一種錳鎳鉬硼合金系埋弧焊絲焊接低碳貝氏體鋼接頭的組織及性能

張 敏，陳陽陽，楊 亮，劉明志，邢 奎

（西安理工大學材料科學與工程學院，西安710048）

0 引 言

由于貝氏體鋼具有優異的綜合力學性能，且在其生產過程中可以省去淬火工序，具有簡化工藝、節約熱能、降低成本等優點，已被廣泛應用于汽車前軸、鐵路道岔、管線鋼等方面［1-3］。目前，關于貝氏體鋼的組織、成分、控制軋制和斷裂韌性等方面已經進行了大量的研究，但對其焊接性能的研究還較少，特別是關于其埋弧焊焊接用材料的研制就更少。埋弧焊生產率高、焊縫質量好、勞動條件好，廣泛應用在造船、橋梁及冶金機械制造業中［4］。

相關研究表明，錳的加入可以使焊縫金屬中針狀鐵素體含量增加并且細化組織，顯著提高焊縫屈服強度和抗拉強度。鎳的加入會促進針狀鐵素體形核，細化晶粒。鉬可以推遲先共析鐵素體轉變，當鉬含量大于0.2%（質量分數，下同）時，屈服強度增加很少，抗拉強度明顯增加；當鉬含量大于0.5%時，韌性減小，抗拉強度增大［5］。硼的加入可以使鐵素體轉變曲線明顯右移，針狀鐵素體含量增加，提高焊縫韌性。同時，微量的硼可以提高高溫強度、強化晶界和基體。因此，在鋼中加入錳、鎳、鉬、硼等合金元素，可促進針狀鐵素體形核，控制針狀鐵素體和貝氏體相比例，提高焊縫的強韌性［6］。因此，作者選擇錳鎳鉬硼合金系，設計了一種低碳貝氏體鋼用埋弧焊焊絲，并對低碳貝氏體鋼進行雙面焊，分析了焊接接頭的顯微組織和力學性能，為促進高強韌性、耐低溫且易焊接的低碳貝氏體鋼的發展提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料選用國內某鋼廠生產的X120級低碳貝氏體管線鋼，控軋控冷狀態，其化學成分見表1，冷裂紋敏感系數為0.22，熱裂紋敏感系數為0.41，切割成尺寸為520mm×250mm×15.3mm的焊接試樣。試驗鋼顯微組織如圖1所示，為極細的含有高位錯密度的貝氏體基體組織和細條狀的鐵素體，其上分布有細小的Nb（C，N）及ε-Cu粒子，板條間有少量的M-A島。

焊接材料為錳鎳鉬硼合金系焊絲，焊絲鋼錠在DZG-0025型真空感應電爐中冶煉，設計成分見表2，焊絲直徑為4mm。埋弧焊焊劑選用氟堿型燒結焊劑SJ101。

表1 試驗鋼化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of test steel（mass） %

圖1 試驗鋼顯微組織Fig.1 Microstructure of test steel

表2 錳鎳鉬硼合金系焊絲設計化學成分（質量分數）Tab.2 The designed chemical composition of welding wire（mass） %

采用MZ-1-1000型埋弧自動焊機對貝氏體鋼板進行雙面焊，采用對接直縫埋弧焊，I型坡口，接頭間隙為0.5～1.0mm。焊前打磨試樣，除塵除銹，正面焊完后反面再清根埋弧焊接。焊絲伸出導電嘴長度為25～40mm。焊接工藝參數如表3所示，埋弧焊功率有效系數取0.8。

表3 埋弧焊焊接工藝參數Tab.3 Submerged arc welding parameters

1.2 試驗方法

焊接接頭依次經磨制、粗拋、精拋、腐蝕后干燥，再采用金剛石研磨劑研磨，用體積分數4%的硝酸酒精腐蝕，然后在OLYMPUS-GX71型光學顯微鏡下觀察顯微組織。在焊縫中心垂直于焊縫方向取拉伸試樣，尺寸如圖2所示，根據GB/T 2651-2008，采用MTS810-1型自動拉伸試驗機測拉伸性能；在圖3所示位置切取尺寸為10mm×10mm×55mm的V形缺口沖擊試樣，V型缺口分別開在焊縫中心和距熔合線1mm的HAZ粗晶區，缺口深2mm，采用JB-300B型擺錘式沖擊試驗機測沖擊性能。采用JSM-6700F型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察沖擊斷口的形貌；采用HV-1000型顯微硬度計測焊接接頭的硬度分布，載荷為98N，保壓時間為10s。

