Q345C耐候鋼多層多道焊焊接熱影響區熱模擬性能

劉 艷，劉 岳，杭宗秋，陳 輝，張志毅，武永壽，吳向陽

（1.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111）

Q345C耐候鋼多層多道焊焊接熱影響區熱模擬性能

劉 艷1，劉 岳1，杭宗秋1，陳 輝1，張志毅2，武永壽2，吳向陽2

（1.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111）

焊接熱影響區是焊接接頭的薄弱部位，其微區力學性能不能通過常規性能測試獲得。采用Gleeble3500熱模擬試驗機模擬Q345C耐候鋼四層四道焊熱影響區，研究每道熱影響區的微觀組織和力學性能，結果表明：四層四道焊第二道熱影響區的組織與母材相同，為鐵素體和條帶狀珠光體，其余三道熱影響區的金相組織均發生變化，為貝氏體和鐵素體組織。第二道熱影響區的硬度和強度最低，沖擊韌性最高。

熱模擬；四層四道焊；微觀組織；力學性能

0 前言

在焊接熱循環的作用下，焊接熱影響區組織性能分布不均勻，是焊接接頭的薄弱部位，因此深入研究熱影響區中的各區段組織性能十分必要。然而熱影響區中的各區段非常狹窄，很難單獨取出進行相應的試驗研究。采用熱模擬技術可以在一定尺寸的試件上，模擬焊接熱循環及焊接應力應變對焊接熱影響區中某個區段的影響，從而研究該區段組織及性能的變化規律[1]。

付瑞東[2]采用Gleeble 3500熱模擬試驗機研究2.25Cr1Mo0.25V耐熱鋼經歷一次和二次焊接熱循環后焊接熱影響區的微觀組織和力學性能，結果表明，經歷一次和二次焊接熱循環以后，試樣的組織均發生粗化，且低溫沖擊韌性惡化。李紅衛[3]研究了X60鋼級管線鋼在不同的峰值溫度和冷卻時間下的韌性和組織，結果表明，峰值溫度越高，X60鋼級管線鋼的組織越粗大，韌性越低。LIU Wen-yan[4]研究了685 MPa級含銅鋼粗晶區的組織和韌性，結果表明粗晶區的沖擊韌性顯著下降并在粗晶區的亞溫區域發生明顯脆斷。Yuming Huang[5]研究了冷卻速度對CLAM鋼熱影響區的組織和韌性的影響規律。

Q345C鋼是高速列車常用的轉向架用鋼，在熱模擬研究中，國內外主要研究一次和二次熱循環粗晶區的組織和力學性能，對于高速列車轉向架用鋼，在其焊接工藝中常采用多層多道焊，然而每層每道的力學性能并不能通過常規的性能測試獲得。在此采用熱模擬技術對Q345C鋼四層四道焊熱影響區的微觀組織和力學性能進行研究，為轉向架材料的焊接工藝的優化提供依據。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為按歐洲標準EN10025-5：2004制造的板厚12 mm的耐候鋼Q345C，化學成分見表1。

表1 Q345C的化學成分％

1.2 熱循環曲線測試

制備MAG焊標準焊接接頭進行工藝試驗，測量熱影響區的溫度循環峰值溫度、升溫降溫速率，焊接工藝參數如表2所示。

表2 焊接工藝參數

1.3 焊接熱模擬

將根據表2的焊接工藝參數測試獲得的四層四道焊熱影響區的溫度循環峰值溫度、升溫降溫速率等熱循環參數輸入Gleeble3500熱模擬試驗機，對熱模擬后的試樣進行鑲嵌、粗磨、拋光，用3％～4％硝酸酒精溶液腐蝕，之后采用Axio Observer A1m光學顯微鏡和QUANTA FEG 250掃描電子顯微鏡觀察其微觀組織形貌。采用HVS-30維氏硬度計測試焊接熱影響區的硬度，載荷10 kg，保荷時間10 s，每個試樣測試7個點，取7個點的平均值作為焊接熱影響區的硬度，采用DNS-300對熱影響區的拉伸性能進行測試，獲取抗拉強度和屈服強度，拉伸試樣尺寸φ6 mm×150 mm。采用JWS500沖擊試驗機對多層多道焊熱影響區的沖擊性能進行測試，試樣尺寸10 mm×10 mm×55 mm，缺口類型為V型。

2 結果和討論

試驗獲得的熱循環參數如表3所示。

表3 熱循環參數

Q345C鋼四層四道焊每一道熱影響區的金相組織如圖1所示。第一道熱影響區的組織為板條貝氏體、粒狀貝氏體和少量的鐵素體（見圖1a），由表3可知，第一道熱影響區在經歷了最高加熱溫度1 350℃的熱循環之后，又經歷了三次最高溫度為700℃的熱處理作用，后面三次焊對該區域的熱處理作用使得第一道熱影響區的組織性能得到改善。第二道熱影響區的組織為鐵素體和條帶狀珠光體（見圖1b），這類組織強度較低。分析認為，第二道熱影響區工藝循環的試樣在900℃峰值溫度下（此溫度為部分相變區的上限溫度），組織為鐵素體+珠光體。在圖1b中，珠光體轉變為奧氏體，在隨后的冷卻過程中轉變為細小的鐵素體和珠光體，在原鐵素體晶界發生部分再結晶，再結晶的鐵素體來不及長大就冷卻下來，從而細化了晶粒，并在珠光體和鐵素體組織中保留有原始帶狀組織的痕跡。第三道熱影響區的組織為板條貝氏體塊區，沿柱狀晶界析出片狀先共析鐵素體（見圖1c），由于第三道熱影響區經歷了四次1 350℃的高溫作用，使得組織晶粒粗大，對韌性產生不利影響。第四道熱影響區的組織為板條貝氏體和少量鐵素體，如圖1d所示。

