WELDOX960E高強鋼MAG焊焊接接頭組織形態與力學性能研究

許 冰 陳春煥 陳增有 馬清波 謝 明

(①大連交通大學材料科學與工程學院，遼寧大連 116028;②中國北車集團齊齊哈爾車輛(集團)有限責任公司，黑龍江齊齊哈爾 161002)

WELDOX960E高強鋼是新一代低合金高強度鋼中的一種，其晶粒細小均勻、潔凈度高，具有屈服強度高、沖擊性能好等優點，特別適合于對低重量且有較高要求的承重結構［1］。但是，WELDOX960E高強鋼的開發時間不長，對其焊接性的系統研究不多。因此，為了進一步提高我國鐵路起重機吊臂的焊接質量，保證我國鐵路起重機的安全運行，對吊臂用WELDOX960E高強鋼的焊接工藝進行全面系統的研究是十分必要的。本文分別對WELDOX960E高強鋼焊接接頭進行拉伸、彎曲、沖擊等力學性能試驗和焊接接頭硬度試驗，并利用光學顯微鏡和掃描電鏡等分析手段對WELDOX960E高強鋼接頭的熔合區、焊縫金屬和熱影響區的微觀組織及斷口進行分析，為WELDOX960E高強鋼的應用提供理論依據。

1 試驗材料和方法

試驗材料為WELDOX960E高強鋼;為了減少焊接冷裂紋，提高焊縫韌性，所以遵循“低強匹配”原則［2］，選用了 φ1.2 mm 的 Union X90實芯焊絲;采用混合氣體為80%Ar+20%CO2的熔化極混合氣體保護焊;接頭形式為對接，試樣板厚為10 mm，焊縫形式為60°V形坡口;試驗材料和焊接材料的化學成分與力學性能見表1和表2，焊接工藝參數見表3。

表1 WELDOX960E高強鋼的化學成分與力學性能

表2 Union X90焊絲的化學成分與力學性能

表3 焊接工藝參數

表4 WELDOX960E高強鋼焊接接頭拉伸試驗結果

2 試驗結果與分析討論

2.1 拉伸試驗

室溫拉伸試驗按GB/T2651－2008《焊接接頭拉伸試驗方法》和GB/T228.1－2010《金屬材料拉伸試驗室溫試驗方法》進行。拉伸試驗結果如表4所示:焊接接頭的抗拉強度平均值為1 015 MPa，其斷裂位置為熔合線，同時，熱影響區有明顯的頸縮現象，斷口中心和邊緣由細小的韌窩群組成(見圖1)。因此，其焊接接頭具有良好的拉伸性能。

2.2 彎曲試驗

彎曲試驗按GB2653－2008《焊接接頭彎曲試驗方法》和GB/T232－2010《金屬材料彎曲試驗方法》進行。彎曲試驗結果如表5所示:不論面彎還是背彎180°，均沒有裂紋，合格。說明焊接接頭的彎曲性能良好。

表5 WELDOX960E高強鋼焊接接頭彎曲試驗結果

2.3 沖擊試驗

低溫沖擊試驗按GB/T229－2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》和GB/T2650－2008《焊接接頭沖擊試驗方法》進行。沖擊試驗結果見表6:－40℃時，焊縫、熱影響區和母材的沖擊功平均值為31 J、15 J和58 J，熱影響區沖擊功值較低，是因為粗晶區產生MA組元，使熱影響區韌性下降［3］。試驗采用的沖擊試樣為半試樣，試驗所測得沖擊功平均值均高于沖擊功標準值27 J。試件斷口形貌為淺韌窩，說明其焊接接頭具有良好的沖擊性能。

表6 WELDOX960E高強鋼焊接接頭沖擊試驗結果

2.4 金相分析試驗

WELDOX960E高強鋼焊接接頭經加工、打磨、拋光后，用4%硝酸酒精溶液腐蝕，在BX51M型光學顯微鏡下觀察焊縫、熱影響區和母材的顯微組織形態(圖2)。可見WELDOX960E高強鋼焊接接頭焊縫顯微組織(圖2a)為針狀鐵素體與少量粒狀貝氏體的混合分布，在低合金高強鋼鋼組織中，以針狀鐵素體形態存在的組織韌性較高，是焊縫熔敷金屬最適宜的金相組織［4－5］;熔合區顯微組織(圖2b)為板條馬氏體和少量白色M－A塊區，且晶粒粗大，這是焊接熱輸入過大造成的;正火區顯微組織(圖2c)為塊狀鐵素體、粒狀貝氏體和珠光體，正火區由于發生了重結晶，該區域的組織與晶粒得到了細化，往往是焊接接頭性能最佳的區域［6］;母材顯微組織(圖2d)為回火索氏體。

2.5 硬度試驗

WELDOX960E高強鋼焊接接頭硬度試驗按GB/T4340.1－2009《金屬材料維氏硬度試驗》進行。焊接接頭硬度分布曲線如圖3所示。

焊接接頭各區域的硬度值是由焊接熱輸入與母材組織成分共同決定的。高強鋼焊接接頭硬度值在270～370 HV之間，粗晶區硬度最高，最高硬度為367HV，這是因為粗晶區板條馬氏體與M－A組元硬度高。熱影響區存在輕微的軟化，軟化發生在不完全相變區。造成WELDOX960E高強鋼焊接接頭軟化的原因主要是由于焊后焊接接頭熱影響區的局部區域出現了沿晶界呈顆粒狀或塊狀分布的組織(主要是鐵的碳化物)，這些組織在晶界的聚集使得原本均勻細小的回火索氏體組織不再均勻一致，從而使得該區域的組織發生軟化［7－8］。

3 結語

(1)WELDOX960E高強鋼強度級別高，碳當量較高，具有較高的冷裂敏感性，焊前必須進行預熱，預熱溫度應為200℃左右。

(2)采用Union X90焊絲焊接WELDOX960E高強鋼，可獲得拉伸、彎曲和沖擊性能均良好的焊接接頭。

(3)WELDOX960E高強鋼焊接接頭焊縫顯微組織為針狀鐵素體與少量粒狀貝氏體的混合分布;熔合區顯微組織為板條馬氏體和少量白色M－A塊區;正火區顯微組織為塊狀鐵素體、粒狀貝氏體和珠光體;母材顯微組織為回火索氏體。

(4)WELDOX960E高強鋼焊接接頭焊縫顯微硬度在300～330 HV之間。熱影響區顯微硬度最高，熱影響區存在輕微的軟化。

［1］付榮柏.起重機鋼結構制造工藝［M］.北京:中國鐵道出版社，1991.

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

［3］于啟湛.鋼的焊接脆化［M］.北京:機械工業出版社，2009.

［4］Basu B，R am an R.Microstructural variations in a high strength structural steel weld under isoheat input conditions［J］.Welding Journal，2002，81(11):239 －248.

［5］馬成勇，田志凌，杜則裕，等.熱輸入對800MPa級鋼接頭組織及性能的影響［J］.焊接學報，2004，25(2):23 －27.

［6］Jang J，Lee J S，Ju J B，et al.Determination of microstructural criterion for cryogenic toughness variation in actual HAZs using microstructuredistribution maps［J］.Materials Science and Engineering A，2003，351(1/2):183－189.

［7］李亞江，鄒增大，陳祝年.HQ130高強鋼熱影響區組織及韌性［J］.焊接學報，1997，18(1):27 －32.

［8］崔忠圻.金屬學與熱處理［M］.北京:機械工業出版社，1988.