圖2 拉伸試樣尺寸Fig.2 Tensile specimen size

2 試驗結果與討論

2.1 焊接接頭的顯微組織

從圖4可見，三種工藝接頭焊縫區的顯微組織基本相近，主要為針狀鐵素體、粒狀貝氏體和少量先共析鐵素體，還有明顯的黑色夾雜物顆粒；針狀鐵素體尺寸大小不等，以短小為主，雜亂分布，粒狀貝氏體出現部分聚集狀態。在焊接過程中焊縫及其附近區域的金屬經歷了獨特的焊接熱循環過程，采用28.08kJ·cm-1的熱輸入焊接時，焊縫金屬處于過熱狀態，冷卻速率慢，處于高溫區時間較長，奧氏體晶粒粗化嚴重，降低了材料的強韌性。當焊接熱輸入為26.11kJ·cm-1時，過熱區冷卻速率較快，處于高溫時間較短，奧氏體晶粒粗化程度較小，細小的組織易于提高焊縫金屬的強韌性。但是，在1＃和2＃接頭中樹枝晶的結晶形態和生長方向清晰可見。當溫度梯度較大時，界面的熱量可以從固、液兩相消散，界面移動不只受到固相傳熱速率控制。如果某處固相偶然伸入液相，則此處進入了溫度梯度更大的區域，以更大的速率生長，在伸入的液相中形成一個晶軸。晶軸結晶時向兩側液相中放出潛熱，使液相中垂直于晶軸的方向又產生負向溫度梯度，這樣晶軸上又會出現二次晶軸［7］。焊縫金屬發生固態相變時，在奧氏體晶界首先析出連續的塊狀先共析鐵素體，裂紋易于在此萌生并擴展。相比針狀鐵素體，先共析鐵素體對裂紋擴展的抵抗能力較低，其強韌性都不如針狀鐵素體好，會降低焊縫金屬的強韌性。比較圖在1＃和2＃接頭發現，2＃接頭焊縫組織中先共析鐵素體較多，因此，其強韌性較低。當焊接熱輸入為24.81kJ·cm-1時，冷卻速率較慢，組織形態發生了變化，針狀鐵素體含量增多，更易于分割奧氏體晶粒，阻止裂紋的擴展，提高了韌性。

圖3 沖擊試樣取樣位置Fig.3 The impact specimen sampling location

圖4 試驗鋼不同工藝焊接接頭焊縫的顯微組織Fig.4 Microstructure of weld zone in the welded joints 1＃（a）2＃（b）3＃（c）of test steel under different welding conditions

從圖5中可以看出，HAZ組織主要為針狀鐵素體和粒狀貝氏體，晶界較明顯；其中針狀鐵素體含量較多，呈籃筐編結形態，晶粒尺寸大小不等，以細長為主，相互之間的位向關系不定，為混雜分布；粒狀貝氏體彌散分布在組織中，同時起到細化晶粒和彌散強化的作用。相比焊縫區，熱影響區的組織粗大，晶界清晰分明，且在較大的焊接熱輸入下，熱影響區產生局部過熱，以一定的速率冷卻，晶粒易于長大，造成熱影響區發生軟化和脆化。當焊接熱輸入為28.08kJ·cm-1時，HAZ晶粒粗化的傾向比較明顯，同時組織中發現有少量的準多邊形鐵素體（QF）和多邊形鐵素體（PF）存在。PF沿晶界析出，會降低韌性，但是晶內生長出了大量的針狀鐵素體，分割晶粒，顯著地增強了HAZ的韌性。當焊接熱輸入為26.11kJ·cm-1時，由于冷卻速率有所增加，HAZ中產生了QF組織，使得HAZ的強韌性有所降低。當焊接熱輸入減小到24.81kJ·cm-1時，由于冷卻速率較大，從奧氏體晶界向晶內生長出了不同位向的細密板條，使原奧氏體晶界清晰可見。同時，組織中出現了貝氏體鐵素體（BF），組織較為細小，顯著增大了強度和韌性。晶粒細化效應、亞晶界強化和位錯亞結構強化等賦予了HAZ優良的強韌性。

