縱向磁場對WQ960鋼焊接接頭組織和性能的影響*

劉政軍， 蘆延鵬， 蘇允海， 馬大海， 陳思含

(沈陽工業大學 材料科學與工程學院， 沈陽 110870)

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縱向磁場對WQ960鋼焊接接頭組織和性能的影響*

劉政軍， 蘆延鵬， 蘇允海， 馬大海， 陳思含

(沈陽工業大學 材料科學與工程學院， 沈陽 110870)

為了研究縱向磁場對焊接接頭的顯微組織、沖擊韌性和抗拉強度的影響，利用縱向磁場輔助MAG焊焊接WQ960高強鋼.縱向磁場的施加提高了焊接接頭的抗拉強度、沖擊吸收功和沖擊韌性，改善了焊接接頭的顯微組織，且焊接接頭的顯微組織主要由細小的針狀鐵素體構成.結果表明，當勵磁電流達到2.5 A且磁場頻率為20 Hz時，焊接接頭的抗拉強度和低溫沖擊功均可達到最大值，分別為839 MPa和72 J，且分別提高了17.01%和24.14%；先共析鐵素體和側板條鐵素體數量相應減少，因而形成了更多的針狀鐵素體.

低合金高強鋼； 縱向磁場； 力學性能； 先共析鐵素體； 針狀鐵素體； 側板條鐵素體； 沖擊韌性； 抗拉強度

作為一種高強度、高韌性的鋼材，低合金高強鋼廣泛應用于工程機械、橋梁和汽車船舶等領域.相比其他鋼材，低合金高強鋼在節能減排、降低能耗和可持續發展等方面優勢明顯，因而受到越來越多的關注[1].然而，在焊接狀態下，低合金高強鋼因受到熱循環作用，其組織和性能會發生變化，因而限制了其使用范圍.因此，解決低合金高強鋼在焊接過程中的相關問題，提高焊接接頭的質量，對于進一步擴大低合金高強鋼的使用范圍而言顯得十分重要.

相比傳統焊接方法，磁控焊接法能更好地控制焊接接頭的質量，因而享有“無損焊接”的美譽.利用外加磁場對焊接中的熔滴過渡、熔池金屬流動、熔池結晶形核及結晶生長等過程進行有效地干預，能夠使焊縫金屬的一次結晶組織得到細化，減小化學不均勻性，提高焊縫金屬的塑性和韌性，降低結晶裂紋和氣孔的敏感性，從而提高焊縫金屬的性能，全面改善焊接接頭的質量[2].外加縱向磁場焊接技術因具有附加裝置簡單、投入成本低、效益高、環保等優點，在冶金、化工、壓力容器、電力、航空和航天等領域得到了廣泛應用[3-4].本文通過相關試驗與分析，研究了在縱向磁場作用下，低合金高強鋼焊接接頭性能及組織的變化與機理.

1　材料與方法

試驗母材為WQ960，其抗拉強度為980 MPa，且規格為200 mm×60 mm×6 mm.選用JM-100為填充焊絲，其抗拉強度為715 MPa，直徑為1.2 mm.母材和焊絲的化學成分分別如表1、2所示.

表1　母材的化學成分(w)Tab.1　Chemical composition of base metal(w)　%

表2　焊絲的化學成分(w)Tab.2　Chemical composition of welding wire(w)　%

焊接接頭采用V形坡口平板形式對接，板材試樣尺寸如圖1所示(單位：mm).其中，坡口角度為60°；鈍邊寬度為2 mm；板間距為3 mm.坡口采用機械加工方法制備，焊前需要對坡口進行除銹打磨.為了減小熱輸入對試驗結果產生的影響，試板焊前不需要進行預熱處理，采用單層單道焊的焊接方法.保護氣體選用Ar與CO2的混合氣體(Ar與CO2的體積分數比為4∶1)，氣體流量為16～17 L/min，焊接電壓為24 V，焊接電流為220 A，焊接速度為4 mm/s.焊接時施加的磁場電流分別為1、1.5、2、2.5和3 A，施加的磁場頻率分別為5、10、15、20和25 Hz.

試驗中采用外加縱向磁場輔助MAG焊的焊接方法，試驗裝置示意圖如圖2所示.焊接磁控系統主要由磁場電源和勵磁線圈組成，且勵磁線圈套于焊槍上.在焊接過程中，可以通過調節磁場電源的電流和頻率，改變作用于焊接熔池的磁場參數.

