屈服強度700MPA級低合金高強鋼焊接接頭的組織和性能研究

劉永剛，韋加利，張 武，洪永昌，尹孝輝，鄭棟材

(1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司 汽車板推進處，安徽 馬鞍山 243000;2.安徽工業大學 材料科學與工程學院，安徽 馬鞍山 243002)

0 前言

低合金高強度鋼HSLA(High Strength Low Alloy Steel)強度高，焊接性能良好，被廣泛應用于工程機械、壓力容器和車輛制造等國民經濟等各個領域［1－2］。當低合金高強鋼的屈服強度大于400 MPa時，隨著強度級別的不斷提高，其焊接接頭的強韌性將會逐漸下降，同時裂紋敏感性逐漸增大，使得焊接工藝窗口變窄，因此在進行高強度級別的HSLA焊接加工時有必要研究其焊接性，有關這方面已有不少研究成果。武漢海軍工程大學的曹雷運用蒙特卡洛方法研究了焊接接頭強度匹配分布系數，提出了等強匹配焊接接頭的界定方法［3］;哈爾濱工業大學的趙洪運研究了800 MPa級高強鋼在不同焊接熱輸入作用下熱影響區組織和性能，結果表明，隨著焊接熱輸入的增大，焊接熱影響區晶粒長大的趨勢越顯著［4］。鋼鐵研究總院的馬成勇研究了焊接熱輸入對高強結構鋼的焊接接頭及力學性能的影響，結果表明焊接接頭低溫韌性在焊接熱輸入為20 kJ/cm時最高，這時焊縫組織為細小密集的針狀鐵素體組織［5］。

本研究通過在不預熱的條件下，選用了強度級別與試驗鋼強度相當的焊絲，采用熔化極氣體保護焊方法(GMAW)對屈服強度700 MPa級試驗鋼進行焊接性試驗，重點研究在“等強匹配”設計原則下焊接接頭的組織和性能，為試驗鋼在實際焊接生產中應用提供理論和試驗依據。

1 試驗材料和方法

試驗鋼選用8 mm厚屈服強度700 MPa級低合金高強熱軋鋼板，焊絲采用抗拉強度800 MPa級的WH80－G焊絲，直徑φ1.2 mm。試驗材料的化學成分和力學性能如表1所示。試板尺寸為500 mm×250 mm×8 mm，接頭形式為V形坡口對接，坡口角60°，鈍邊2 mm，板間距2 mm。試板焊前不預熱。焊接設備為CPDP－35型數字脈沖氣體保護焊機，保護氣體為φ(Ar)80%+φ(CO2)20%，環境溫度20℃。焊接方法采用單面多道焊，具體焊接工藝參數如表2所示。

表1 試驗材料的化學成分和力學性能

表2 焊接工藝參數

焊后沿焊接接頭的橫截面截取金相試樣，經打磨拋光后，用4%硝酸酒精腐蝕，利用Olympus PME3型金相顯微鏡和JEOL JSM－6490LV型掃描電鏡觀察分析其顯微組織并照相。按照國家標準GB/T2654－2008、GB/T2650 －2008、GB/T2651 －2008 分別對焊接接頭進行顯微硬度、拉伸和沖擊試驗。其中選擇20℃、0℃、－20℃、－40℃、－60℃五種沖擊試驗溫度;拉伸試樣的軸線垂直于焊縫，在NANO SEM430場發射掃描電鏡下觀察分析拉伸斷口形貌。

2 試驗結果和分析

2.1 顯微組織

試驗鋼焊接接頭的金相和電子顯微組織，如圖1、圖2所示。其中母材組織如圖1a所示，主要為較細小的鐵素體和少量珠光體，沿軋制方向呈方向性分布;圖1b為焊接接頭的熱影響區細晶區組織，經觀察分析主要為細小多邊形鐵素體和極少量珠光體，但是晶粒尺寸大小不一，較母材有不同程度的長大;圖1c為熱影響區粗晶區組織，主要為等軸狀鐵素體和粒狀貝氏體組織，其晶粒不但粗大，進一步觀察可知在晶內分布大量細小的M－A組元(見圖2a);焊接接頭的焊縫組織如圖1d所示，主要為晶內針狀鐵素體，以及少量的先共析鐵素體與粒狀貝氏體。先共析鐵素體主要分布在晶界處，而晶粒內部組織主要為細小針狀鐵素體和少量粒狀貝氏體(見圖2b)，這種組織的形成有利于焊接接頭具有一定的強韌性。

2.2 顯微硬度

焊接接頭橫截面顯微硬度測定如圖3所示。曲線1距焊縫上表面2 mm，曲線2距焊縫下表面2 mm。從顯微硬度曲線分布可知:采用WH80－G焊絲獲得的焊接接頭的焊縫區顯微硬度與母材區基本相當;而熱影響粗晶區的顯微硬度低于焊縫區和母材區，為整個焊接接頭中硬度最低的區域，說明由于受到焊接熱循環作用，使得熱影響區軟化現象明顯。其主要原因是此區域形成的組織為粗大晶粒的貝氏體組織。進一步對比分析硬度分布曲線1和曲線2，曲線1的熱影響區寬度比曲線2較窄，這是由于焊接接頭的底部熱影響區受到后續較大線能量的多次焊接熱循環影響的緣故。

