Nb對低碳鋼焊接區組織和性能的影響

路寶學， 萬榮春， 劉佳

（1.渤海船舶職業學院，遼寧葫蘆島125000；2.渤海船舶重工有限責任公司，遼寧葫蘆島125000）

Nb對低碳鋼焊接區組織和性能的影響

路寶學1， 萬榮春1， 劉佳2

（1.渤海船舶職業學院，遼寧葫蘆島125000；2.渤海船舶重工有限責任公司，遼寧葫蘆島125000）

通過微觀組織分析研究了含鈮低碳鋼焊接接頭的組織特征，測定了焊接接頭各區域的硬度分布。結果表明鋼中由于Nb的存在，使焊接區組織發生變化，粗晶區得到細化，同時降低了焊縫脆化的傾向，使鋼具有良好的焊接性能與力學性能。

Nb；焊接區；低碳鋼；硬度

0 引言

微合金化鋼近幾十年迅猛發展，因其良好的強韌性與焊接性能［1］，廣泛用于橋梁、船舶、壓力容器等重要焊接結構件中。在微合金鋼焊接時，焊接接頭的韌性首先取決于鋼的化學成分，在成分已定的情況下則主要取決于其顯微組織。本文將通過金相和硬度試驗，來研究微合金化元素Nb對低碳鋼焊接區的組織和性能。

1 試驗材料與方法

焊接試驗用鋼選用厚14 mm的熱軋含鈮低碳鋼板，其中Nb含量為0.046%，其具體化學成分如表1所示。

焊材選用直徑為3.2 mm的MK507堿性焊條，焊條化學成分如表2，其ReL≥410 MPa，Rm≥490 MPa，A≥24%。同時將鋼板加工成14 mm×80 mm× 200 mm，并且切割成30°V形坡口。

表1 試驗鋼的化學成分質量分數 %

表2 焊條的化學成分質量分數 %

試件采用焊條電弧焊單面焊雙面成型，首先進行裝配，在試樣兩端定位焊，定位焊縫長度10 mm，試板間隙3 mm，焊接電流選擇130 A，焊接電壓選擇24 V，焊接速度150 mm/min，焊接6道次［2］。

焊接后試驗鋼的焊縫橫剖面經切割、研磨、拋光及4%硝酸乙醇溶液腐蝕后，在德國蔡司Axiophot2型光學金相顯微鏡下觀察組織并照相。

利用HR-150洛氏硬度計測試焊接后試驗鋼的焊縫橫剖面的硬度，試驗溫度為室溫（實測溫度為15℃）。加預載10 N，主載荷140 N，保持時間為15 s，每個待測點測3個硬度值，再取平均值。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗鋼顯微組織

如圖1所示為試驗鋼焊接接頭的顯微組織。焊接接頭一般分為4部分：焊縫區、過熱粗晶區、細晶區和母材。圖1（a）顯示為焊縫區中心，為鐵素體+珠光體組織。焊縫區中心的晶粒為等軸，而不是一般焊縫區的柱狀晶。粗大針狀鐵素體（柱狀晶）和珠光體出現在焊縫區邊緣，如圖1（b）所示熔合線附近。粗晶區（圖1（c））緊靠焊縫，此區域溫度較高，奧氏體晶粒易發生嚴重的長大現象，冷卻后便得到相對較粗大的組織，但未發現馬氏體，僅觀察到類似貝氏體組織的針狀鐵素體。細晶區為等軸鐵素體+珠光體組織，如圖1（d）所示，細晶區組織晶粒尺寸與焊縫區中心組織晶粒尺寸接近。相對母材區，焊接時細晶區溫度升至Ac3以上，相變重結晶進行完全，即組織全部轉變為奧氏體，空冷后得到均勻細小的鐵素體+珠光體組織［3-4］。圖1（e）顯示為母材區的組織，為鐵素體+珠光體。母材區組織的晶粒尺寸明顯大于細晶區。另外，在細晶區與母材之間還存在不同溫度的過渡區，這個區域為部分相變區圖1（f），此區在焊接時，珠光體部分轉變為奧氏體，鐵素體部分溶解，未發生完全相變［5］。冷卻時奧氏體轉變為細小的珠光體和鐵素體，加熱時未溶解的鐵素體成為粗大的鐵素體，因此此區域晶粒大小不一，組織不夠均勻。

圖1 試驗鋼焊接區的組織

2.2 力學性能

焊接接頭硬度測試結果見圖2，從顯微硬度變化曲線看，沿焊接區硬度變化不是很大，其中母材區最低，焊縫部分與熱影響區中粗晶區硬度最高。熱影響區中最高硬度值為216HV10。熱影響區由于受熱循環作用，產生很大的熱應力和組織應力，使該區硬度升高，塑性下降，從而增加熱影響區開裂傾向［6-7］。實踐中根據經驗往往用熱影響區的硬度值來衡量其焊接性能的好壞，當熱影響區的硬度值達到350HV10以上時就容易產生開裂。所研究鋼焊接時未發現開裂現象，且其最高硬度值為216HV10，故可認為該鋼具有較好的焊接性能，可在不預熱的條件下進行焊接。

圖2 試驗鋼焊接區的硬度

3 結論

1）低碳鋼中由于Nb的存在，使焊接區組織發生變化，粗晶區得到細化。

2）試驗鋼種具有較好的焊接性能，可在不預熱的條件下進行焊接。

［1］ Hulka K，Bauer J.Development trends in HSLA steels for welded construction［J］.Material science forum，1998（7-9）：284－286.

［2］ 楊春楣，卜紅旗，范永革.含鈮微合金鋼焊接性能研究［J］.金屬成型工藝，2002（3）：34－36.

［3］ 王耀華.預變形對納米級鈮的碳氮化物析出行為的影響［D］.武漢：武漢科技大學，2004.

［4］ 彭云，徐祖澤，陳鈺珊.釩、鈦對含鈮微合金鋼焊接熱影響區韌性的影響［J］.鋼鐵，1996，31（4）：53－55.

［5］ 韓強，陳沅，麻永林，等.熱軋DP590雙相鋼焊接接頭組織的研究［J］.焊接技術，2011，40（7）：13－15.

［6］ 孫齊磊，曹備，吳蔭順.Q235管線鋼焊接接頭微區電化學行為［J］.北京科技大學學報，2009，31（1）：41－47.

［7］ 趙宇，冉旭，劉浩.Q235板材焊接結構失效分析［J］.吉林工學院學報，1998，19（4）：24－30.

（編輯昊 天）

Effect of Nb on Microstructure and Properties of Welding Zone in Low-carbon Steel

LU Baoxue1， WAN Rongchun1,LIU Jia2
（1.Materials Engineering Department,Bohai Shipbuilding Vocational College,Huludao 125005,China; 2.Bohai Shipbuilding Heavy Industry Co.,Ltd.,Huludao 12500,China）

The microstructure in welding zone of low-carbon steel was investigated by microscope.The hardness distribution measurements on the different welded specimens were conducted.The results show that microstructure of welding zone has been refined and embrittling tendency of welding line is decreased due to Nb solubilization and precipitation.The steel exhibits excellent mechanical properties and welding properties.

Nb;welding zone;low-carbon steel;hardness

TG 142.1

A

1002－2333（2014）05－0057－02

路寶學（1982—），男，實驗師，主要研究方向為材料成型。

2014-02-26