圖1　板材試樣的尺寸Fig.1　Size of plate specimen

圖2　試驗裝置示意圖Fig.2　Schematic test device

完成焊接后，將焊件制備成相應的試件，并進行拉伸和沖擊力學試驗.根據GB/T 2649-1989的規定，應在垂直于焊縫方向獲取拉伸試件，且拉伸試件尺寸如圖3所示(單位：mm).利用電子萬能試驗機對試件進行拉伸試驗，設定拉伸速率為5 mm/min，拉伸試驗應進行至試樣斷裂為止.結合計算機分析，可以得到焊接接頭的拉伸性能參數.在相同條件下，對每組試驗分別進行3次，取其平均值作為該組試驗的測定值.根據金屬材料力學性能取樣標準，在垂直于焊接方向上截取沖擊試件，去除焊縫余高后，制得尺寸為5 mm×10 mm×55 mm的非標準沖擊試件.沖擊試件的缺口深度為2 mm，V型角度為45°，試驗溫度為-20 ℃.采用OLNMPUS BX-6型光學顯微鏡對焊接接頭進行顯微組織觀察與分析.

圖3　拉伸試樣的尺寸Fig.3　Size of tensile specimen

2　結果與分析

2.1焊接接頭的組織與力學性能

圖4為焊接接頭的顯微組織.其中，Im為勵磁電流；f為磁場頻率.由圖4a可見，當未施加外磁場時，焊接接頭的顯微組織主要由針狀鐵素體(AF)、先共析鐵素體(PF)和側板條鐵素體(FSP)構成.先共析鐵素體沿奧氏體晶界(AGB)析出，并完全將其覆蓋；側板條鐵素體由奧氏體晶界向晶內生長；奧氏體晶內主要由相互交織分布的針狀鐵素體構成.由圖4b可知，當勵磁電流為2 A、磁場頻率為20 Hz時，焊接接頭顯微組織中的針狀鐵素體數量明顯增加；奧氏體晶界上僅存在少量斷續分布的先共析鐵素體；側板條鐵素體數量也明顯減少，且與無磁場作用下焊縫的顯微組織相比，側板條鐵素體的晶粒尺寸大幅度減小.由圖4c可知，當勵磁電流為2.5 A、磁場頻率為25 Hz時，焊接接頭顯微組織中的先共析鐵素體基本消失，與圖4b中焊縫的顯微組織相比，其奧氏體晶界處側板條鐵素體的尺寸和數量均有所增加.

圖4　焊接接頭的顯微組織Fig.4　Microstructures of welded joint

試驗測得當未施加縱向磁場時，焊接接頭的抗拉強度和低溫(-20 ℃)沖擊功分別為717 MPa和58 J.焊接接頭的抗拉強度與低溫沖擊功隨磁場頻率的變化曲線分別如圖5、6所示.由圖5、6可知，當勵磁電流小于2.5 A且磁場頻率小于20 Hz時，焊接接頭的抗拉強度和低溫沖擊功均隨著勵磁電流和磁場頻率的增加而有所增加.當勵磁電流達到2.5 A，磁場頻率達到20 Hz時，焊接接頭的抗拉強度和低溫沖擊功均達到最大值，且分別為839 MPa和72 J，相比未施加縱向磁場時的數值分別提高了17.01%和24.14%.由圖5、6還可以觀察到，若繼續增加勵磁電流和磁場頻率，焊接接頭的抗拉強度和低溫沖擊功反而有所降低.

圖5　焊接接頭的抗拉強度隨磁場頻率的變化Fig.5　Change of ultimate tensile strength with magnetic field frequency for welded joint

圖6　焊接接頭的低溫沖擊功隨磁場頻率的變化Fig.6　Change of low temperature impact energy with magnetic field frequency for welded joint

