1 前言
20Mn23Al鋼屬奧氏體鋼無磁鋼，在大型變壓器中作拉杆使用，可避免漏磁場在鋼中產生渦流熱損耗。由於沒有深入了解其可焊性問題，其利用率只有60%，造成很大浪費［1］。因此，研究合理可靠的焊接工藝，可高效利用無磁鋼材，具有重要的經濟意義。
20Mn23Al鋼的主要合金元素是Mn和Al，其中Mn是奧氏體形成元素，但在低溫或冷變形下，Fe－Mn合金的奧氏體並不穩定，當Mn的含量在15%～28%之間時，可能發生ε馬氏體相變，ε馬氏體是一種六角密堆結構，這是由於固溶體中Mn的含量較高時層錯下降而產生的，ε馬氏體會導致鋼的冷脆性，為了提高Fe－Mn合金奧氏體鋼組織的穩定性，一般可增加C的含量。另外可加入Al元素，可顯著降低馬氏體的相變溫度，從而提高其低溫性能，同時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］。由此可見，此鋼在高溫條件下為單一奧氏體組織，能保持良好的無磁性能，低溫性能也很好，在變壓器中作拉杆使用。
焊接20Mn23Al鋼可能產生的問題是鋼中的Al的過渡係數低，容易產生氣孔，奧氏體鋼焊接還會產生熱裂紋問題，20Mn23Al鋼和低碳鋼焊接時，由於元素的稀釋還會產生脆性組織，從而發生裂紋［3］。
2 試驗材料及方法
2.1 試驗材料
20Mn23Al鋼，熱軋態，其化學成份為：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%。機械性能為：σ0.2＞225 MPa，σb＞530 MPa，δs=30%,ψ=50%。
為了防止在焊接Mn－Fe奧氏體鋼過程中產生脆性組織、氣孔以及熱裂紋，焊接材料選用奧302進行試驗。
2.2 試驗方法
2.2.1 焊接工藝
20Mn23Al鋼板厚12 mm,試樣尺寸為300×400 mm，焊縫處開X型坡口，坡口角度為60°，中間留2 mm鈍邊，坡口之間留2 mm間隙。
採用如下工藝進行焊接：
(1)焊前應清理坡口處的水份、油污及銹跡；
(2)焊條在使用前在150～200 ℃下烘乾1.5～2 h,隨取隨用，避免焊條多次烘烤；
(3)焊接時採用多層焊，焊接時焊條盡量不要擺動，焊接順序見圖2，第一、二道焊縫採用3.2 mm直徑焊條，焊接電流100～110 A，第三、四道焊縫採用4 mm直徑焊條，焊接電流為120～130 A，焊接速度為140～160 mm/min。
2.2.2 力學性能試驗
拉伸試驗按GB－265標準進行，彎曲試驗按GB2653－89標準進行，拉伸試樣均去掉鋼材原始表面，避免焊縫加厚高的影響，同時作顯微硬度試驗。
2.2.3 熔合區透射電鏡分析及合金元素掃描分析
透射電鏡分析在JEM－2000FX上進行，進行了化學成份能譜分析，以及金相組織結構分析，在掃描電鏡上進行了焊接接頭的合金元素線掃描分析，確定合金元素的擴散情況。
3 試驗結果及分析
20Mn23Al鋼接頭拉伸試驗和顯微組織試驗以及接頭的冷彎試驗，結果如表1所示。由表可知，接頭抗拉強度σb＞589MPa,ψ＞21.4%。斷裂位置均在母材處，冷彎角大於90°，圖3為A302接頭的顯微組織硬度分佈，最高顯微硬度HV100為197.9。焊接接頭的顯微組織如圖4所示，焊縫組織為奧氏體+δ鐵素體的雙相組織。根據金相法可測得鐵素體含量約為15%，適量的δ鐵素體含量對防止熱裂紋有利，同時δ鐵素體的存在可有效地消除單相奧氏體組織的方向性，從而使晶粒細化。從圖2顯微硬度分佈可以看出HV不大於200，焊縫組織的顯微硬度比母材稍高。由於母材是高錳奧氏體鋼，而焊縫是NiCr奧氏體鋼，在熔合線存在明顯的過渡組織(見圖4)，其性能和組織是人們十分關心的問題，接頭的合金元素線掃描分析如圖5所示，可見Mn、Ni、Cr在熔合線處由濃度高處起呈線性降低，而Al的過渡態不甚明顯，這是由於高溫燒損的緣故。將過渡區製成透射電鏡薄膜，進行電子衍射以確定其物相，透射電鏡照片如圖6(a)所示，圖6(b)為圖6(a)白區的衍射花樣及計算后的晶面指數，圖6(c)為黑區的電子衍射花樣及計算后的晶面指數，同時對選區進行能譜分析，各區化學成份見表2，對照成份線掃描分析，可見選區為焊縫熔合線。經計算黑區點陣常數a=0.3649 nm,白區a=0.3130 nm,故由點陣指數和點陣常數可知黑區為面心立方晶粒，白區為體心立方晶粒。即熔合線也是由奧氏體+鐵素體組成的，這與顯微硬度分析相一致，說明用NiCr奧氏體焊接材料焊接高錳奧氏體鋼在熔合線上沒有產生脆性組織。綜合上述試驗結果，看出在熔合線區域各種化學成份分別近似為母材和焊條成份的1/2，成線性分佈，接頭的強度高於母材，並且斷在母材上，說明強度足夠，延伸率和冷彎角說明具有足夠的塑性，在焊縫上沒有產生脆性相，化學成份分佈只與稀釋率有關。
表1
焊接材料 試樣號 σb(MPa) σb均值(MPa) φ(%) 斷裂位置
A302 1 610.1 21.7 BM
A302 2 656.3 618 21.4 BM
A302 3 589 22.6 BM
(a)透射電鏡像×200K
(b)白區電子衍射像
(c)黑區電子衍射像
圖6 熔合線透射電鏡像和電子衍射像
表2
Fe% Cr% Mn% Ni%
白區 71.86 10.91 11.43 5.74
黑區 70.50 11.98 10.92 6.60
4 結論
綜上所述，可得出如下結論：
採用奧302焊條焊接20Mn23Al鋼可獲得足夠的強度和塑性的焊接接頭；焊縫組織和熔合線區域均為F+A，沒有產生脆性相；採用上述工藝可以解決20Mn23Al鋼的焊接問題，從而提高此鋼材的利用率。
