40MnB與16MnR異種鋼的焊接性試驗及工藝評定

游勝輝

(方盛車橋(柳州)有限公司，廣西 柳州 545006)

40MnB與16MnR異種鋼的焊接性試驗及工藝評定

游勝輝

(方盛車橋(柳州)有限公司，廣西 柳州 545006)

40MnB是中碳合金結構鋼，具有強度高、韌性好等性能，但其含碳量高，焊接性低，冷裂傾向大。16MnR屬于低碳合金鋼，具有良好的物理性能和工藝性能。兩種鋼在汽車上應用比較廣泛。通過焊接接頭無損檢測、力學性能和組織金相分析，研究CO2氣體保護焊40MnB和16MnR異種鋼的焊接性能。結果表明，采用合適的焊接規范，所得的焊接接頭各項性能良好，熱影響區晶粒長大不嚴重，焊縫與母材熔合良好。

中碳合金結構鋼；異種金屬；焊接工藝；力學性能；微觀組織

0 前言

40MnB具有較高的強度、硬度、耐磨性和良好的韌性，該鋼價格適中，加工容易，經適當的熱處理后可獲得一定的韌性、塑性和耐磨性，在汽車工業應用廣泛。但其含碳量高，調質后焊接性差，淬硬傾向大，具有高的冷裂紋敏感性。16MnR是低碳合金鋼，焊接性較好。進行異種金屬焊接時，由于不同金屬的化學成分、組織結構、力學性能及物理性能存在較大差異，因此其焊接過程要比同種金屬的復雜得多，焊接接頭的可靠性問題也顯得更加突出。在此主要研究40MnB與低合金高強鋼16MnR的焊接性并進行工藝驗證。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗母材為調質40MnB與16MnR，板厚10mm。試驗母材的化學成分、力學和物理性能見表1。焊接材料為ER50-6實心焊絲，直徑φ 1.6 mm，其化學成分和力學性能見表2。

1.2 焊接性分析

從化學成分角度，低合金鋼16MnR含碳量較低，但Mn含量較高，且w(Mn)／w(S)＝98.57，雖然16MnR母材中也含有少量的P、S等雜質元素，但一般不會形成低熔點共晶組織，即使形成低熔點共晶組織也不易出現在晶界上，凝固收縮量小，所以抗熱裂紋性能較好。

表1 試驗母材的化學成分和力學性能

表2 焊絲ER50-6的化學成分和力學性能

根據國際焊接學會(IIW)推薦的碳當量計算公式，16MnR的碳當量和合金元素的冷裂紋敏感指數為[1]Ce＝C+Mn／6+Cu／15+Ni／15+Cr／5+Mo／3+V／5＝0.38% Pcm＝C+Si／30+Mn／20+Cu／20+Ni／60+Cr／20+Mo／15+ V／10+5B＝0.229% 16MnR的碳當量Ce＝0.38%，鋼材在焊接時已具有一定的淬硬傾向，焊接性較好。焊接線能量的確定主要取決于過熱區的脆化和冷裂這兩個因素，過熱區脆化是因線能量過大產生魏氏組織而造成的，所以通常應用小線能量進行焊接。若采用過小的線能量焊接，過熱區易得到片狀馬氏體，有可能導致焊接冷裂紋。這時為了降低淬硬傾向，防止產生冷裂紋，焊接線能量應偏大一些，因此應根據板厚和結構形狀等實際生產情況合理控制線能量。總體上，16MnR材料焊接性較好，只要控制好焊接線能量，在焊接過程中一般不會產生焊接冷裂紋和過熱區脆化等缺陷。

40MnB碳當量和合金元素的冷裂紋敏感指數為Ce＝C+Mn／6+Cu／15+Ni／15+Cr／5+Mo／5+V／5＝0.61% Pcm＝C+Si／30+Mn／20+Cu／20+Ni／60+Cr／20+Mo／15+ V／10+5B(%)＝0.427%

40MnB是中碳調質鋼，碳當量Ce＝0.61%，焊后熱影響區容易產生硬度很高的馬氏體，造成脆化。并且有著高的冷裂紋敏感性，因此焊接時盡可能地采用低氫或超低氫焊接材料。采用熔化極CO2氣體保護焊時，所得焊縫的含氫量很低。中碳調質鋼宜采用較低的熱輸入焊接，大熱輸入量將產生寬且組織粗大的熱影響區，增大脆化傾向[2]。