圖1 Q345C鋼四層四道焊熱影響區金相組織

為了更加清晰地分辨四層四道焊每一道熱影響區的組織，采用掃描電鏡觀察四層四道焊熱影響區的微觀組織，如圖2所示。第一道熱影響區的板條貝氏體方向明顯；第二道熱影響區的組織為鐵素體和條帶狀珠光體；第三道熱影響區的組織為板條貝氏體塊區，沿柱狀晶界析出片狀先共析鐵素體；第四道熱影響區的組織為板條貝氏體和少量鐵素體。

圖2 Q345C鋼四層四道焊熱影響區微觀組織

三種材料四層四道焊每一道熱影響區的硬度測試結果如圖3所示，除了第二道熱影響區的硬度值低于HV200以外，其余三道熱影響區的硬度均高于HV200，且第四道焊縫的硬度最高。這是因為第二道熱影響區的組織為條帶狀珠光體和鐵素體，其強度、硬度較低；其余幾道熱影響區的組織均為貝氏體，且第四道焊縫由于沒有后續焊縫的熱處理作用，因而硬度較高。

圖3 多層多道焊熱影響區的硬度測試結果

四層四道焊每一道熱影響區的抗拉強度和屈服強度如表4所示。第二道熱影響區的抗拉強度和屈服強度最低，第四道熱影響區的最高，這是因為第二道熱影響區經歷了第一道的預熱作用和第三道、第四道的熱處理作用后，組織為鐵素體和條帶狀珠光體，此類組織強度較低，與硬度結果相符。屈強比是衡量鋼材脆性的指標之一，屈強比越大，表明鋼材屈服強度和抗拉強度的差值越小，鋼材的塑性越差，脆性就越大[6]。從表4中屈服強度和抗拉強度的比值來看，其值約為0.80，因此四層四道焊每道熱影響區的塑性都相差很小。

表4 四層四道焊熱影響區的拉伸試驗結果

多層多道焊每道熱影響區的沖擊試驗結果如圖4所示。第二道熱影響區的沖擊韌性最好，第三道熱影響區的沖擊韌性最低，這與硬度和抗拉強度試驗的結果相符合，原因是第二道熱影響區的組織為鐵素體和條帶狀珠光體，這種組織強度低，但沖擊韌性好。

圖4 多層多道熱影響區的沖擊試驗結果

3 結論

（1）通過多層多道焊熱影響區熱模擬的組織和性能研究，四層四道焊時第二道熱影響區的金相組織為鐵素體和條帶狀珠光體，其余三道熱影響區的組織為貝氏體和鐵素體。

（2）四層四道焊第二道熱影響區的硬度和強度最低，沖擊韌性最好。

[1]趙敏，孫長偉，杜則裕.焊接熱模擬技術及其應用[J].焊接技術，1999（4）：41-42.

[2]付瑞東，逯允海，楊永強，等.2.25Cr-1Mo-0.25V耐熱鋼焊接熱影響區熱模擬試驗研究[J].材料熱處理學報，2008，28（1）：66-69.

[3]李紅衛，彭云，何長紅，等.X60鋼級管線鋼焊接熱影響區的熱模擬研究[J].試驗與研究，2008，37（3）：18-23.

[4]LIU Wenyan，WANGLai，LIUJibin，etal.Microstructures and Properties in Simulated Heat-Affected Zones of 685 MPa Grade Copper-Bearing Steel[J].ProceedingsofSino-Swedish Structural Materials Symposium，2007，14（5）：220-226.

[5]Yuming Huang，Xizhang Chen，Zheng Shen，et al.Measurementand analysis of SHCCT diagram for CLAM steel[J]. Journal of Nuclear Materials，2013（432）：460-465.

[6]束德林.工程材料力學性能[M].北京：機械工業出版社，2011.

Thermal simulation performance of multi-pass welding heat affected zone of Q345C weathering steel

LIU Yan1，LIU Yue1，HANG Zongqiu1，CHEN Hui1，ZHANG Zhiyi2，WU Yongshou2，WU Xiangyang2
（1.School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.CSR SIFANG Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China）

HeatAffectedZone（HAZ）isaweakregioninweldingjoint.However，themechanicalpropertiesinmicro-zonecannotbeobtainedby conventional methods.Gleeble 3500 thermal simulation machine is used to simulate HAZ of four layers and four channels of Q345C steel. MicrostructureandmechanicalpropertiesofeachchannelHAZareinvestigated.Theresultsshowthatthemicrostructureofthesecondchannel HAZissimilartothatofbasemetal，whichiscomposedofferriteand banded pearlite.ThemicrostructureofotherthreechannelsHAZchanges duringtheweldingprocess，which iscomposed ofbainite and ferrite.The hardness and strength ofthe second channelare the lowest，while the impacttoughnessisthehighest.

thermal simulation；four layers and four channels welding；microstructure；mechanical properties

TG407

A

1001－2303（2016）06－0089-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.18

2016-05-18

劉艷（1985—），女，江西宜春人，工程師，博士，主要從事高速列車焊接工藝、焊接結構等研究工作。