements near the crack， as well as a large number of Si， Mn elements in the form of non-metallic precipitation of inclusions and segregation， increase the susceptibility to thermal cracking， resulting in the occurrence and expansion of the crack.

Key words：rib restraint crack sensitivity test， rolling structure， 304L/Q345R composite plate， solidification crack

奥氏体不锈钢复合板广泛应用于石油和化工行业，其不仅具有碳钢良好的焊接性能和高强度，而且还具有不锈钢的耐腐蚀、耐磨损、高导热等特性［1-3］.容器钢复合板主要以碳钢作为基层，以不锈钢作为复层，经过轧制或者通过爆炸焊连结.复合板在热轧过程中材料变形流动、动态再结晶以及再结晶形核与晶粒长大等过程，轧制前后组织变化较为明显［4］，不同的轧制组织特征对复合板的焊接性会产生较大影响.文献［5］研究发现304/Q235B热轧复合板复合界面微观组织存在高密度位错的板条马氏体，焊接时会增大裂纹敏感性.由于在复合板冷却过程中发生了马氏体自回火现象，板条马氏体内存在大量细小的针状M3C型碳化物.

复合板在热轧过程不仅涉及组织演变，还会发生界面元素的扩散、贫化以及脆性相析出，对复合板焊接的影响更为复杂.文献［6］制备了热轧温度分别为1 100℃，1 200℃和1 300℃的304/Q235不锈钢复合板，研究了界面组织和合金元素扩散行为，发现由于碳元素的扩散，形成了仅具有铁素体组织的脱碳层和极易腐蚀的渗碳层.并且碳元素在界面处浓度最高，呈现了典型的上坡扩散现象.而渗碳层晶界处产生了大量的碳化铬，导致晶界耐腐蚀性能下降.文献［7］研究发现随着基材碳含量的升高，基材脱碳区和复材增碳区宽度明显增加，晶界上析出的M23C6不断粗化，导致复材晶间贫铬程度不断加大，在横向拉伸过程中形成的裂纹宽度、数量及脆性区宽度均明显增加；界面附近晶粒内部析出的M23C6形成了越来越明显的富集现象.

不锈钢复合板在焊接时会产生较大的热应力与焊缝稀释作用，形成裂纹源，导致接头的性能恶化［8］.由于提出年代久、焊缝拘束度不够，一些常用的焊接性评定及试验方法在测试时并不会开裂，并且刚性固定对接裂纹试验、插销试验、压板对接焊接裂纹试验等方法已经废止，所以采用筋板法来进行试验.筋板法可以模拟多种拘束条件下的应力状态，接近于实际焊接结构.目前筋板法已在Q345R焊接裂纹敏感性研究上取得一系列成果，文中首次将筋板拘束裂纹敏感性试验方法用于复合板的焊接裂纹敏感性研究，具体用于研究轧制组织对304L/Q345R复合板裂纹敏感性的影响规律，推动筋板拘束裂纹敏感性试验方法在焊接裂纹敏感性领域的应用，为304L/Q345R复合板的高质量焊接提供理论支撑和技术指导.

1" 试验

1.1" 试验材料

试验选用304L/Q345R复合板，每块尺寸分别为610 mm×270 mm×21 mm，其中基层为Q345R，厚度为18 mm，复层为304L不锈钢，厚度为3 mm，304L与Q345R之间通过热轧工艺连接，终轧温度为820 ℃，返红温度为650 ℃，中间坯厚度为1.8h（h为压缩比，指将18 mm厚轧制成10 mm）.试验选用E7111.2 mm药芯焊丝，筋板选择Q345R，各试验材料化学成分见表1.