1.3 焊接方法

采用半自動CO2氣體保護焊進行焊接，帶墊板的對接接頭形式。坡口形式如圖1所示，焊接順序如圖2所示，焊接工藝參數見表3。

圖1 坡口形式

圖2 焊接順序

表3 焊接工藝參數

2 試驗分析

(1)焊接接頭抗拉強度試驗。

按照國標GB6397-1986《金屬拉伸試驗試樣》和GB2651-1981《焊接接頭拉伸試驗方法》將母材及接頭加工成三塊標準的拉伸試樣，其中焊接接頭的焊縫位于試樣中心，如圖3所示。在CMT5105型萬能電子試驗機上進行接頭的拉伸強度實驗。測試條件為：加載速率8 mm／min，加載載荷10 kN。測試結果見表4，斷裂位置如圖4所示。

圖3 接頭拉伸試樣

表4 焊接接頭拉伸測試結果

由表4可知，焊接接頭的抗拉強度為582.4MPa，達到母材的抗拉強度要求(16MnR母材抗拉強度大于等于510 MPa)，完全可以滿足實際使用要求。

圖4 焊接接頭拉伸斷裂位置

(2)焊接接頭抗彎強度試驗。

按照國標GB232-1988《金屬彎曲試驗方法》標準要求截取四塊接頭進行彎曲性能實驗，其中面彎(FB)和背彎(RB)各兩塊。接頭彎曲試樣的尺寸形狀如圖5所示。

圖5 接頭彎曲試樣

評定彎曲試樣的性能好壞，一般要求在試樣彎曲表面上的焊縫和熔合區域所發現的任何方向上的任一裂紋或其他缺陷尺寸必須小于等于試樣壁厚的1／2。除非發現其他缺陷，由試樣邊緣上產生的裂紋長度在任何方向上的尺寸必須小于等于6 mm才算合格。幾種焊接接頭的彎曲試驗結果如表5所示，接頭A彎曲試驗后的外形照片如圖6所示。

表5 接頭彎曲結果

由試驗結果可知，焊接接頭彎曲性能合格。

(3)金相組織觀察。

對獲得的接頭進行磨制、拋光和腐蝕后制成金相試樣，采用4XB光學顯微鏡觀察焊縫接頭試樣金相組織，結果如表6所示，均為合格的金相組織。

3 結論

(1)采用CO2氣體保護焊焊接中碳調質鋼40MnB與低合金高強鋼16MnR，選用低氫的焊接材料，選擇合適的熱輸入量，焊縫未發現裂紋、氣孔等缺陷，強度和塑性良好，焊接效果好。

(2)焊縫與母材熔合良好，焊接熱影響區晶粒長大不嚴重，金相組織合理，焊縫金屬力學性能良好。

圖6 接頭A面彎后外形照片

表6 接頭彎曲試驗結果

[1]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊(第2版).北京：機械工業出版社，2001.

[2]周振豐.焊接冶金學(金屬焊接性)[M].北京：機械工業出版社，2005：22-23.

Weldability test and welding technology of dissimilar steel between 40MnB and 16MnR

YOU sheng-hui
(Fangsheng Axle(LIUZHOU)Co.，Ltd.，Liuzhou 545006，China)

The medium carbon steel 40MnB has advantage physical properties such as high strength and good toughness，but its high carbon content lead to bad weldability and high cold cracking tendency.The low alloy high strength steel 16MnR has good physical properties and weldability.The dissimilar welding joints between 40MnB and 16MnR are widely used in automobile industry.The dissimilar steel between 40MnB and 16MnR are welded by Carbon dioxide gas shielded arc welding.The microstructures and properties of welded joints are analyzed by means of optical microscope，mechanical properties and nondestructive testing.Results show that grain growth is not serious in Heat-Affected Zone and good fusion between weld and base material.Based on the present work，it is concluded that Carbon dioxide gas shielded arc welding is the suitable welding procedure for dissimilar metals between steel between steel 40MnB and 16MnR.Key words：Medium carbon steel；dissimilar metal；welding technology；microsturcture

TG457.11

B

1001-2303(2012)07-0065-03

2012-03-06；

2012-07-10

游勝輝(1984—)，男，湖北麻城人，學士，主要從事焊接技術研究工作。