摘 要：研究了高锰奥氏体钢焊接接头性能和显微组织结构，在熔合线上不同合金元素成线性过渡，其显微组织与母材和焊缝组织相同，均为奥氏体加铁素体，显微硬度分析也证实了这点。说明用Ni－Cr奥氏体钢焊接材料焊接高锰奥氏体钢，可获得性能优良的焊接接头。
关键词：异种奥氏体钢焊接接头；焊接工艺；显微组织；高锰奥氏体钢
分类号：TG142.25 文献标识码：A
文章编号：1001－2303(2000)01－0033－03
Analysis on Microstructure of Dissimilar Austenitic Steel Welded Joint
LIU Shun－hong et al
(Huazhong University of Science and Technology)
Abstract：In this paper,the capability and microstructure of austenitic manganese steel welded joint that was welded with Ni－Cr austenitic welding material were studied.Distrubution of different alloy elements is lineal in the fusion line.The microstructure of transition zone is same to the one of weld seam and basic material.All is A+F.It was confirmed by analysis of microhardness.Therefore,austenitic managanese steel can be welded with Ni－Cr anstenitic welding material and good capability of welded joint was obtained.
Key words：welded joint of dissimilar austenitic steel;welding technology;microstructure;austenitic manganese steel▲
1 前言
20Mn23Al钢属奥氏体钢无磁钢，在大型变压器中作拉杆使用，可避免漏磁场在钢中产生涡流热损耗。由于没有深入了解其可焊性问题，其利用率只有60%，造成很大浪费［1］。因此，研究合理可靠的焊接工艺，可高效利用无磁钢材，具有重要的经济意义。
20Mn23Al钢的主要合金元素是Mn和Al，其中Mn是奥氏体形成元素，但在低温或冷变形下，Fe－Mn合金的奥氏体并不稳定，当Mn的含量在15%～28%之间时，可能发生ε马氏体相变，ε马氏体是一种六角密堆结构，这是由于固溶体中Mn的含量较高时层错下降而产生的，ε马氏体会导致钢的冷脆性，为了提高Fe－Mn合金奥氏体钢组织的稳定性，一般可增加C的含量。另外可加入Al元素，可显著降低马氏体的相变温度，从而提高其低温性能，同时Al的加入也可降低Fe－Mn合金的加工硬化能力，可改善切削性能和冷加工性能［2］。由此可见，此钢在高温条件下为单一奥氏体组织，能保持良好的无磁性能，低温性能也很好，在变压器中作拉杆使用。
焊接20Mn23Al钢可能产生的问题是钢中的Al的过渡系数低，容易产生气孔，奥氏体钢焊接还会产生热裂纹问题，20Mn23Al钢和低碳钢焊接时，由于元素的稀释还会产生脆性组织，从而发生裂纹［3］。
2 试验材料及方法
2.1 试验材料
20Mn23Al钢(见图1)，热轧态，其化学成份为：C 0.14%～0.20%；si 0.5%；Mn 21.5%～25.5%；P 0.03%；S 0.03%；Al 1.5%～2.5%；V 0.04%～0.1%。机械性能为：σ0.2＞225 MPa，σb＞530 MPa，δs=30%,ψ=50%。
图1 20Mn23Al钢金相组织×200
为了防止在焊接Mn－Fe奥氏体钢过程中产生脆性组织、气孔以及热裂纹，焊接材料选用奥302进行试验。
2.2 试验方法
2.2.1 焊接工艺
20Mn23Al钢板厚12 mm,试样尺寸为300×400 mm，焊缝处开X型坡口，坡口角度为60°，中间留2 mm钝边，坡口之间留2 mm间隙。
采用如下工艺进行焊接：
(1)焊前应清理坡口处的水份、油污及锈迹；
(2)焊条在使用前在150～200 ℃下烘干1.5～2 h,随取随用，避免焊条多次烘烤；
(3)焊接时采用多层焊，焊接时焊条尽量不要摆动，焊接顺序见图2，第一、二道焊缝采用3.2 mm直径焊条，焊接电流100～110 A，第三、四道焊缝采用4 mm直径焊条，焊接电流为120～130 A，焊接速度为140～160 mm/min。
图2 焊接顺序示意图
2.2.2 力学性能试验
拉伸试验按GB－265标准进行，弯曲试验按GB2653－89标准进行，拉伸试样均去掉钢材原始表面，避免焊缝加厚高的影响，同时作显微硬度试验。
2.2.3 熔合区透射电镜分析及合金元素扫描分析
透射电镜分析在JEM－2000FX上进行，进行了化学成份能谱分析，以及金相组织结构分析，在扫描电镜上进行了焊接接头的合金元素线扫描分析，确定合金元素的扩散情况。
3 试验结果及分析
图3 接头显微组织硬度分布
图4 焊接接头显微组织×250
20Mn23Al钢接头拉伸试验和显微组织试验以及接头的冷弯试验，结果如表1所示。由表可知，接头抗拉强度σb＞589MPa,ψ＞21.4%。断裂位置均在母材处，冷弯角大于90°，图3为A302接头的显微组织硬度分布，最高显微硬度HV100为197.9。焊接接头的显微组织如图4所示，焊缝组织为奥氏体+δ铁素体的双相组织。根据金相法可测得铁素体含量约为15%，适量的δ铁素体含量对防止热裂纹有利，同时δ铁素体的存在可有效地消除单相奥氏体组织的方向性，从而使晶粒细化。从图2显微硬度分布可以看出HV不大于200，焊缝组织的显微硬度比母材稍高。由于母材是高锰奥氏体钢，而焊缝是NiCr奥氏体钢，在熔合线存在明显的过渡组织(见图4)，其性能和组织是人们十分关心的问题，接头的合金元素线扫描分析如图5所示，可见Mn、Ni、Cr在熔合线处由浓度高处起呈线性降低，而Al的过渡态不甚明显，这是由于高温烧损的缘故。将过渡区制成透射电镜薄膜，进行电子衍射以确定其物相，透射电镜照片如图6(a)所示，图6(b)为图6(a)白区的衍射花样及计算后的晶面指数，图6(c)为黑区的电子衍射花样及计算后的晶面指数，同时对选区进行能谱分析，各区化学成份见表2，对照成份线扫描分析，可见选区为焊缝熔合线。经计算黑区点阵常数a=0.3649 nm,白区a=0.3130 nm,故由点阵指数和点阵常数可知黑区为面心立方晶粒，白区为体心立方晶粒。即熔合线也是由奥氏体+铁素体组成的，这与显微硬度分析相一致，说明用NiCr奥氏体焊接材料焊接高锰奥氏体钢在熔合线上没有产生脆性组织。综合上述试验结果，看出在熔合线区域各种化学成份分别近似为母材和焊条成份的1/2，成线性分布，接头的强度高于母材，并且断在母材上，说明强度足够，延伸率和冷弯角说明具有足够的塑性，在焊缝上没有产生脆性相，化学成份分布只与稀释率有关。
表1
图5 熔合线化学成份线扫描
(a)透射电镜像×200K (b)白区电子衍射像 (c)黑区电子衍射像
图6 熔合线透射电镜像和电子衍射像
表2
4 结论
综上所述，可得出如下结论：
采用奥302焊条焊接20Mn23Al钢可获得足够的强度和塑性的焊接接头；焊缝组织和熔合线区域均为F+A，没有产生脆性相；采用上述工艺可以解决20Mn23Al钢的焊接问题，从而提高此钢材的利用率。