1.2" 试验方法

使用一种新型筋板拘束焊接裂纹敏感性评价方法，如图1.将筋板等间距地焊接到复合板基层上，分段、间隔地施焊以减少复合板的变形，其中筋板焊脚尺寸要小于6 mm.为消除焊接筋板产生的残余应力对试验结果的影响，筋板焊后将进行去应力退火.经过数值模拟选定为5块筋板，筋板高度为150 mm，筋板厚度为20 mm，筋板间距为120 mm.为探究母材的裂纹敏感性，提高熔合比，所以根部间隙控制在3～4 mm，单边坡口控制在25°.焊接方法为药芯焊丝气体保护焊，采用右焊法进行施焊，焊接参数如表 焊后除渣，观察表面裂纹率，焊后切片，观察截面裂纹率.

从焊后试板上截取焊缝横截面作为金相试样，采用4％硝酸酒精溶液进行腐蚀，浸蚀时间为15～20 s.采用蔡司 Axioskop2 MAT光学金相显微镜观察焊缝各区域的显微组织，利用场发射扫描电子显微镜（field emission scanning electron microscope， FE-SEM）， GeminiSEM 450配备的能谱仪（energy dispersive spectrometer， EDS），分析主要元素的分布，确定物相成分组成，以及分析裂纹断口特征区域成分.

2" 试验结果与讨论

2.1" 复合板原始组织分析

热轧法是通过将板材预热到一定温度，施加压力使金属产生塑性变形，金属元素在高温高压下剧烈扩散，从而形成冶金结合的一种工艺［5，9］.将轧制好的Q345R+304L复合板取样进行微观分析，图2为热轧复合板宏观金相照片，图3为复合板厚度方向不同位置的微观组织.

在高温渗透扩散过程中，碳钢中的碳元素会向不锈钢中扩散［10］，如图3（a），碳钢一侧的界面处形成脱碳层，不锈钢一侧会形成增碳层，界面被氧化，出现氧化物夹渣、孔洞等缺陷，导致力学性能下降.由于轧制时将远厚于21 mm的钢板轧制成3 mm的不锈钢层和18 mm的碳钢层，在碳钢层的中间位置出现轧制带，对复合板的性能产生影响，如图3（c，d）.由于碳钢层表面冷却速度快，冷却时在组织转变区停留时间短，产生了针状和板条状的细小马氏体组织，如图3（f）.基于轧制后的Q345R/304L复合板在不同的位置出现了不同的组织，设计不同位置的坡口研究轧制组织状态对复合板焊接裂纹的影响规律.

2.2" 组织成分对复合板裂纹敏感率的影响

设计不同的3组坡口，如图 分别为：坡口①X型坡口，钝边位于碳钢层1/2处；坡口②X型坡口，钝边位于碳钢层上1/4处；坡口③V型坡口，钝边位于碳钢层底部.当坡口为X型坡口，钝边位于碳钢层上1/4处时，需将复层不锈钢两侧各刨掉10 mm，以避免焊接过程中复层金属进入焊缝，造成基层碳当量增大，引起裂纹敏感性增加，从而影响试验的准确性.

在试板对接焊时，由于打底焊拘束最大，焊缝最容易产生裂纹，因此试验时仅进行一道焊接.当坡口为X型坡口，钝边位于碳钢层1/2处时，焊缝成形良好，渗透检测，焊缝正面与背面均没有发现裂纹.将渗透后的试板取样加工进行微观分析，图5（a）是焊缝中心处的金相组织，由贝氏体和铁素体组成，图5（b）是熔合线处的金相组织，图5（c）是热影响区处的金相组织，基体为低碳马氏体，其上分布贝氏体.

当坡口为X型坡口，钝边位于碳钢层上1/4处时，焊缝成形良好，渗透检测，焊缝正面与背面均没有发现裂纹.图6（a）是焊缝中心处的金相组织，也由贝氏体和铁素体组成，图6（b）是熔合线处的金相组织，可以清晰地看到焊缝中的柱状晶组织以及粗晶区的马氏体组织.图6（c）是热影响区与母材交界处，左侧重结晶区由铁素体和珠光体组成，晶粒明显细于母材晶粒.

