Q345D鋼埋弧焊接頭組織與性能

楊 克，楊 可，包曄峰

（河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022）

0 前言

埋弧自動焊具有生產效率高、焊接質量好等特點，被廣泛運用于橋梁、船舶、鍋爐制造、壓力容器、輸油輸氣管道、大型鋼結構等領域的中厚板焊接。Q345D鋼與Q345A、B、C相比機械性能較好，低溫沖擊功的試驗溫度低（-20℃最小27 J），有害物質S、P的含量較低，焊接性能較好。Q345D使用時多為中厚板，所制造的設備多在高壓和重載荷的條件下工作，若焊縫中存在微裂紋，焊接接頭強韌性較差或與母材不匹配，將導致設備的抗拉壓、抗沖擊性能下降，可能會造成重大安全事故。因此需要設計恰當的工藝來獲得良好的焊縫成形和焊接接頭性能[1-3]。

裂紋、氣孔是焊縫主要的缺陷；焊接接頭的強度、塑性、韌性是其重要性能指標；接頭的顯微組織形態也對其性能有很大影響。這些性能指標決定了設備的安全性和使用壽命。因此通過對焊接接頭進行無損檢測，分析試樣的顯微組織，對焊接接頭進行拉伸、彎曲和低溫沖擊試驗來檢驗Q345D鋼埋弧焊的接頭性能。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗母材選用15 mm的Q345D鋼板，它屬于低合金鋼，一般在熱軋狀態下使用。由于軋制過程使晶粒變得細長，材料得到沉淀強化和細晶強化。Q345D鋼的化學成分和力學性能如表1、表2所示。

表1 Q345D鋼的化學成分

Tab.1 Chemical constitution of Q345D %

w（P）≤0.030 w（S）≤0.030 w（C）≤0.180 w（Si）≤0.550 w（Mn）≤1.800 w（V）0.020～0.150 w（Nb）0.015～0.060 w（Al）≥0.015

表2 Q345D鋼的力學性能Tab.2 Mechanical property of Q345D

選用55ULT×H-14的焊劑-焊絲組合，適于低溫鋼的單層、多層焊接，焊絲直徑為4.8 mm，電弧燃燒穩定，焊縫成形美觀，脫渣容易，具有較高的低溫沖擊韌性。焊絲與焊劑配合所得熔敷金屬的主要合金元素成分如表3所示。熔敷金屬中主要合金元素為Mn、Si、B和Ti。低合金鋼焊縫韌性很大程度上依賴于Si、Mn含量。Si是鐵素體形成元素，Mn是擴大奧氏體區的元素，能推遲γ→α轉變，增加焊縫中Mn的含量，將減少先共析鐵素體的比例。Ti是很強的碳化物形成元素，形成的TiC能對基體起到明顯的沉淀強化作用。B的加入能夠細化晶粒，起到細晶強化的作用[1]。

表3 熔敷金屬的化學成分Tab.3 Chemical Composition of Deposited Metal%

1.2 試驗方法

使用MZ型自動埋弧焊機對板厚為15 mm的Q345D進行焊接，開單面V型坡口，坡口角度60°，裝配間隙0～2 mm。采用單面焊接工藝，焊前仔細清理坡口兩側的油污、鐵銹和水分等。焊接時需在板件兩端加引弧板和引出板，以去除引弧和收尾時容易產生的弧坑等缺陷。焊接三層，分別為打底焊、中層焊、封頂焊。具體的工藝參數如表4所示。

表4 埋弧焊焊接參數Tab.4 Welding procedure parameters of submerged arc welding

2 結果與分析

2.1 焊接接頭金屬組織

焊縫成形良好，表面光滑，無氣孔、未焊透和咬邊等缺陷。使用磁粉探傷儀和超聲波探傷儀對焊接接頭進行無損檢測，焊接接頭內部未發現微觀裂紋、氣孔、夾渣。

在試板上截取試塊制備金相試樣，使用4%的硝酸酒精溶液對試樣進行腐蝕。使用XJG-05型臥式金相顯微鏡觀察焊接接頭的顯微組織。

2.1.1 母材顯微組織

Q345母材的顯微組織如圖1所示，為長條狀鐵素體和片狀珠光體，兩者呈帶狀分布，其中也有粒狀的碳化物析出，如圖1b所示。由于Q345D主要是在熱軋狀態下使用的鋼，可以看到明顯的軋制方向。帶狀分布的鐵素體和珠光體組織使得鋼的機械性能呈現各向異性，導致沿帶狀縱向方向強度高、韌性好；而垂直于帶狀的橫向強度低、韌性差[4]。

