閃光對焊工藝對耐蝕螺紋鋼HRB400M焊接接頭組織和性能的影響

李經緯，張 宇，張建春，王 納，麻 晗

（江蘇省（沙鋼）鋼鐵研究院，江蘇張家港215625）

閃光對焊工藝對耐蝕螺紋鋼HRB400M焊接接頭組織和性能的影響

李經緯，張 宇，張建春，王 納，麻 晗

（江蘇省（沙鋼）鋼鐵研究院，江蘇張家港215625）

采用不同參數對直徑25 mm的耐蝕性螺紋鋼HRB400M進行閃光對焊試驗，依據組織和力學性能分析，確定最佳焊接工藝為：調伸長度21 mm，閃光輸出功率68 kW，閃光速度0.8 mm/s，閃光留量12 mm，帶電頂鍛時間0.1 s，頂鍛壓力65 MPa；并采用焊前預熱和焊后回火工藝。焊縫中心線兩側的鐵素體區是焊接接頭最薄弱的部位，通過工藝調整可消除不良組織，獲得性能優異的焊接接頭。

耐蝕螺紋鋼HRB400M；閃光對焊；顯微組織；抗拉性能

0 前言

閃光對焊是一種方便、高效、可靠性高的自動化固相焊接方法，廣泛應用于火車、長輸管線、建筑鋼結構等領域[1]。閃光對焊與熔焊相比有以下優點：（1）閃光過程可在接頭處形成自保護區[2]，減少界面金屬氧化，頂鍛時能將界面氧化物完全擠出，獲得純凈的接頭組織；（2）無需填充金屬和保護氣體；（3）沒有熔池，熱影響區小，缺陷少。

通過Cr的合金化使得其抗海水腐蝕能力相比普通HRB400螺紋鋼提升3倍，且成本增加不超過30%[3]，在很多沿海工程中逐漸開始取代傳統不銹鋼。HRB400M碳當量為2.5（采用IIW計算公式），焊接難度大，而目前國內對高合金鋼閃光焊研究尚不夠深入[4]。在此針對直徑25 mm的HRB400M進行閃光對焊工藝研究，分析閃光對焊工藝方法對接頭組織的影響規律，得到滿足工程應用的最佳焊接工藝。

1 試驗材料及方法

試驗用材料是沙鋼新研制的HRB400M耐海水腐蝕螺紋鋼，直徑25mm，其化學成分如表1所示。抗拉強度為570～580 MPa。

表1 HRB400M化學成分Table 1 Chemical composition of HRB400M %

焊接試驗設備為UNS-150氣液增壓式閃光焊機，額定功率150 kW，氣源壓力0.7 MPa，最大頂鍛力30 kN，該設備具有電阻預熱和回火功能。

金相試樣經熱鑲、磨拋、鹽酸偏重亞硫酸鈉溶液腐蝕，使用蔡司光學顯微鏡（OM）進行觀察。采用Instron Tukon 2100B型維氏硬度計進行硬度測試，載荷為5 kg。拉伸試驗在載荷為1 200 kN的Instron拉伸試驗機上進行，拉伸性能各項數據為3個試樣測試值的算術平均值。

在前期大量工藝試驗基礎上，確定初步工藝參數，針對頂鍛壓力、熱處理制度按如表2所示的工藝參數進行焊接優化試驗。預熱是通過將待焊件接觸通電的方式，利用接觸電阻熱將待焊端面加熱至400℃；回火是在頂鍛維持階段再次通電，利用電阻熱對電極間的焊件進行整體加熱。伴隨二次頂鍛現象（采用頂鍛壓力控制），通過工藝試驗確定最佳回火參數為：頂鍛后間隔時間2 s，回火熱量45 kW，持續時間0.6 s。

