焊接間隙對30CrMnSiA調質鋼CO2焊接頭的影響

萬里鵬 張海軍 夏春 黃春平

30Cr Mn SiA屬高強度結構鋼，具有良好的綜合力學性能，因此在實際生產中被廣泛應用，尤其在薄壁容器中的應用更有優勢。除氣焊和攪拌摩擦焊之外現行的大部分焊接方法均適用于這種材料的焊接。

本文研究焊接間隙對30Cr Mn Si A焊接接頭的影響，采用相同的焊接電流和電弧電壓，在焊接試板組隊時預留不同的間隙，研究拘束、自由兩種焊接狀態下不同焊接間隙對焊接裂紋敏感性，焊接接頭的微觀組織結構、力學性能（拉伸、彎曲、硬度）的影響規律，為實際結構不同焊接間隙條件下焊接工藝的制定提供依據。

表1 30CrMnSiA化學成分（質量分數） （%）

表2 不同焊接間隙下手工CO2焊接參數

1.試驗材料及方案

調質態30 Cr Mn SiA鋼的化學成分如表1所示，試板尺寸為300mm×100mm×1.8mm。

用砂輪將試板待焊部位分別開30°坡口，鈍邊0.5～1mm；然后對試板進行噴砂處理，去除試板上的鐵銹和油污；噴砂后機械校正。試驗焊縫采用手工CO2焊，焊接設備為DP—400 OT C型C O2焊機。焊絲牌號為H08Mn2Si A，φ0.8mm。試驗參數如表2所示。

試驗焊縫焊接結束后，試板經48h自然時效后進行檢測，沿焊縫橫截面截取試樣。使用金相顯微鏡觀察接頭微觀組織，使用顯微硬度儀對接頭進行硬度測試。硬度試驗按《GB4340 金屬維氏硬度試驗方法》進行，拉伸試驗按《GB/T2651－2008 焊接接頭拉伸試驗方法》進行。

2. 結果與分析

（1）接頭組織形貌 圖1為四種不同間隙條件下的焊縫橫截面形貌，隨焊接工件裝配間隙的增大，為使焊縫良好成形，必須增大焊接熱輸入量。由圖1可知，隨裝配間隙的增大，焊縫區最大厚度分別為4.4mm、4.7mm、4.4mm、6.7mm，焊縫上表面余高分別為1.59mm、1.45mm、1.18mm、1.52mm，焊縫下表面余高分別為1.01mm、1.45mm、1.42mm、3.38mm，接頭板厚中心線上焊縫寬度分別為5.2mm、5.5mm、5.8mm、8.0mm。上表面余高相差不大。間隙為0.5~2mm時，焊縫成形相差不大；當間隙增大到2mm時，焊縫最大厚度達到母材厚度的2.4倍，在焊縫底部的余高達母材厚度的79%，沿板厚中心線上的最大焊縫寬度為母材厚度的3.2倍。但當間隙增大到3mm時，焊縫最大厚度達到母材厚度的3.7倍，在焊縫底部的余高達母材厚度的18 8%，沿板厚中心線上的最大焊縫寬度為母材厚度的4.4倍。

圖2為焊縫中心處組織，當焊接間隙為0.5mm時，焊接熱輸入較低，焊縫區主要由大量的針狀鐵素體、少量的島狀貝氏體和珠光體組成；隨著焊接間隙增大，所受熱輸入增加，針狀鐵素體開始長大，呈塊狀沿晶界分布；繼續增大焊接間隙時，所受熱輸入過大，開始出現過熱現象，開始出現先共析鐵素體，隨后在晶內析出大量的塊狀先共析鐵素體、珠光體和顆粒貝氏體。

圖3為接頭完全淬火區顯微組織，由于淬火區靠近焊縫，溫度仍然高于奧氏體轉變溫度（A3以上溫度），在室溫條件下冷卻溫度梯度較大，過冷奧氏體發生馬氏體轉變，形成大量的板條狀馬氏體，馬氏體之間存在大量的鐵素體和殘余奧氏體；隨著焊接間隙增大，相應的熱輸入增加，冷卻時析出更多的片狀馬氏體和板條馬氏體及顆粒貝氏體，晶內析出的鐵素體和殘余奧氏體開始粗化；當焊接間隙增至3mm時，熱輸入過大，形成大量的片狀馬氏體組織，各馬氏體之間由含碳量更高的殘余奧氏體隔開。

圖1 拘束狀態下不同間隙接頭橫截面形貌

圖2 焊縫區組織

圖4為不完全淬火區組織，焊接時只受焊接熱作用發生回火轉變，主要為小塊狀鐵素體與珠光體；隨著焊接間隙增大，鐵素體晶粒逐漸長大；當焊接間隙增至3mm時，回火程度更大，主要為鐵素體、回火索氏體及顆粒貝氏體組織。

（2）接頭力學性能 圖5為不同焊接接頭的顯微硬度分布。由圖可知，焊縫區硬度略低于母材，且隨著焊接間隙增大，硬度有降低的趨勢，原因是焊縫區熱輸入量逐漸增大導致硬度下降；而完全淬火區硬度明顯高于焊縫和母材的，其最大值達640HV，是因為30Cr Mn Si A含較多的合金元素，淬硬傾向較大，馬氏體轉變溫度低，此區域形成大量的脆硬高碳馬氏體組織；隨著距焊縫中心的增加，硬度明顯降低；不完全淬火區發生回火處理，出現軟化區，使其硬度低于母材。當焊接間隙在0.5~2mm間時，接頭硬度差別不大；當間隙增大到3mm時，軟化程度最大，但熱影響區寬度最小。分析其原因，雖然熱輸入增大到1 128J/mm，但焊縫金屬區域的增大程度超過熱輸入量的增大程度，增加的熱輸入量主要用于熔化焊絲和母材局部、形成熔敷金屬。

對于不同焊接間隙接頭的抗拉強度曲線，試件自由狀態下焊接接頭抗拉強度隨焊接間隙的增大而呈現先增大后減小的趨勢。觀察其斷裂位置發現主要斷裂在接頭的淬火區，組織觀察發現此區域易產生大量的脆硬高碳馬氏體組織，導致熱影響區脆化，抗拉強度降低。當間隙增大到2mm時，接頭抗拉強度下降到802MPa；當間隙繼續增大到3mm時，接頭抗拉強度下降到720MPa。

圖3 完全淬火區組織

圖4 不完全淬火區組織

圖5 不同焊接間隙接頭顯微硬度分布

3. 結語

(1）焊接間隙為0.5~2mm時，焊縫成形相差不大；當間隙增大到3mm時，焊縫成形變差。

(2)隨著焊接間隙的增大，焊接熱輸入逐漸增大焊縫區域組織由大量的針狀鐵素體逐漸轉變為塊狀先共析鐵素體，完全淬火區組織內鐵素體和殘余奧氏體逐漸消失，不完全淬火區鐵素體晶粒逐漸增大。

(3) 焊縫區的硬度略低于母材，焊接間隙在0.5~2mm之間時，硬度有降低的趨勢，但接頭硬度差別不大，當間隙增大到3mm時，軟化程度最大。接頭抗拉強度隨焊接間隙的增大而呈現先增大后減小的趨勢，當間隙為1mm時，接頭抗拉強度最大，其抗拉強度為母材的74%。

[1] 李亞江.高強鋼焊接[M].北京： 冶金工業出版社，2010.1.

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