分享：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) 

摘 要:基于25Cr2Ni4MoV 钢的化学成分,设计了3种不同镍质量分数(15%,19%,23%)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,研究了药芯焊丝中镍含 量对接头组织与力学性能的影响。结果表明:接头焊缝组织均由板条马氏体、贝氏体及少量针状铁 素体组成,随着药芯焊丝中镍含量的增加,焊缝中板条马氏体组织先细化后粗化,接头的断后伸长率 和冲击吸收功增加,强度先升高后降低。当药芯焊丝中镍质量分数为19%时,接头的抗拉强度达到最 高,为920MPa,冲击吸收功为48J,此时接头具有较好的强韧性匹配。 

关键词:25Cr2Ni4MoV 高强钢;镍元素;板条马氏体;力学性能;药芯焊丝 中图分类号:TG422.3 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)12-0067-05

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,1125 MPa,16.6%,31J。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7mm×0.3mm 的 Q235低碳钢作为钢带,使用钢带成型轧拔法制备直 径为1.2mm 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。 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15~20L·min -1,焊接坡口为 V型坡口,焊 接电流在226~270A,焊接电压为22.4~26.6V,焊 接速度为0.25m·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5mL盐酸+1g苦味酸+100mL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/T2651-2008,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25mm,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 1mm·min -1,每组测 3 个平行试样取平均值。按 照 GB/T2650-2008,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。

 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。 

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。 

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。

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 920MPa和48J,此时接头具有较好的强韧性匹配。 

来源：材料与测试网