2.3 沖擊韌性

圖1 焊接接頭金相顯微組織

圖2 焊接接頭電子顯微組織

圖3 焊接接頭橫截面顯微硬度測定

焊接接頭的焊縫區沖擊試驗結果如表3所示，經分析比較可知，在－20℃～20℃的溫度范圍內，焊縫區的沖擊功值較大;當試驗溫度在－40℃時，沖擊功值依然可達到較高的數值即38 J，當試驗溫度降低到－60℃時，沖擊功為14 J，下降幅度較大。說明采用等強匹配設計得到的焊接接頭其焊縫區在常溫下表現出較高的沖擊韌性，同時在低溫條件下同樣表現出良好的低溫沖擊韌性。由焊縫區組織分析可知，其主要為晶內針狀鐵素體，以及少量的先共析鐵素體與粒狀貝氏體。而晶內大量形成的細小針狀鐵素體方向雜亂，互相交錯，成大角度分布，當裂紋通過時，傳播路徑曲折，傳播時需要更多的能量，這種特定的組織形態有效地阻礙了裂紋的擴展［6－7］。針狀鐵素體組織是保證焊縫金屬沖擊韌性較好的優良組織，針狀鐵素體的數量越多，焊縫金屬的沖擊韌性就越好。圖4為兩種低溫條件下焊接接頭的沖擊斷口形貌。在－40℃時斷口形貌為均勻分布的細小韌窩狀表現出是一種韌性斷裂，在－60℃時斷口形貌表現為是一種脆性斷裂。

表3 焊縫區的沖擊試驗結果

圖4 焊接接頭的沖擊斷口形貌

2.4 拉伸性能與斷口形貌

焊接接頭的拉伸實驗結果如表4所示。經觀察，焊接接頭的斷裂位置發生在熱影響區粗晶區，同時存在明顯的頸縮現象，而焊縫金屬區和母材的變形量卻很小。經測定焊接接頭的抗拉強度為815 MPa，達到了母材強度的97.1%，略超過機械標準JB4708－2005中評定焊接接頭抗拉強度的要求，為母材強度的95%。

表4 拉伸實驗結果

圖5a為掃描電鏡低倍下裂紋源區位置A，可見裂紋源位于接頭中間，呈一條直線形態，把斷口的快速擴展區分為B區域和C區域兩部分。其中B區域位于接頭的上部，C區域位于接頭的下部。進一步高倍觀察裂紋源區位置A的形貌，如圖5b所示。其斷口形貌呈現出韌窩和解理臺階，斷裂類型為混合型斷裂，并且解理斷裂面與韌窩斷裂面互成較大的角度。然而快速拓展區B區域的高倍斷口形貌，其表現為韌窩狀，但韌窩的大小不一，大韌窩尺寸較大且較深，在韌窩的底部明顯可見析出物粒子存在，并且小韌窩分布在大韌窩周邊，韌窩軸線與斷裂面垂直，如圖5c所示;對于快速拓展區C區域的高倍斷口形貌，其表現為典型的解理斷裂狀，解理臺階明顯，并且解理臺階方向雜亂且層次不平，如圖5d所示。焊接接頭在拉伸過程中，裂紋一旦形成在擴展的過程中其路徑曲折，宏觀上表現出材料的抗裂紋能力較強;而呈現出這些層次不平的撕裂臺階和大小不一的韌窩，進一步說明材料的抗塑性變形能力較好，綜合表現為強韌性較高。

焊接接頭橫截面組織分析如圖6所示。圖6a為V型坡口根部的裂紋源位置宏觀組織分析圖，分析表明在拉伸斷裂過程中裂紋通過第三道焊縫的熱影響區時，形成韌窩型斷裂;通過底部焊縫熱影響區時，形成解理型斷裂。V型坡口根部的裂紋源區為第二道焊縫、第三道焊縫和母材三者的交界處，此位置受焊接熱循環的影響不但復雜而且由于組織變化產生的殘余應力疊加量也較大，導致此處成為整個接頭的裂紋源［7］。對V型坡口根部進行金相顯微組織觀察和分析，發現在局部形成一定數量的細小針狀馬氏體組織，是導致斷口形貌存在部分脆性斷裂特征的主要原因，如圖6b所示。

3 結論

(1)焊接接頭的焊縫組織主要為晶內針狀鐵素體，以及少量先共析鐵素體和粒狀貝氏體;熱影響區粗晶區的組織為等軸狀鐵素體和粒狀貝氏體組織，細晶區的組織為細小多邊形鐵素體和極少量珠光體。

圖5 焊接接頭的拉伸斷口形貌

圖6 焊接接頭橫截面組織分析圖

(2)焊接接頭的焊縫區顯微硬度與母材相當;焊縫區的沖擊韌性在20℃時為95 J，在－40℃時為38 J，表現為良好的沖擊韌性。

(3)焊接接頭抗拉強度達到了母材強度的97.1%，其斷口形貌為韌窩與解理臺階的混合型斷口;采用等強匹配設計的焊接接頭獲得了較高的強韌性，綜合力學性能良好。

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［3］曹 雷，孫 謙，宗 培，等.等強匹配焊接接頭的特征及界定方法［J］.焊接學報，2006，27(7):81 －84.

［4］趙洪運.焊接熱輸入對800 MPa級超級鋼焊接接頭組織性能的影響［J］.焊接學報，2011，32(8):5 －8.

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