結合焊接接頭的顯微組織分析可知，低合金高強鋼焊接接頭抗拉強度的提高主要歸因于磁場作用引發的晶粒細化現象.隨著勵磁電流的增加，當電磁阻尼作用占據磁場作用的主導地位時，熔池的對流現象會受到抑制，同時熱量傳導也會受到抑制，使得熔池金屬的過冷度減小，針狀鐵素體的形核率下降，從而導致晶粒變得粗大.當外加磁場頻率增大到一定程度時，由于磁場方向變化過快，熔池內液態金屬的交替運動也隨之變快，導致液態金屬在未發生大范圍移動時就會受到磁場方向改變所產生的反向電磁力的作用，使得液態金屬的移動受到限制，并從某種程度上削弱了電磁攪拌作用.因此，焊接接頭組織又出現了粗化現象，且其抗拉強度也有所降低.雖然在磁場作用下，焊接接頭中夾雜物的數量、尺寸和分布也會發生變化，但抗拉強度和屈服強度主要受其顯微組織的影響，而夾雜物的尺寸、分布和形態主要影響焊接接頭的塑性[5].

磁場對焊接接頭低溫沖擊功的影響較為復雜，需要結合斷口進行進一步分析.沖擊斷口通常由纖維區、放射區和剪切唇組成.其中，斷口的放射區屬于脆斷區，且該區所消耗的能量相比發生塑性斷裂的纖維區要少很多，這是因為裂紋擴展功主要消耗在經過塑性變形形成的韌窩上[6].因此，本文主要針對焊接接頭的纖維區進行分析.

圖7為低合金高強鋼焊接接頭的低溫沖擊斷口的微觀組織.由圖7可見，焊接接頭斷口形貌為典型的等軸韌窩，且韌窩底部為夾雜物或微孔，表明韌窩的產生機理為微孔聚集型斷裂.當未施加縱向磁場時，焊接接頭斷口的韌窩較淺且尺寸較小(見圖7a).當勵磁電流為2 A、磁場頻率為20 Hz時，焊接接頭斷口中大韌窩數量明顯增多，且韌窩深度也有所增加(見圖7b).

圖7　低溫沖擊斷口的SEM圖像Fig.7　SEM images of low temperature impact fracture surfaces

結合焊接接頭的顯微組織分析可知，在磁場作用下，低合金高強鋼焊接接頭的針狀鐵素體明顯增加，而先共析鐵素體的生長則受到了抑制.因為裂紋在晶界先共析鐵素體中的擴展速度較快，其消耗的能量相對較少，因而所形成的韌窩相對小而淺.由于晶內針狀鐵素體屬于大角度晶界，彼此之間可以形成相互交織的結構，導致裂紋擴展的路線增加，焊接接頭對裂紋擴展的抵抗能力增強，使得裂紋擴展所產生的塑性變形與所消耗的能量均較大，因而形成的韌窩相對大而深[7].此外，晶粒細化導致晶體中晶界的數量大量增加，晶界的存在也進一步阻礙了裂紋的擴展，使得焊縫金屬的沖擊功增大，且沖擊韌性得到了提高.

2.2縱向磁場對焊接接頭的影響

縱向磁場主要從冷卻速度和夾雜物兩個方面影響焊接接頭的組織和性能[8].根據Villafuerte[9]提出的理論可知，先共析鐵素體在奧氏體晶界形核后，會以平面方式進行生長，其生長速度取決于界面前沿奧氏體中碳的擴散速度.焊縫金屬的瞬時冷卻速度可以表示為

(1)

式中：f(ε)為修正系數；T為瞬時溫度；T0為預熱溫度；v為焊接速度；I為焊接電流；U為焊接電壓；η為熱效率；λ為導熱系數.

在試驗過程中，v和U均恒定不變.由于試驗環境相對穩定，也可將f(ε)視為常數.一方面，在縱向磁場作用下，電弧發生旋轉，從而導致實際焊接電流減小[10].因此，隨著磁場頻率的增加，實際焊接電流將減小，從而使冷卻速度增加.另一方面，電磁攪拌作用將加速熔池熱量的散失，從而可以進一步加快冷卻速度.由于碳來不及向奧氏體晶界外擴散，使得先共析鐵素體的生長受到了抑制.若磁場頻率繼續增加，將使實際焊接電流變得更小，且熱量散失得更快，冷卻速度將進一步增大，而冷卻速度過大將促進側板條鐵素體的生長，導致焊接接頭的晶粒發生粗化.

