NB對低碳鋼焊接區(qū)組織和性能的影響

牟世超　馬新新　于騰飛

【摘 要】介紹了冷金屬過渡+脈沖（CMT+P）焊接的焊接方法和特點(diǎn).采用CMT+P焊接工藝對低碳鋼板進(jìn)行了對接焊接試驗(yàn)，并對比分析了低碳鋼的CMT+P焊接工藝與TIG打底+SMAW填充焊焊接工藝的焊接接頭組織和性能.結(jié)果表明，兩種工藝的焊接接頭經(jīng)熱處理后均為回火馬氏體組織，且CMT+P的馬氏體板條間距較小，熱影響區(qū)為等軸晶且較窄，高溫蠕變性能相對較好；CMT+P焊接接頭抗拉強(qiáng)度優(yōu)于母材，且沖擊韌性與TIG打底+SMAW填充焊焊接頭沖擊韌性水平相當(dāng).進(jìn)而證實(shí)了CMT+P可作為低碳鋼焊接工藝的一種新選擇.

【關(guān)鍵詞】低碳鋼；冷金屬過渡+脈沖焊；焊接接頭；金相組織；力學(xué)性能

中圖分類號：TG444 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

引言

低碳鋼是一種新型馬氏體耐熱鋼，具有高溫強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)低和蠕變性能好等優(yōu)點(diǎn).低碳鋼主要用于超超臨界機(jī)組的高溫、高壓主蒸氣管道等部件，其焊接接頭的性能對機(jī)組的安全運(yùn)行至關(guān)重要.目前，工程應(yīng)用中低碳鋼的焊接工藝是TIG打底、SMAW焊填充、蓋面.TIG打底焊雖然焊接接頭強(qiáng)韌性好，但焊接速度不高，焊絲熔敷率低，影響焊接效率.SMAW焊接效率雖高，但焊接熱輸入大，焊縫組織晶粒粗大，焊接熱影響區(qū)較寬.而且其電弧穿透力差，焊縫熔深小.所以，SMAW焊接接頭力學(xué)性能不夠優(yōu)異.CMT是一種新型焊接方法，它是在MIG/MAG焊的基礎(chǔ)上通過焊絲回抽使熔滴在短路過渡電流接近于零的情況下實(shí)現(xiàn)短路過渡.CMT既能降低焊接熱輸入，又能提高焊接效率.但由于CMT熱輸入低，不適合3mm以上厚板的焊接.而CMT+P是在CMT基礎(chǔ)上開發(fā)的能夠更大范圍控制熱輸入的焊接方法，可用于厚鋁板的焊接.文中為了探索CMT+P是否可以替代TIG打底+SMAW填充的焊接方法用于P92鋼焊接以提高焊接效率獲得組織性能優(yōu)異的焊接接頭，采用CMT+P對15mm厚低碳鋼板進(jìn)行了對接試驗(yàn)，并研究了對接接頭的組織性能，進(jìn)一步促進(jìn)低碳鋼在工業(yè)中進(jìn)一步的應(yīng)用.

1、試驗(yàn)方法

試驗(yàn)焊機(jī)為FroniusCMTAdvanced4000，焊接機(jī)器人為FANUCRobotM-10iA，用NIUSB?6361數(shù)據(jù)采集卡采集焊接電流電壓信號.焊絲直徑為φ1.2mm的OerlikonCarbofilCrMo92實(shí)芯焊絲.平板對接母材規(guī)格為150mm×85mm×15mm，坡口形式及尺寸如圖1所示.焊接過程采用Ar+2.5%CO2混合氣體保護(hù)，氣流量15L/min.

2、結(jié)果及討論

2.1強(qiáng)化處理對焊接接頭抗拉性能的影響

圖2所示。由圖2可知：未處理的回火鋼板焊接件的抗拉強(qiáng)度為840Mpa左右，相對于回火鋼母材（1720Mpa）降低了約900MPa，強(qiáng)度損失嚴(yán)重。機(jī)械旋壓焊接件抗拉力達(dá)到940Mpa左右，相對未處理的焊接件提高了約100MPa，增強(qiáng)效果也比較理想，這是因?yàn)闄C(jī)械旋壓有助于拉長組織結(jié)構(gòu)，這一過程使材料的拉伸強(qiáng)度增加了。

2.2淬火鋼焊接接頭組織特征分析

低碳鋼鋼焊接頭的顯微組織如圖3所示，由圖可以看出：低碳鋼鋼焊接頭位置，金相組織均主要為晶粒粗大的板條狀基體組織；而在焊接熱影響區(qū)，在焊接頭附近的完全回火區(qū)出現(xiàn)了晶粒嚴(yán)重重大的現(xiàn)象，該區(qū)域主要以粗大的馬氏體組織為主體，并且隨著距離焊接接頭的距離的增大，會出現(xiàn)細(xì)小的馬氏體，該區(qū)域相當(dāng)于正火區(qū)；而在焊接熱影響區(qū)的不完全火區(qū)，根據(jù)焊接溫度場理，該區(qū)域被加熱到溫度為AC1～AC3，在焊接熱過程中，只有很少的鐵質(zhì)體會溶解到奧氏體中。，大部分光體等會轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，焊接完成后冷卻過程中，由于速度較快，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，但該區(qū)域原的鐵素體卻保持不變，并且鐵素體會有不同程度的長度，因此該區(qū)域多以馬氏體-鐵素體組織為主；在不完全著火區(qū)，通過圖3（e）（f）可以可見，照片中的馬氏體含量非常少，說明在該區(qū)域存在著回火軟化的現(xiàn)象，因?yàn)樵搮^(qū)域正處于AC1附近的溫度區(qū)間，此時的奧氏體成分遠(yuǎn)未達(dá)到發(fā)生相應(yīng)變化的平衡溫度，因此導(dǎo)致該區(qū)域的鐵素體和碳化合物未完全溶解，而在冷卻過程中，奧氏體組織會發(fā)生分解，分了解鐵元素，從而造成該區(qū)域的機(jī)械性能較低。