当坡口为V型坡口，钝边位于碳钢层底部时，焊接过程中出现焊缝开裂的声音，焊后对焊缝进行除渣，观察焊缝，焊缝成形良好，如图 试板正面焊缝中心出现裂纹，并且裂纹方向平行于焊缝.拆掉衬垫，背面焊缝成形良好，焊缝背面未出现裂纹.根据裂纹出现的时间、位置，初步判断为焊接热裂纹［11］.统计裂纹的位置与数量，得到3处3～10 mm裂纹，1处10～15 mm裂纹，2处20 mm以上的裂纹.统计得裂纹总长度为69 mm，裂纹率为11.3%.

不同组织成分对裂纹敏感性的影响规律如图 X型坡口，钝边位于碳钢层与不锈钢层交界处的裂纹率为 X型坡口，钝边位于碳钢层1/2处的裂纹率为 V型坡口，钝边位于碳钢层底部的裂纹率为11.3％，裂纹长度为69 mm.

2.3" 裂纹种类及断口微观分析

将渗透后的试板取样加工进行微观分析，图9为焊缝的宏观金相，焊缝高度为8.6 mm，截面裂纹长度为2.0 mm.图10为截面裂纹全貌，可以明显看到粗大的柱状晶和中心区域的等轴晶，柱状晶向焊缝中心生长.焊缝金属中的许多杂质的凝固温度都低于焊缝金属的凝固温度，这样首先凝固的焊缝金属把低熔点的杂质推挤到凝固结晶的晶粒边界，形成了一层液体薄膜，又因为焊接时熔池的冷却速度很大，焊缝金属在冷却的过程中发生收缩，使焊缝金属内产生拉应力，拉应力把凝固的焊缝金属沿晶粒边界拉开，但又没有足够的液体金属补充时，就会形成微小的裂纹，随着温度的继续下降，拉应力增大，裂纹不断扩大［12-13］.图11是裂纹微观组织，焊缝沿着中心开裂，且与两侧焊缝柱状晶生长方向呈垂直状态，裂纹两侧为均匀的柱状晶，裂纹尖端柱状晶融合在一起，裂纹终止.

S、P是极容易偏析的元素含量，对于钢的热裂倾向影响极大，微量的存在就会增大凝固温度区间，并且易与其他元素形成多种低熔点共晶物，显著增大裂纹倾向［14-15］.图12是裂纹萌生、扩展和终止处的微观形貌，结合表 在裂纹萌生和扩展阶段，A、C点附近发现有S、P的聚集，并且Si、O含量较高，Si含量较高时在焊缝中以非金属形式析出，严重造成了焊缝的硅酸盐夹杂和偏析，导致了裂纹的萌生和扩展.B、D点的S含量很高，没有发现O元素，Si元素的含量较低，S元素很可能以与Fe元素形成的低熔点共晶物的形式存在.在裂纹终止处，柱状晶前沿F点，S含量较高.柱状晶结晶交汇在焊缝中心，S、P元素偏析程度最高，这些区域金属的熔点最低，产生结晶裂纹的倾向也就更大［16］.

从图12可发现在裂纹周围有大量黑色的夹杂物，且其中S、P、Si、O含量较高，选择典型的微观形貌并对其进行EDS面描扫，结果如图13.

在整个微观形貌上，C、S、P3种元素的分布都较为均匀，而夹杂物中Fe元素含量明显低于其他区域，Ti、O、Si、Mn4种元素则明显在此处聚集.Si可能参与了沉淀脱氧，但大量的Si没有全部及时排出，可能以非金属形式析出，在此处造成了硅酸盐夹杂和偏析，导致了裂纹的发生和扩展.Mn也有较好的脱氧性，增加Mn在金属中的含量及减小脱氧产物MnO在渣中的活度，都可提高脱氧效果，但是Mn的脱氧性没有Si的脱氧性好.较高的O可导致焊缝金属具有较大的热裂敏感性，焊缝中氧化夹杂多，韧性差，抗裂能力低.

如图14（a），裂纹断口有明显的树枝状突起，观察发现断口存在液柱、柱头等特征.如图14（b），断口存在微裂纹，可以判断是由液态薄膜造成的结晶裂纹，在低应力的作用下，小裂纹逐渐交汇形成大裂纹，并逐渐长大和扩展，最终形成热裂纹的外在表现形式，导致焊缝出现开裂.如表 A、B点的S、P含量远高于正常值，O含量也很高，所以在裂纹附近存在着大量的低熔点共晶物，导致了裂纹的产生.

