王大伟,修世超

东北大学机械工程与自动化学院 沈阳 110819

摘要

关键词：低碳钢;奥氏体不锈钢;真空扩散焊接;界面组织;碳化物;金属间化合物

奥氏体不锈钢具有良好的耐腐蚀性,在石油化工、航空、船舶等行业应用广泛。因为不锈钢的价格比较昂贵,所以在工程中采用不锈钢与低碳钢结合的焊接结构是比较经济的。气保焊、激光焊等熔化焊技术在碳钢/不锈钢焊接领域的研究已经比较成熟[1~4]。但是,熔化焊通常只适用于薄壁和薄板类工件的焊接,当遇到连接面积较大的型材焊接时,例如直径为200 mm的2个圆柱形低碳钢和不锈钢异种材料,底面对接焊,要求接触表面完全焊合时,使用熔化焊方法便难以实现。这类场合宜采用钎焊或扩散焊连接方法。钎焊是用低熔点、低强度的钎料熔化后浸润待焊基体表面而形成黏合,接头强度不易保证。而扩散焊可以实现异种材料基体间原子键的结合,具有连接可靠、强度高的优点。因此,在连接面积较大的异种材料焊接场合,使用扩散焊接方法是比较合适的。近年来,真空扩散焊接技术在异种材料焊接领域受到越来越多的关注[5~7]。研究者多采用在异种材料中间夹入过渡层的扩散焊接方法。例如,在焊接钛合金和不锈钢时加入Ni中间层或者Cu、Ag等中间层[8~10]。扩散焊通常在高温下进行,中间层金属熔点较低,焊接时瞬间熔化,浸润两侧金属实现液-固相连接,这种方法也称为TLP焊(transient liquid-phase)[11~13]。虽然采用中间层可以使异种材料的连接更容易实现,但是中间层金属的加入使得扩散接头中的化合物成分更加复杂,而且液态的中间层金属对母材的晶界有浸蚀作用,严重时会造成晶粒从母材脱落,使接头强度降低。

固相扩散焊过程中不出现液相,在适当的工艺条件下依靠异种材料基体之间的元素互扩散实现连接。扩散焊工艺参数直接影响焊接接头的组织结构,进而影响接头的机械性能。待焊表面的粗糙度、焊接温度、焊接时间、压力等都是影响扩散焊接头组织和性能的重要因素。粗糙度和焊接压力是为了保证待焊表面充分接触,保证扩散通道顺畅。AISI304不锈钢为亚稳态奥氏体组织,在发生剧烈塑性变形时会出现马氏体相变,并且马氏体的体积分数会随着变形速率提高而增加[14,15],因此焊接压力不宜过大,实验证明10 MPa的焊接压力足以保证连接面的充分接触。扩散焊接过程中,激发元素扩散迁移的能量主要来自焊接温度提供的热能,所以焊接温度是影响扩散焊接头组织结构的主要因素。本工作采用真空扩散焊接设备,在不添加中间层的情况下对Q235低碳钢与AISI304奥氏体不锈钢进行了扩散焊实验,在固相状态下实现了两者的良好连接。着重探讨了焊接温度对扩散焊接头界面组织及性能的影响,以期对合理选择焊接参数、扩大Q235A低碳钢和AISI304奥氏体不锈钢扩散焊接技术的应用提供理论指导。

1 实验方法

实验选用AISI304奥氏体不锈钢和Q235A低碳钢作为基材,实验材料的化学成分见表1。2种材料试样规格均为直径200 mm、长50 mm的棒材,2个试样端面叠合一起焊接。焊前将2个试样接触表面采用磨削方式平整、抛光并进行清洗和脱脂。Q235A低碳钢采用体积分数为5%~10%的H2SO4+2%~10%的HCl水溶液,酸洗温度20 ℃,酸洗时间5~10 min。AISI304不锈钢采用体积分数为15%的HNO3+50 g/L NaF的水溶液,室温下浸蚀5~10 s后用热水洗涤,在100~120 ℃温度下烘干。脱脂采用丙酮超声波清洗5 min。清理后的试样立即装入真空扩散焊接炉中,避免试样长时间暴露在空气中被氧化。

2.4.3 冲击韧性和断裂特征 为分析焊接温度对Q235A低碳钢/AISI304不锈钢扩散焊界面韧性的影响,在室温下分别对焊接温度为800、850和900 ℃的试样进行冲击实验。将母材和3种试样的冲击韧性列于表3中。可知,当焊接温度为850 ℃时,扩散焊接头冲击韧度与Q235A低碳钢母材相当,而焊接温度为800和900 ℃时,扩散焊接头冲击韧度只有Q235A低碳钢钢母材冲击韧性的65%左右。由此可以得出,当界面附近有较多的金属间化合物和碳化物析出时,界面韧性显著下降。因此,有必要严格控制焊接温度,以减少金属间化合物和碳化物对复合界面韧性的影响。

图7为3种不同焊接温度条件下,Q235A低碳钢和AISI304不锈钢扩散焊界面处的冲击断口形貌。从图7a、c、e可以看出,冲击断口分为凹凸不平的纤维状的韧性断裂区和河流状解理断裂的脆性断裂区,属于韧性断裂加脆性断裂的混合断裂形式,脆性断裂区呈明显穿晶断裂形貌。焊接温度为850 ℃时断口的韧性断裂区韧窝较深(图7d),表明其断裂韧性较好。而焊接温度为800和900 ℃时韧性断裂区面积变小,韧窝较小,塑性变形不充分,且韧性断裂区内出现了二次裂纹(图7e),二次裂纹的出现表明接头脆硬倾向严重。图7b显示焊接温度为800 ℃时冲击断口的韧窝底部出现了凹坑,这是较大尺寸的硬质颗粒脱落后形成的。图7f显示焊接温度为900 ℃时断口韧窝底部出现裂纹,说明大量的脆性相在此处析出,在应力作用下产生了二次裂纹,对焊接接头的韧性造成较为严重的破坏。

图7Q235A低碳钢/AISI304不锈钢扩散焊界面冲击断口形貌

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 结论

(1) 低碳钢与奥氏体不锈钢扩散焊通过跨界面连结晶界的方式实现异相组织的共晶粒化,从而保证了异种材料扩散连接的界面强度。

(2) 低碳钢靠近复合界面区域的珠光体组织由于脱C而生成铁素体层,Cr从不锈钢扩散到低碳钢中对铁素体层起到固溶强化作用,形成合金铁素体,提高了铁素体层的强度。

(3) 低碳钢与奥氏体不锈钢扩散焊接过程中易形成碳化物Cr23C6和金属间化合物FeCr,导致接头韧性下降。Cr23C6的形成有低温机制和高温机制2种,选择合适的焊接温度可有效减少或避免脆性化合物的偏析,获得强度与韧性俱佳的扩散焊接头。

来源--金属学报