在焊接熱影響區(qū)的完全回火區(qū)，由于受熱溫度較高，溫度高于AC3以上，因此在焊接過程中，原始狀態(tài)鋼的鐵素體和光亮體會向奧氏體轉(zhuǎn)變，回火狀態(tài)鋼的馬氏體組織也被奧氏體化。焊接完成后，在冷卻過程中，由于冷卻速度較快，所以奧氏體大批量轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。.通過原始狀態(tài)鋼焊接件金相圖（見圖3（g））和焊接狀態(tài)鋼焊接件金相圖（見圖3（c）（d））可以看出，組織中有大量的板狀馬氏體存在，這些馬氏體會使該區(qū)域的拉伸強(qiáng)度和硬度均有所增加；焊接接頭的焊縫區(qū)域，與焊接熱影響的完全回火區(qū)域狀態(tài)基本一致，通過圖3（b）可以看出，里面有大量的板條狀馬氏體存在。

2.3強(qiáng)化處理焊接接頭金相組織

焊接過程中，經(jīng)機(jī)械旋壓后獲得熱影響區(qū)縱斷面的明顯微觀組織如圖4所示。由于機(jī)械旋壓作用，材料結(jié)構(gòu)發(fā)生了塑性變形，所以以金相試樣比較好以制備。由圖4可以看出：對于低碳鋼鋼板焊接接頭，經(jīng)機(jī)械旋壓處理后，在焊接件表面形成了一層塑性變形層。其中的晶粒在壓頭旋壓作用下被壓扁拉長，使其分布更加均勻致密，加之旋壓作用在焊接件表面形成壓力應(yīng)力層，這不僅能提高焊接件表面硬度，還能改善焊接件表面的微觀缺陷和應(yīng)力分布，使獲得焊接件的拉伸強(qiáng)度、硬度的機(jī)械性能得到一定程度的提高。

2.4強(qiáng)化對焊接接頭顯微硬度的影響

對低碳鋼火燒鋼板焊接件進(jìn)行機(jī)械旋壓強(qiáng)化處理后，對焊接接頭的表面進(jìn)行硬度測試。圖5為火燒鋼板焊接件經(jīng)旋壓強(qiáng)化處理后焊接接頭的表面硬度分布曲線。由圖5可知：經(jīng)機(jī)械旋壓處理的低碳鋼火燒鋼板焊接件的焊接接頭表面硬度在焊接接頭金屬屬部。分比較小，平均約為380hv，在完全著火區(qū)靠近焊接接頭處達(dá)到峰值，約為420hv，但隨后硬度值立即降至最低值（約為280hv）。此后，隨著焊接接頭距離增大而逐漸升高，由于旋壓的不均而波動起。焊接后旋壓能在表面形成一層塑性。變形層，使組織被拉長，同時還可以使組織更細(xì)致，均勻一致，所相對于未處理的焊接，最低硬度值有所增加。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本文通過研究低碳鋼超高強(qiáng)度鋼淬火與為淬火狀態(tài)下焊接接頭的組織與性能，使用金相顯微鏡與掃描電子顯微來觀測淬火與未淬火焊接接頭處各個區(qū)域的組織，使用顯微硬度計和萬能試驗(yàn)機(jī)來測量焊接接頭的力學(xué)性能，并將淬火與未淬火試樣以及其各個區(qū)域的組織與性能進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論。1）低碳鋼超高強(qiáng)度鋼的焊接接頭可分為3個區(qū)域：焊縫區(qū)、熱影響區(qū)與母材區(qū)。焊縫區(qū)顯微組織為板條馬氏體組織；熱影響區(qū)可以分為兩個區(qū)域：淬火區(qū)與軟化區(qū)，淬火區(qū)組織為馬氏體組織，軟化區(qū)是馬氏體組織與鐵素體組織并存；母材區(qū)組織是鐵素體組織與珠光體組織并存，但母材區(qū)域的珠光體組織含量比軟化區(qū)低。2）焊接接頭的焊縫區(qū)與熱影響區(qū)的硬度和抗拉強(qiáng)度均高于母材區(qū)域，并且母材區(qū)域發(fā)生的拉伸斷裂為韌性斷裂。3）焊接接頭在熱影響區(qū)靠近母材的一端存在軟化區(qū)域，該區(qū)域?yàn)槔鞌嗔褏^(qū)域。焊接接頭軟化區(qū)硬度最低值為284.1HV，焊接接頭除母材區(qū)外硬度最高值為466.5HV。

參考文獻(xiàn)：

[1]管彥朋，李亞江，王娟.1000MPa及以上級高強(qiáng)鋼焊接性研究現(xiàn)狀[J].機(jī)械制造文摘（焊接分冊），2017，1（3）：30-34.

[2]張強(qiáng)，韓建民，楊智勇，等.HG785D高強(qiáng)鋼焊接熱影響區(qū)性能[J].焊接學(xué)報，2017，35（7）：109-112.

[3]趙勇桃.超超臨界鍋爐用低碳鋼的組織性能及應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2017

（作者單位：中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司）