304不锈钢界面金相组织观察

分别为在三种工艺条件下获得的接头304母材/焊缝金属界面附近的组织形貌。2205双相不锈钢和304奥氏体不锈钢熔化焊时，熔化的母材和填充金属在熔池内部和熔池边缘的混合程度有所不同，在靠近304母材的边缘区，由于温度低，熔池金属的流动性差，在液态下停留时间较短，受到机械力的搅拌作用较弱，再加上304不锈钢和填充金属化学成分的差异，所以在熔池边缘熔化的母材和填充金属就难以充分混合。因此，在毗邻304不锈钢一侧熔合线的焊缝金属中可形成和焊缝内部金属成分不同的过渡层，如图3.1中所示。进行异种钢焊接时，由于不同母材的化学成分差异很大，无论采用何种成分的填充金属，焊接过程中都不可避免地会产生化学成分介于母材基体金属和焊缝填充金属之间的过渡区。从图3.1中可看出，2205双相不锈钢和304奥氏体不锈钢焊接时，在304奥氏体不锈钢一侧的焊接熔合区中，形成了宽度大约为70~120um 的过渡区，且接头B的过渡区较窄。这是由于过渡区的形成受元素扩散的影响，而过渡区的宽度取决于元素扩散推动力，填充金属ER309与母材304奥氏体不锈钢的化学成分相差较小，因此浓度梯度较小，扩散的驱动力较小，所形成的过渡区较窄。在工程应用中，由于过渡区通常是异种金属焊接接头的主要失效部位，因此应严格控制过渡区的宽度：

（1）采用较大的焊接电流时，会增加液态金属在高温的停留时间、加强熔池的搅拌作用和改善熔池边缘金属的流动性，改变结晶条件，使过渡区宽度减小；

（2）在母材熔合区富集母材成分，其过渡区主要取决于母材熔化特性，母材本身局部熔化温度越低，母材熔化区域越宽，则最终形成的过渡区也越宽；

（3）过渡区的宽度取决于元素扩散推动力。焊缝金属与母材的化学成分相差越大，浓度梯度越大，扩散驱功力也越大，过渡区将越宽。

从图3.1中焊缝和304母材界面处过渡区可看出，该区的组织形貌为细小的铁素体相呈不连续且无方向性地分布在奥氏体基体上。根据文献[54]，该区的铁素体相可以在两种情况下形成，一是局部熔化部分在重新凝固结晶过程中生成，如沿晶界或沿轧制方向形成的铁素体，其形成机理是：该区与焊缝区相比，过热度较低，液态停留时间短，冷却速度快，Cr、Ni 含量较焊缝区低，因而形成的铁素体组织较细小；另一种是未熔化部分，根据图3.2Fe-Cr-Ni 三元截面相图可知，当高温加热至单相δ-Fe 区域或δ+ γ双相区时，发生γ- δ转变形成的。这种δ-铁素体的形核与长大决定于母材中局部Cr、Ni 成分起伏，在铁素体形成元素Cr富集处首先形成δ-Fe，根据受热温度和时间长短不同，δ-Fe 发生不同程度的长大；冷却时这些δ-Fe 又发生向奥氏体的固态转变，仅富Cr、Ni 的晶核部分被保留下来，形成铁素体晶核，与未发生转变的母材之间形成一个明显的边界。