3" 结论

（1） 筋板拘束法可有效用于304+Q345R复合板焊接裂纹敏感性的研究，试板达到所需要的拘束度，焊缝容易开裂，试验结果直观，便于观察.

（2） 当复合板基层中有脱碳层时，开X型坡口，钝边位于碳钢层与不锈钢层交界处，裂纹率为0；当基层组织中有轧制带时，开X型坡口，钝边位于碳钢层1/2处的裂纹率为0；当基层组织中出现马氏体时，开V型坡口，钝边位于碳钢层底部，裂纹率为11.3％，裂纹长度为69 mm.

（3） 焊接裂纹为液态薄膜造成的结晶裂纹，裂纹出现在在焊缝中心位置，裂纹两侧为均匀的柱状晶组织.裂纹断口有明显的树枝状突起，存在液柱、柱头等特征.裂纹附近存在S、P元素的聚集，以及大量Si、Mn元素以非金属形式析出的夹杂和偏析，增大热裂敏感性，导致裂纹的萌生和扩展.

参考文献（References）

［1］" 胡效东， 王吉涛， 杨熠成， 等. 304/Q345R复合板焊接接头微观组织及残余应力［J］. 焊接学报， 2020， 41（7）： 39-45.

［2］" KURT B， CALIK A. Interface structure of diffusion bonded duplex stainless steel and medium carbon steel couple［J］. Materials Characterization， 2009， 60（9）： 1035-1040.

［3］" CHEN L， YANG Z， JHA B， et al. Clad metals， roll bonding and their applications for SOFC interconnects［J］. Journal of Power Sources， 2005， 152（1）： 40-45.

［4］" 周永强. 304/Q345R不锈钢复合板轧制数值模拟及轧后组织性能分析［D］. 秦皇岛：燕山大学， 2016.

［5］" 王震， 叶静静， 张庆安， 等. 304/Q235B热轧复合板界面的显微组织特征［J］. 安徽工业大学学报（自然科学版）， 2019， 36（2）： 103-107.

［6］" 代响林. 热轧不锈钢复合板界面组织及性能的研究［D］. 天津：河北工业大学， 2017.

［7］" 金玉龙. 不锈钢复合板碳扩散及组织性能研究［D］. 秦皇岛：燕山大学， 2019.

［8］" 李亚江， 王娟， 刘鹏. 异种难焊材料的焊接及应用［M］. 北京： 化学工业出版社， 2003： 5.

［9］" LEE J E， BAE D H， CHUNG W S ， et al. Effects of" annealing on the mechanical and interface properties of stainless steel/aluminum/copper clad-metal sheets［J］. Journal of Materials Processing Technology， 2007， 187： 546-549.

［10］" 贾登峰. 304/Q345R过渡层焊缝对温度场和应力场影响的数值模拟研究［D］. 太原：太原科技大学， 2018.

［11］" 周振丰， 张文钺. 焊接冶金与金属焊接性［M］. 北京： 机械工业出版社， 1988.

［12］" 张文钺. 金属熔焊原理及工艺（上册）［M］. 北京： 机械工业出版社， 1980.

［13］" 林浩. 高强度船体结构钢焊接性及其焊接裂纹的形成和预防的研究［D］. 上海：上海海事大学， 2006.

［14］" 蒋佳强. 304/Q345R复合板焊接接头组织与性能研究［D］. 北京： 中国矿业大学， 2016.

［15］" 贺诚， 魏经明， 臧晓飞. 304L与Q345B异种钢焊缝裂纹原因及解决措施［J］. 电站系统工程， 2017， 33（2）： 67-69.

［16］" 周雄. X70管线钢焊接接头热裂纹与冷弯性能研究［D］. 武汉：华中科技大学， 2008.

（责任编辑：顾琳）