焊縫和熱影響區的組織中都存在大量的針狀鐵素體和粒狀貝氏體。這是因為焊絲中鎳、硅元素的加入，增加了針狀鐵素體的形核質點，促進了針狀鐵素體的形成。同時鎳元素能夠細化晶粒，使得晶界數目增多，當裂紋沿著大量互相穿插交錯的針狀鐵素體擴展時，每個晶界都對裂紋的擴展起阻礙作用，路徑曲折，消耗能量較大，所以裂紋不易在針狀鐵素體中擴展，使材料具有較高的強度和優良的抗斷裂性能［8］。

圖5 試驗鋼不同工藝焊接接頭熱影響區的顯微組織Fig.5 Microstructure of HAZ zone in the welded joints 1＃（a）2＃（b）3＃（c）of test steel under different welding conditions

2.2 焊接接頭的力學性能

2.2.1 拉伸性能

從表4可以看出，接頭試樣的拉伸斷裂均發生在焊縫區，這表明焊縫區的強度稍低于母材和HAZ的。同時，焊接接頭最高抗拉強度為829.24MPa，為母材的97.3%；拉伸斷裂時，材料產生了一定的塑性變形，達到較高的屈服強度，屬于韌性斷裂；然而接頭的伸長率和斷面收縮率明顯小于母材的，這說明接頭的塑性低于母材的。焊接熱輸入最小的3＃接頭其塑性最好，強度也較好。

表4 不同工藝焊接接頭及母材的拉伸性能和斷裂位置Tab.4 Tensile properties and fracture locations of welded joints under different conditions and base metal

2.2.2 沖擊性能

由表5可知，三組試樣接頭焊縫區和HAZ沖擊 功都較大，在1 6 6～232J之間，表明 焊 接 接頭的焊縫區和HAZ韌性均較好。同時，接頭HAZ的沖擊功大于焊縫區的，這是由于焊縫區組織中存在沿晶界分布的先共析鐵素體，裂紋易在此萌生并擴展。隨著焊接線熱輸入的增加，接頭焊縫區和HAZ沖擊功均先降低后增大。因為熱輸入增大使接頭HAZ區因為過熱導致晶粒變得粗大，故沖擊功降低，但熱輸入的繼續增大又會使組織中呈籃筐編織狀的針狀鐵素體晶粒增多，它們會阻礙裂紋的擴展［9］，因此沖擊功隨之增大。X120鋼母材在常溫下沖擊功為185J，對比表6，可知三組試樣的焊縫及HAZ沖擊功均能和母材獲得良好的匹配。

表5 焊接接頭的沖擊吸收功Tab.5 The impact energy of the welded joints

從圖6可見，1＃接頭焊縫區的斷口具有典型的韌窩，韌窩數量多而密集，但韌窩較小，深度較淺，在更大的倍數下觀察，可以看見韌窩底部有微小的質點，這說明了韌窩的產生機理為微孔聚集，同時還可以觀察到此斷口中有少量的解理形貌，因此1＃接頭焊縫區斷口為韌脆混合型斷裂；2＃接頭焊縫區的斷口有撕裂棱和解理臺階，屬于準解理斷裂；3＃接頭焊縫區斷口上的韌窩較大，局部韌窩較深，且沒有解理形貌，為韌性斷裂。

由圖7可知，1＃接頭HAZ斷口上的韌窩大，局部韌窩較深，而且大韌窩周圍分布有小的韌窩，這樣交錯組合能夠有效阻止裂紋的擴展，故其韌性好，沖擊功大，為韌性斷裂；2＃接頭HAZ斷口上存在明顯的撕裂棱和解理形貌以及少量的韌窩，少量韌窩的存在使得其韌性增加，但整體為準解理斷裂；3＃接頭HAZ斷口上的韌窩較大較深，大的韌窩周圍分布較密集的小韌窩，對阻止裂紋的擴展更加有利，為韌性斷裂［10］。

