王大偉,修世超

東北大學機械工程與自動化學院 沈陽 110819

摘要

關鍵詞：低碳鋼;奧氏體不銹鋼;真空擴散焊接;界面組織;碳化物;金屬間化合物

奧氏體不銹鋼具有良好的耐腐蝕性,在石油化工、航空、船舶等行業應用廣泛。因為不銹鋼的價格比較昂貴,所以在工程中采用不銹鋼與低碳鋼結合的焊接結構是比較經濟的。氣保焊、激光焊等熔化焊技術在碳鋼/不銹鋼焊接領域的研究已經比較成熟[1~4]。但是,熔化焊通常只適用于薄壁和薄板類工件的焊接,當遇到連接面積較大的型材焊接時,例如直徑為200 mm的2個圓柱形低碳鋼和不銹鋼異種材料,底面對接焊,要求接觸表面完全焊合時,使用熔化焊方法便難以實現。這類場合宜采用釬焊或擴散焊連接方法。釬焊是用低熔點、低強度的釬料熔化后浸潤待焊基體表面而形成黏合,接頭強度不易保證。而擴散焊可以實現異種材料基體間原子鍵的結合,具有連接可靠、強度高的優點。因此,在連接面積較大的異種材料焊接場合,使用擴散焊接方法是比較合適的。近年來,真空擴散焊接技術在異種材料焊接領域受到越來越多的關注[5~7]。研究者多采用在異種材料中間夾入過渡層的擴散焊接方法。例如,在焊接鈦合金和不銹鋼時加入Ni中間層或者Cu、Ag等中間層[8~10]。擴散焊通常在高溫下進行,中間層金屬熔點較低,焊接時瞬間熔化,浸潤兩側金屬實現液-固相連接,這種方法也稱為TLP焊(transient liquid-phase)[11~13]。雖然采用中間層可以使異種材料的連接更容易實現,但是中間層金屬的加入使得擴散接頭中的化合物成分更加復雜,而且液態的中間層金屬對母材的晶界有浸蝕作用,嚴重時會造成晶粒從母材脫落,使接頭強度降低。

固相擴散焊過程中不出現液相,在適當的工藝條件下依靠異種材料基體之間的元素互擴散實現連接。擴散焊工藝參數直接影響焊接接頭的組織結構,進而影響接頭的機械性能。待焊表面的粗糙度、焊接溫度、焊接時間、壓力等都是影響擴散焊接頭組織和性能的重要因素。粗糙度和焊接壓力是為了保證待焊表面充分接觸,保證擴散通道順暢。AISI304不銹鋼為亞穩態奧氏體組織,在發生劇烈塑性變形時會出現馬氏體相變,并且馬氏體的體積分數會隨著變形速率提高而增加[14,15],因此焊接壓力不宜過大,實驗證明10 MPa的焊接壓力足以保證連接面的充分接觸。擴散焊接過程中,激發元素擴散遷移的能量主要來自焊接溫度提供的熱能,所以焊接溫度是影響擴散焊接頭組織結構的主要因素。本工作采用真空擴散焊接設備,在不添加中間層的情況下對Q235低碳鋼與AISI304奧氏體不銹鋼進行了擴散焊實驗,在固相狀態下實現了兩者的良好連接。著重探討了焊接溫度對擴散焊接頭界面組織及性能的影響,以期對合理選擇焊接參數、擴大Q235A低碳鋼和AISI304奧氏體不銹鋼擴散焊接技術的應用提供理論指導。

1 實驗方法

實驗選用AISI304奧氏體不銹鋼和Q235A低碳鋼作為基材,實驗材料的化學成分見表1。2種材料試樣規格均為直徑200 mm、長50 mm的棒材,2個試樣端面疊合一起焊接。焊前將2個試樣接觸表面采用磨削方式平整、拋光并進行清洗和脫脂。Q235A低碳鋼采用體積分數為5%~10%的H2SO4+2%~10%的HCl水溶液,酸洗溫度20 ℃,酸洗時間5~10 min。AISI304不銹鋼采用體積分數為15%的HNO3+50 g/L NaF的水溶液,室溫下浸蝕5~10 s后用熱水洗滌,在100~120 ℃溫度下烘干。脫脂采用丙酮超聲波清洗5 min。清理后的試樣立即裝入真空擴散焊接爐中,避免試樣長時間暴露在空氣中被氧化。

2.4.3 沖擊韌性和斷裂特征 為分析焊接溫度對Q235A低碳鋼/AISI304不銹鋼擴散焊界面韌性的影響,在室溫下分別對焊接溫度為800、850和900 ℃的試樣進行沖擊實驗。將母材和3種試樣的沖擊韌性列于表3中?？芍?當焊接溫度為850 ℃時,擴散焊接頭沖擊韌度與Q235A低碳鋼母材相當,而焊接溫度為800和900 ℃時,擴散焊接頭沖擊韌度只有Q235A低碳鋼鋼母材沖擊韌性的65%左右。由此可以得出,當界面附近有較多的金屬間化合物和碳化物析出時,界面韌性顯著下降。因此,有必要嚴格控制焊接溫度,以減少金屬間化合物和碳化物對復合界面韌性的影響。

圖7為3種不同焊接溫度條件下,Q235A低碳鋼和AISI304不銹鋼擴散焊界面處的沖擊斷口形貌。從圖7a、c、e可以看出,沖擊斷口分為凹凸不平的纖維狀的韌性斷裂區和河流狀解理斷裂的脆性斷裂區,屬于韌性斷裂加脆性斷裂的混合斷裂形式,脆性斷裂區呈明顯穿晶斷裂形貌。焊接溫度為850 ℃時斷口的韌性斷裂區韌窩較深(圖7d),表明其斷裂韌性較好。而焊接溫度為800和900 ℃時韌性斷裂區面積變小,韌窩較小,塑性變形不充分,且韌性斷裂區內出現了二次裂紋(圖7e),二次裂紋的出現表明接頭脆硬傾向嚴重。圖7b顯示焊接溫度為800 ℃時沖擊斷口的韌窩底部出現了凹坑,這是較大尺寸的硬質顆粒脫落后形成的。圖7f顯示焊接溫度為900 ℃時斷口韌窩底部出現裂紋,說明大量的脆性相在此處析出,在應力作用下產生了二次裂紋,對焊接接頭的韌性造成較為嚴重的破壞。

圖7Q235A低碳鋼/AISI304不銹鋼擴散焊界面沖擊斷口形貌

Fig.7Low (a, c, e) and corresponding high (circle area) (b, d, f) magnified fracture features of impact samples of Q235A mild steel/AISI304 stainless steel diffusion-bonding joint at welding temperatures of 800 ℃ (a, b), 850 ℃ (c, d) and 900 ℃ (e, f)

3 結論

(1) 低碳鋼與奧氏體不銹鋼擴散焊通過跨界面連結晶界的方式實現異相組織的共晶?；?從而保證了異種材料擴散連接的界面強度。

(2) 低碳鋼靠近復合界面區域的珠光體組織由于脫C而生成鐵素體層,Cr從不銹鋼擴散到低碳鋼中對鐵素體層起到固溶強化作用,形成合金鐵素體,提高了鐵素體層的強度。

(3) 低碳鋼與奧氏體不銹鋼擴散焊接過程中易形成碳化物Cr23C6和金屬間化合物FeCr,導致接頭韌性下降。Cr23C6的形成有低溫機制和高溫機制2種,選擇合適的焊接溫度可有效減少或避免脆性化合物的偏析,獲得強度與韌性俱佳的擴散焊接頭。

來源--金屬學報