圖1 母材顯微組織Fig.1 Microstructure of base metal

2.1.2 焊縫顯微組織

焊縫金屬組織為鐵素體+珠光體，鐵素體主要是在奧氏體晶內形成的細晶鐵素體和部分針狀鐵素體。針狀鐵素體的形成是由于焊縫金屬在快速冷卻的情況下，合金元素所形成的非金屬夾雜如TiO、MnO2、MnS、SiO2等，熔點較高，在熔池中首先析出，由于熔點不同，形成以 TiO、SiO2為核心，MnO2、MnS 為表層的復合夾雜物，充當針狀鐵素體形核的核心[5-6]。但并不是所有的非金屬夾雜都能誘發針狀鐵素體形核，文獻[2，7]的研究指出，尺寸為0.2~0.6 μm的夾雜物更有益于誘發針狀鐵素體的形核，因此焊縫金屬只得到了部分針狀鐵素體組織。Ti和B都是細化晶粒的元素，凝固過程中，彌散分布的TiC顆粒成為熔池中液態金屬凝固的晶核，能夠細化焊縫組織；B通過在晶界阻止先共析鐵素體的形成和長大，都使焊縫得到細晶粒鐵素體，進而提高焊縫的韌性。

焊縫金屬顯微組織如圖2所示。圖2a為底層焊縫的顯微組織，其中珠光體的含量相對較多。這是由于打底焊時，過冷度較高，焊縫金屬冷卻速度較大，而低碳鋼焊縫組織中珠光體的含量隨著冷卻速度的增加而增加[8]。另外，打底焊時母材的稀釋率較高，使焊縫金屬含碳量增加，也會使得珠光體含量增加，從而使焊縫得到較高的硬度。圖2b為中間層焊縫組織，由于此時打底焊縫金屬還保持在較高的溫度，焊縫的冷卻速度較低，得到的鐵素體較多，且晶粒細小，所以焊縫能得到較好的韌性。但中間層焊接時的熱輸入對底焊縫的組織也有一定影響。二次熱循環時，底焊層被加熱到奧氏體化溫度并保持較長時間，有分析認為，焊縫金屬與非金屬夾雜物不同的線膨脹系數會導致金屬與夾雜物之間出現“空腔”，釋放了夾雜物與奧氏體之間的應力-應變能，使得針狀鐵素體的形核驅動力提高，若高于塊狀鐵素體的形核驅動力，奧氏體即轉變為塊狀鐵素體[5]。這也是導致焊縫中針狀鐵素體含量不多的原因。圖2c為最后一層焊縫，珠光體含量略高于中間層，鐵素體與珠光體分布均勻。焊接時，每一層焊縫都對上一層進行了相當于正火的熱處理，焊縫能得到較均勻細小的組織。

針狀鐵素體大角度相互交叉的形態能有效阻止裂紋的擴展，有利于焊縫金屬韌性的提高。盡管焊縫中沒有得到大量的針狀鐵素體，但細晶鐵素體的存在，也能對焊縫的韌性起到良好的促進作用。三層焊縫不同的組織形態，使焊縫在具有一定硬度和強度的同時保持良好的韌性。

圖2 焊縫區顯微組織Fig.2 Microstructure of welding metal

2.1.3 熱影響區顯微組織

在焊接熱影響區中過熱區主要為粗大的組織，韌性很低，焊接剛度較大的結構時，常在過熱區產生脆化或裂紋。圖3為試樣焊接熱影響區的顯微組織分布。在圖3a中過熱區晶粒長大并不嚴重，這是由于母材中含有V、Nb等細化晶粒的元素，其碳化物粒子“釘扎”晶界，抑制奧氏體晶粒長大，得到較細小的鐵素體和珠光體。而過熱區的大小則與焊接方法、焊接線能量和母材的板厚等有關，在圖3a中過熱區并不寬大，說明使用埋弧焊多層焊的焊接方法和試驗所選擇的工藝參數焊接Q345D鋼，能得到較窄的過熱區，從而獲得良好的焊接接頭性能。相變重結晶區組織為均勻而細小的珠光體和鐵素體，相當于正火組織，具有良好的塑性和韌性。不完全重結晶區內一部分組織發生了相變重結晶過程，呈現為細小的鐵素體和珠光體，另一部分始終未溶入奧氏體的鐵素體，仍呈帶狀分布[8]，如圖3b所示。因此，從顯微組織分析來看，熱影響區應較母材有更好的強韌性。