2.2.3 硬度分布

從圖8可見，由于快速加熱和冷卻，接頭各區域組織和晶粒大小不同，因而接頭各區域的硬度分布不均；與焊縫區相比，HAZ組織中針狀鐵素體多，而粒狀貝氏體少，所以HAZ的平均硬度小于焊縫區的；焊縫區存在黑色夾雜物顆粒，使得周圍發生畸變，應力集中，導致焊縫區硬度變化幅度較大，出現峰值。硬度也可以反映韌性的大小，一般硬度越大，發生脆性斷裂的可能性越大，其韌性就越差［11］。因為1＃接頭焊縫區的硬度最高，3＃接頭焊縫區硬度最低，與其韌性大小相反，說明硬度大小可以反映其韌性好壞。同時，焊接熱輸入越大，其HAZ晶粒越粗大，軟化現象越明顯，因此要保證HAZ具有較好的韌性，可以選擇小的焊接熱輸入。

圖6 試驗鋼不同工藝焊接接頭焊縫區沖擊斷口的SEM形貌Fig.6 SEM microstructure of weld zone in the welded joints 1＃（a）2＃（b）3＃（c）of test steel under different welding conditions

圖7 試驗鋼不同工藝焊接接頭HAZ沖擊斷口的SEM形貌Fig.7 Fracture microstructure of HAZ in the welded joints 1＃（a）2＃（b）3＃（c）of test steel under different welding conditions

圖8 試驗鋼不同工藝焊接接頭硬度分布Fig.8 The distribution of hardness of the welded joints of test steel under different welding conditions

3 結 論

（1）用自行研制的錳鎳鉬硼合金系埋弧焊焊絲焊接低碳貝氏體鋼可以得到性能良好的焊接接頭，接頭強度與母材相近，塑性較母材稍差，沖擊斷口為韌性斷裂。

（2）接頭焊縫組織主要為針狀鐵素體、粒狀貝氏體、少量先共析鐵素體和黑色夾雜物顆粒；HAZ區組織粗大，主要為針狀鐵素體和粒狀貝氏體；針狀鐵素體的存在，提高了焊縫和熱影響區的韌性。

（3）低碳貝氏體鋼存在一定的冷裂傾向，焊接HAZ區存在軟化問題，可以通過選擇較低的焊接熱輸入（24.81kJ·cm-1）來降低冷裂傾向和 HAZ軟化，提高接頭的韌性，其抗拉強度達到803.63MPa，焊縫和熱影響區沖擊韌性分別為193J和232J。

［1］張曉燕，李廣宇，梁益龍，等.一種新型貝氏體鋼空冷狀態下的組織和性能［J］.中國稀土學報，2008，38（16）：776-778.

［2］席光蘭，馬琴.貝氏體鋼的研究現狀和發展展望［J］.材料導報，2006，20（4）：78-81.

［3］孫德勤，吳春京，謝建新.貝氏體鋼的研究開發現狀與發展前景探討［J］.機械工程材料，2011，34（1）：25-28.

［4］文學.埋弧自動焊主要焊接工藝參數的簡便計算公式［J］.安裝，1997（3）：11-12.

［5］KONG Jun-hua，ZHEN Lin，GUO Bin，et al.Influence of Mo content on microstructure and mechanical properties of high strength pipeline steel［J］.Materials and Design，2004，25（8）：723-728.

［6］SUDARSANAM S B.The mechanism of acicular ferrite in weld deposites［J］.Current Opinion in Solid State and Materials Science，2004，34（8）：267-278.

［7］胡漢起.金屬凝固原理［M］.北京：機械工業出版社，2000.

［8］楊軍，吳魯海，茅及放.低合金高強鋼焊縫熔敷金屬強韌化機理［J］.焊接學報，2006，27（3）：86-90.

［9］ZHANG Ying-qiao，ZHANG Han-qian.Effect of heat input on microstructure and toughness of coarse grain heat affected zone in Nb microalloyed HSLA steels［J］.Journal of Iron and Steel Research International，2009，16（5）：73-80.

［10］李繼紅，楊亮，張敏.X100管線鋼埋弧焊焊接接頭的力學性能分析［J］.熱加工工藝，2013，42（6）：159-163.

［11］LIS A K，LIS J，JEZIOESKI L.Advanced ultra-low carbon bainitic steels with high toughness［J］.Journal of Materials Processing Technology，1997，64：255-266.