填充金属对Q2352205异种金属TIG焊接接头的组织及性能的影响

陈今良 刘玉梅 张 楠 陈 涛 杨智文

(攀枝花学院钒钛学院，四川617000)

2205双相不锈钢是一种典型的含氮、超低碳、铁素体-奥氏体双相不锈钢；Q235作为低碳钢，具有良好的焊接性能，相关学者对二者的异种金属焊接进行过深入的研究，马万洪[1]对Q235A和304不锈钢的焊接工艺进行了实验评定；李国平等人[2]对2205进行TIG焊接研究；陈安忠等人[3]对2205双相不锈钢厚板TIG焊工艺研究；陈今良[4]对SAF2507双相不锈钢与Q235碳钢异种金属进行了焊接实验，这些研究基本只针对焊接电流及焊接方法，很少有学者去研究不同填充金属对接头质量的影响，为此，本文针对不锈钢焊丝ER308及高镍焊丝Ni317作为2205双向不锈钢TIG焊的填充金属，在保证电流不变的情况下对接头组织和性能开展研究，为选择合适的填充金属提供依据。

1 试样制备及实验方法

试验母材为Q235碳钢以及双向不锈钢2205，其化学成分如表1所示；填充焊丝为直径2 mm的ER309焊丝和Ni317不锈钢焊丝，二者主要化学成分如表2所示。采用电火花线切割机将Q235及2205不锈钢板分别切割为尺寸为100 mm×40 mm×3 mm的试样，试样不开坡口，焊前采用锉刀打磨试样表面，清理油污及氧化层，采用WSE-300型焊机设备进行非熔化极惰性气体保护(TIG)双面焊，保护气体流量取5 Lmin、焊接电压取12 V时，焊接电流取105 A。在焊接接头上截取金相试样，经过砂纸打磨及抛光后，采用4%硝酸酒精及王水进行腐蚀[5]，再通过DM4000M型数字显微镜进行组织观察。根据拉伸试样标准，在焊接接头上截取标距为60 mm的试样，采用INSTRON5582型万能材料试验机对接头进行拉伸试验，拉伸速率为2 mms，使用INDUSTRIECHNIK型扫描电镜(SEM)观察断口形貌。采用HVS-50数字维氏硬度计对接头进行硬度测试，在所测硬度区域取五个点，算平均值，载荷为98 N，保载时间为15 s，测量区域为Q235侧热影响区、焊缝区、2205不锈钢侧热影响区，两端母材区等五个区域，每个区域测量五次，各取平均硬度值。

2 试验结果与讨论

2.1 组织分析

图1、图2、图3分别为采用ER309、Ni317两种焊丝得到的接头Q235一侧熔合线附近组织(A)、焊缝区组织(WM)、2205不锈钢一侧熔合线附近组织(B)。图1为Q235一侧熔合线附近组织，可以看出，熔合线左侧为焊缝区，熔合线右侧为Q235母材热影响区，母材热影响区由铁素体和珠光体组成，当采用Ni317焊丝时，熔合线界面十分明显，且靠近熔合线区域珠光体多于铁素体，而采用ER309焊丝时，熔合线附近铁素体与珠光体含量相当。图2为焊缝区组织，比较两种焊丝的焊缝组织，不难发现组织形貌大有不同，采用ER309焊丝的焊缝组织依然由铁素体和奥氏体组成，晶粒为细条状，并且局部平行，采用Ni317焊丝的焊缝以奥氏体组织为主，晶粒为蜂窝状[6]，原因是高镍焊丝Ni317中Ni元素对奥氏体有稳固和促进作用，说明Ni元素有利于奥氏体形成。图3为接头2205一侧熔合线附近组织， 可以看出靠近熔合线附近母材组织为粗晶区，远离熔合线的母材热影响区晶粒逐渐细小均匀，这是因为熔合线区域高温停留时间较长，容易造成组织粗化。

表1 母材主要化学成分(质量分数，%)Table 1 The main chemical compositions of base material(mass fraction,%)

表2 ER309与Ni317焊丝成分(质量分数，%)Table 2 Chemical compositions of ER309 and Ni317 wires(mass fraction,%)

(a)ER309∕105 A(b)Ni317∕105 A

图1 Q235碳钢侧熔合线附近组织Figure 1 Microstructures near the fusion line of Q235 carbon steel

图2 焊缝组织Figure 2 Microstructure of weld

图3 2205不锈钢侧熔合线附近组织Figure 3 Microstructures near the fusion line of 2205 stainless steel

图4 不同焊丝接头断口形貌
Figure 4 The fracture morphology of joints obtained
by different welding wires

图5 不同焊丝条件下的接头应力-应变曲线Figure 5 Stress-strain curves of joints obtained by different welding wires

2.2 拉伸试验

对两种焊丝的接头进行拉伸试验，断裂位置均位于Q235碳钢一侧，图4为采用两种不同焊丝接头拉断后断口微观形貌图，图4(a)为ER309焊丝接头断口形貌，图4(b)为Ni317焊丝接头断口形貌，比较两者形貌，均出现明显的韧窝，同等倍数下，前者韧窝尺寸大而深，后者韧窝尺寸小而浅，从韧窝形貌来观察，说明二者均具有韧性断裂的特征。图5为采用不同焊丝得到的接头进行拉伸测试的工程应力-应变曲线，从曲线中可以看出，Ni317焊丝接头抗拉强度较低，而ER309焊丝接头抗拉强度较高，塑性较好，这也与断口的微观形貌特征一致。

图6 不同焊丝条件下接头各区域硬度Figure 6 Hardness of every area of joints obtained by different welding wires

2.3 硬度测试

对不同焊丝得到的两种接头各个区域进行维氏硬度测量，得到各个区域的硬度如图6分布，从图中可看出，采用Ni317焊丝得到接头各个区域的硬度值要高于ER309焊丝，在Q235侧热影响区的硬度最低，原因是靠近熔合线的Q235晶粒粗化，硬度降低；两种焊丝焊缝处的硬度值都高于Q235母材区域，原因是两种焊丝作为填充金属，均带入焊缝Mn、Si、Ni等合金元素，对焊缝组织进一步合金化，提高焊缝的强度及硬度，且Ni317焊丝的合金化程度更高，硬度更高。

3 结论

(2)选用ER309焊丝比Ni317焊丝得到的接头具有更高的抗拉强度。

(3)采用Ni317焊丝比ER309焊丝得到的接头具有更高的硬度值。