表1 閃光對焊工藝參數Table 1 Flash butt welding parameters used

2 試驗結果及討論

2.1 接頭低倍形貌及組織特征

典型焊接接頭宏觀形貌如圖1所示。根據特征，截面可劃分為母材（BM）、熱機影響區（TMAZ）和焊縫區（WZ）三個部分[5]。不同區域的顯微組織特征如圖2所示，BM組織為多邊形鐵素體+帶狀貝氏體，硬度190～200 HV；TMAZ組織為再結晶鐵素體+形變帶狀貝氏體，硬度200～230 HV；WZ組織可細分為貝氏體區（B）和鐵素體區（F），其中B區特征是沿焊縫界面連續分布的一層貝氏體帶，硬度不低于230 HV，而F區是分布于B區兩側的以鐵素體為主的相區，硬度在155～210 HV較大范圍內變化，主要取決于其中貝氏體所占比例和晶粒形態，通常是焊接接頭的薄弱部位[6]。

WZ是在焊接熱循環中發生完全奧氏體相變的區域，并在頂鍛過程中發生動態再結晶，其獨特形貌可能與焊接過程中奧氏體的不均勻轉變有關。閃光焊時焊縫軸向具有大的溫度梯度和變形能梯度，焊縫中心溫度、形變能最高，過冷奧氏體轉變由兩側向焊縫中心進行，由于面心立方對碳的溶解度較體心立方大，相變過程中伴隨有碳的偏聚，鐵素體首先在WZ兩側析出，形成F區，焊縫中心殘留較多的碳，形成B區。

圖1 焊接接頭典型橫截面低倍形貌Fig.1 Typical macro-structure of the flash butt welded joint

典型拉伸斷裂接頭的金相組織如圖3所示。裂紋貫穿F區，F區由于其間僅含有少量的粒狀貝氏體，與含有連續帶狀貝氏體的母材相比，F區更容易發生裂紋的萌生和擴展，是整個焊接接頭最薄弱的部位。試驗探究工藝對焊縫中心組織性能的影響規律，以期通過工藝手段減少或消除F區的不良影響。

圖2 焊接接頭典型顯微組織Fig.2 Typical microstructure of the flash butt welded joint

圖3 典型拉伸斷裂接頭的金相組織Fig.3 Typical microstructure of welded joint of tensile failure

2.2 頂鍛壓力對焊接接頭組織和性能影響

不同頂鍛壓力對焊接接頭顯微組織影響如圖4所示，其中虛線所示為WZ寬度。

對比可知：（1）頂鍛壓力小于65 MPa時，WZ隨著頂鍛力加大不斷變窄；（2）頂鍛壓力大于65 MPa時，WZ寬度隨頂鍛壓力增加不再有明顯變化；（3）頂鍛壓力大于72MPa時，位于焊縫中心的B區部分或完全消失。

不同頂鍛壓力對接頭抗拉強度的影響如圖5所示。隨頂鍛壓力提升，接頭抗拉強度先升高后降低，并在頂鍛壓力65 MPa時達到最高值552 MPa，但尚未達到母材強度。

頂鍛壓力提升時，高溫奧氏體化組織被更多地擠出，冷卻后形成較窄的WZ；但當頂鍛壓力達到一定程度后，這種擠出作用接近極限，故WZ寬度隨壓力提升先減小后不變。焊縫中心B區的形成與溫度梯度和形變能梯度相關，當頂鍛壓力過小或過大時，焊縫中心的B區表現為不連續甚至消失，究其原因：頂鍛量過小，僅存在溫度梯度，驅動力并不足以使C產生偏聚，同時因高溫奧氏體化組織沒有被完全擠出，焊縫中心存在明顯的脫C現象；頂鍛量過大，高溫奧氏體化組織被大量擠出，反而降低了軸向溫度梯度，C向焊縫中心偏聚的驅動力不足，因而形成均勻析出的等軸貝氏體晶粒。

接頭強度隨WZ寬度減小而升高，這是因為F區（軟化區）寬度也隨之不斷減小；當頂鍛壓力過大時，雖然WZ寬度沒有明顯變化，但由于缺少了B區的阻隔，裂紋可以貫穿焊縫中心在兩側的F區進行擴展，相當于擴大了軟化區的寬度，導致接頭性能降低[7]。

2.3 熱處理制度對焊接接頭組織和性能影響

圖4 不同頂鍛壓力對焊接接頭顯微組織影響Fig.4 Effect of different upsetting pressures on microstructures of the welded joints