針狀鐵素體可在晶內夾雜物或在已形成的針狀鐵素體上形核(感生形核)，但是并不是所有夾雜物都能成為針狀鐵素體的形核基底，只有尺寸介于0.2～0.6 μm的夾雜物才有利于針狀體素體的形核，而夾雜物尺寸過大將降低焊接接頭的韌性.在沖擊試驗中，由于韌窩底部的空穴通常在大尺寸夾雜物附近形成，從而降低了焊接接頭的沖擊韌性.在磁場的電磁攪拌作用下，熔池金屬發生攪動，增加了熔池金屬與保護氣體中的氧化性氣體CO2的接觸機會，從而促進了氧化物的形成，增加了夾雜物的數量.熔池金屬在洛倫茲力作用下，可以加劇熔池金屬的對流.根據Ostwald理論可知，較大的夾雜物將通過碰撞吞噬較小的夾雜物，從而形成更大的夾雜物.由于夾雜物的密度遠低于液態金屬的密度，夾雜物傾向于向液態金屬表面上浮而形成熔渣，并最終被去除.假設熔池金屬為理想溶液，根據Stockes定律可知，夾雜物上升速度可以表示為

(2)

式中：ρm為液態金屬的密度；ρz為夾雜物的密度；r為夾雜物的半徑；ηm為熔池金屬的粘度；g為重力加速度.根據式(2)可知，尺寸較大的夾雜物更容易上浮到焊接接頭表面，而尺寸較小的夾雜物將留在焊接接頭中，并作為針狀鐵素體的形核基底.此外，由于在洛倫茲力作用下，熔池金屬將產生劇烈攪拌，機械攪拌將有助于破損先期形成的大晶粒，而破碎的晶粒又可以作為焊縫金屬的形核基底，從而增加形核率，進一步細化焊接接頭的顯微組織，并提高焊縫金屬的抗拉強度和沖擊韌性.

3　結　論

通過以上試驗分析，可以得到如下結論：

1) 隨著勵磁電流與磁場頻率的增加，焊接接頭的晶粒尺寸先減小后增大，相應的抗拉強度與沖擊韌性則呈現出先增大后減少的趨勢；

2) 當勵磁電流為2.5 A、磁場頻率為20 Hz時，焊接接頭的抗拉強度和低溫沖擊功均達到最大值，且分別為839 MPa和72 J，相比未施加磁場時分別提高了17.01%和24.14%；

3) 在焊接過程中，縱向磁場的施加可以改善焊接接頭的顯微組織，使得先共析鐵素體和側板條鐵素體相應減少，而形成更多的針狀鐵素體；

4) 施加縱向磁場后，焊縫金屬低溫斷口纖維區的韌窩變得相對大而深.

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(責任編輯：尹淑英英文審校：尹淑英)

Effect of longitudinal magnetic field on microstructure and properties of WQ960 steel welded joint

LIU Zheng-jun, LU Yan-peng, SU Yun-hai, MA Da-hai, CHEN Si-han

(School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to study the effect of longitudinal magnetic field on the microstructure, impact toughness and ultimate tensile strength of welded joint, the longitudinal magnetic field was used to assist the MAG welding of WQ960 high strength steel. Through imposing the longitudinal magnetic field, the ultimate tensile strength, impact absorbing energy and impact toughness of welded joint are enhanced, the microstructure of welded joint gets improved, and the microstructure is mainly composed of fine acicular ferrite. The results show that when the exciting current reaches 2.5 A and the field frequency is 20 Hz, both ultimate tensile strength and low temperature impact energy of welded joint can reach the maximum value. And the corresponding values are 839 MPa and 72 J, which increase by 17.01% and 24.14%, respectively. The quantity of proeutectoid ferrite and side plate ferrite relatively reduces, while more acicular ferrite forms.

high strength low alloy steel; longitudinal magnetic field; mechanical property; proeutectoid ferrite; acicular ferrite; side plate ferrite; impact toughness; ultimate tensile strength

2015-06-29.

遼寧省博士啟動基金資助項目(20131017)； 遼寧省教育廳基金資助項目(201124125).

劉政軍(1961-)，男，黑龍江訥河人，教授，博士生導師，主要從事焊接冶金、特種焊接材料與表面強化等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.04.04

TG 406

A

1000-1646(2016)04-0379-05

*本文已于2015-12-07 16∶16在中國知網優先數字出版. 網絡出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20151207.1616.018.html