圖3 熱影響區顯微組織Fig.3 Microstructure of HAZ

2.2 焊接接頭力學性能

對試樣進行拉伸試驗、彎曲試驗、低溫沖擊試驗，檢驗焊接接頭的力學性能。拉伸試驗結果如表5所示。斷裂于母材，抗拉強度為560 MPa，焊縫抗拉強度高于母材，能滿足工作要求。

表5 拉伸試驗結果Tab.5 The result of tensile test

對試樣進行彎曲試驗（彎曲180°），彎曲試樣的彎曲部位外表面（受拉面）未發現裂紋和裂縫，焊接接頭具有良好的塑性和韌性。

對焊接接頭進行沖擊試驗，試驗溫度為-20℃，橫向開V型坡口，坡口深度2 mm，進行三次試驗取平均值，試驗結果如表6所示。母材沖擊吸收功為34.7 J，焊接過程中，近縫區母材在焊接熱循環的作用下，得到相當于正火的熱處理，組織細化，韌性提高。熱影響區由于組織不均勻，導致其力學性能也不均勻，沖擊吸收功為42.3 J。焊縫得到針狀鐵素體、細晶粒鐵素體和珠光體的組織，故其具有良好的強度和韌性，焊縫沖擊吸收功達到107.6 J。焊縫和熱影響區沖擊吸收功均高于母材，滿足工作要求。

表6 沖擊試驗結果Tab.6 The result of impact test

3 結論

（1）采用合適的工藝參數，對Q345D鋼施焊三層，焊縫成形良好，表面光滑，無氣孔、咬邊、未焊透等缺陷。經過磁粉探傷和超聲波探傷檢測，焊接接頭內未發現微裂紋和氣孔。

（2）焊縫顯微組織主要為鐵素體+珠光體，其中鐵素體主要為細晶粒鐵素體和針狀鐵素體。底焊層珠光體含量較高，封頂層次之，中間層含量相對較少，焊縫能得到良好的強度和韌性。焊接熱影響區特別是粗晶區較窄，其力學性能不均勻性得到改善。

（3）焊縫抗拉強度高于母材，180°彎曲試驗未發現裂紋和裂縫，-20℃沖擊試驗，母材沖擊吸收功為 34.7 J，熱影響區為 42.3 J，焊縫為107.6 J，均能滿足使用要求。

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[1]李亞江.焊接冶金學—材料焊接性[M].北京：機械工業出版社，2006..

[2]閆 霞，屈金山，韓志偉，等.高溫下16Mn鋼雙絲自動埋弧焊接頭性能分析[J].電焊機，2010，40（1）：86-89.

[3]國旭明，錢百年，王玉.夾雜物對微合金鋼熔敷金屬針狀鐵素體形核的影響[J].焊接學報，2007，28（12）：5-8.

[4]Fox A G,Brothers D G..The role of titanium in the nonmetallic inclusions which nucleate acicular ferrite in the submerged arc weld fusion zones of navy HY-100 steel[J].Scripta Metallurgica Materialia,1995,32（7）：1061-1066.

[5]黃安國，余圣甫，謝明立，等.低合金鋼焊縫的針狀鐵素體微觀組織[J].焊接學報，2008，29（3）：45-48.

[6]張文鉞.焊接冶金學（基本原理）[M].北京：機械工業出版社，1999.

[7]王宗杰.熔焊方法及設備[M].北京：機械工業出版社，2006.

[8]Tomonori YAMADA，Hidenori TERASAKI，Yu-ichi KOMIZO.Relation between Inclusion Surface and Acicular Ferrite in Low Carbon Low Alloy Steel Weld[J].ISIJ International，2009，49（7）：1059-1062.