圖5 頂鍛壓力對接頭抗拉強度的影響Fig.5 Effect of upsetting pressure on tensile strength of the welded joints

不同熱處理制度對焊接接頭顯微組織影響如圖6所示。對比可知：（1）預熱后WZ寬度明顯減小，同時WZ周邊的貝氏體能保持帶狀連續分布形態；（2）預熱加回火可得到極窄的WZ，基本消除焊縫中心兩側的F區。

預熱和回火工藝組合對焊接接頭抗拉強度的影響如圖7所示。通過熱處理能顯著提高接頭強度，當采用預熱+回火方法時，焊接試樣平均抗拉強度為575 MPa，拉伸斷裂均位于母材，并為塑性斷裂。

閃光焊焊接過程中及結束后焊件均具有較高的軸向溫度梯度，且本試驗材料散熱較慢，是發生C偏聚行為的主要原因。預熱能改善接頭軸向溫度梯度[8]，軟化TMAZ[9]，促進頂鍛擠出作用，在獲得較窄WZ的同時，降低碳原子偏聚的驅動力，使WZ及周邊區域保留下較多的連續帶狀貝氏體。

圖6 不同熱處理制度對焊接接頭組織影響Fig.6 Effect of different heat treatments on microstructure of the flash welded joints

圖7 預熱和回火對焊接接頭抗拉強度的影響Fig.7 Effect of preheating and tempering on tensile strength of the welded joints

頂鍛維持階段添加回火工藝，由于此時焊縫閉合，接觸電阻消失，回火過程不再是對焊縫中心加熱，而是對電極間試件整體進行加熱。回火熱輸入控制較小時，可在不明顯提高焊縫中心溫度的情況下均勻提高TMAZ溫度，提高TMAZ的形變能力，引入二次頂鍛現象，使原有的高溫奧氏體化組織被進一步擠出，冷卻后形成極窄的WZ，因此也形成了沒有F區（軟化區）的焊接接頭組織，獲得性能優異的焊接接頭[10]。

3 結論

（1）采用調伸長度21mm、閃光熱量68kW、閃光速度1 mm/s、閃光留量12 mm、帶電頂鍛時間0.1 s、頂鍛壓力65 MPa的焊接參數，并輔以預熱和焊后回火，可獲得性能優異的閃光焊接頭。

（2）焊接接頭中心的鐵素體區是焊接接頭最薄弱的部位，僅依靠增加頂鍛無法完全消除鐵素體區，通過采用預熱和回火工藝可得到沒有鐵素體區的接頭組織，滿足強度要求。

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Effect of flash butt welding parameters on microstructure and property of weld joints of corrosion resistant rebar HRB400M

LI Jingwei，ZHANG Yu，ZHANG Jianchun，WANG Na，MA Han
（Institute of Research of Iron and Steel，Shasteel，Zhangjiagang 215625，China）

Flash butt welding was applied to corrosion-resistant rebar HRB400M with a diameter of 25 mm，and microstructure and property of the welded joints were investigated.The optimum welding parameter includes out of fixture length of 21mm，flash heat output of 68 kW，flash speed of 0.8 mm/s，flash allowance distance of 12 mm，electric upsetting time of 0.1 s，upsetting pressure of 65 MPa，along with preheating and post-weld tempering process.The ferrite area on both sides of the welded joint center line is the weakest part，which can be eliminated by adjustment of welding parameters.

corrosion-resistant rebar HRB400M；flash butt welding；microstructure；tensile property

TG457.11

A

1001－2303（2017）03－0027-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.03.05

獻

李經緯，張宇，張建春，等.閃光對焊工藝對耐蝕螺紋鋼HRB400M焊接接頭組織和性能的影響[J].電焊機，2017，47（03）：27-31.

2016-08-22；

2016-10-20

江蘇省產學研聯合創新資金——前瞻性聯合研究項目資助（BY2013091）

李經緯（1988—），男，安徽宿州人，碩士，主要從事鋁/鋼異種金屬摩擦焊技術、高合金鋼閃光對焊技術的研究工作。