導(dǎo)語(yǔ)：低碳貝氏體高強(qiáng)鋼焊接工藝研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：對(duì)Q690E低碳貝氏體高強(qiáng)鋼進(jìn)行80%CO2+20%Ar混合氣體保護(hù)焊接試驗(yàn)，并檢測(cè)母材、焊接接頭金相組織和力學(xué)性能，通過(guò)SEM手段觀察母材和焊接接頭沖擊試樣斷口形貌。結(jié)果表明:Q690E鋼母材沖擊斷口形貌表現(xiàn)為韌性斷裂，焊接后熱影響區(qū)(HAZ)沖擊斷口形貌表現(xiàn)為解理斷裂;經(jīng)過(guò)微觀組織分析，HAZ沖擊韌性下降，主要原因是HAZ區(qū)貝氏體組織中出現(xiàn)大量的M－A組元。HS－70焊絲低強(qiáng)匹配及熔合區(qū)貝氏體片層粗化導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度明顯低于母材。

關(guān)鍵詞：低碳貝氏體高強(qiáng)鋼；氣體保護(hù)焊接；沖擊韌性；焊接工藝

隨著我國(guó)裝備制造業(yè)的迅猛發(fā)展，工程機(jī)械用鋼市場(chǎng)需求增大，發(fā)展前景廣闊。高強(qiáng)度機(jī)械用鋼由于具有超高強(qiáng)度、加工成型性良好、沖擊韌性高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于起重機(jī)、機(jī)動(dòng)車底盤、推土機(jī)附件等重型裝備高強(qiáng)度、可撓性部件的制造，并能降低成本、減輕質(zhì)量和增加有效負(fù)載［1－2］。傳統(tǒng)的600MPa以上屈服強(qiáng)度級(jí)別高強(qiáng)度鋼板主要通過(guò)固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化提高強(qiáng)度，且合金元素含量較高，大多采用淬火加回火的調(diào)質(zhì)熱處理工藝生產(chǎn)［2－3］。近年來(lái)，隨著工程機(jī)械用高強(qiáng)度鋼的發(fā)展，對(duì)降低成本和提高性能的要求越來(lái)越高，通過(guò)合理成分設(shè)計(jì)、充分利用控軋控冷技術(shù)開(kāi)發(fā)的Q690E低碳貝氏體高強(qiáng)度鋼應(yīng)運(yùn)而生［1］。低碳貝氏體鋼是國(guó)際上新發(fā)展的一類高強(qiáng)度、高韌性多用型鋼種，其組織類型復(fù)雜多樣，一般為準(zhǔn)多邊形鐵素體、針狀鐵素體、粒狀貝氏體、板條狀貝氏體以及M－A島等幾種非平衡組織的混合組織［4－5］，低碳貝氏體鋼在連續(xù)冷卻下的最終組織受鋼種成分、相變前奧氏體晶粒狀態(tài)、奧氏體在非再結(jié)晶區(qū)的畸變、冷卻條件以及其他生產(chǎn)工藝的影響很大［6］。為了保證Q690E鋼的強(qiáng)韌性，通過(guò)不同加速冷卻工藝，盡可能地細(xì)化晶粒、獲得低溫組織，這卻給焊接帶來(lái)熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大、焊接接頭強(qiáng)度低、韌性惡化等嚴(yán)重問(wèn)題［7－10］。本文針對(duì)某鋼廠生產(chǎn)的20mm厚Q690E低碳貝氏體高強(qiáng)鋼板進(jìn)行80%CO2+20%Ar混合氣體保護(hù)焊接試驗(yàn)，并檢測(cè)母材、焊接接頭金相組織和拉伸、沖擊性能，通過(guò)SEM觀察母材和焊接接頭沖擊試樣斷口形貌，研究了Q690E低碳貝氏體高強(qiáng)鋼板母材與焊接接頭組織性能特征，為Q690E低碳貝氏體高強(qiáng)鋼的開(kāi)發(fā)提供參考依據(jù)。

1試驗(yàn)方法

試驗(yàn)鋼為控軋控冷工藝生產(chǎn)的20mm厚Q690E低碳貝氏體鋼，利用Ti、Nb、B、Cr、Mo等微合金元素進(jìn)行沉淀強(qiáng)化，其熔煉成分見(jiàn)表1。鋼的抗拉強(qiáng)度810MPa，屈服強(qiáng)度732MPa，室溫延伸率17%，－40℃的平均沖擊吸收功為143J。對(duì)上述Q690E鋼進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊接試板尺寸為(20×l50×500)mm，開(kāi)X形坡口，試件坡口形式及尺寸見(jiàn)圖1。焊接前將試板坡口附近油污、鐵銹、雜質(zhì)等清理干凈。采用松下KR－500型半自動(dòng)焊機(jī)、80%CO2+20%Ar混合氣體作為保護(hù)氣體和直流反極性接法對(duì)焊接試板進(jìn)行多層多道焊接，正反面均使用直徑1．2mm的HS－70型號(hào)焊條。從表1中成分可知，Q690E試驗(yàn)鋼的碳當(dāng)量Ceq=0．55%，熱影響區(qū)淬硬傾向增大，使焊接接頭的熔合性能降低，且易產(chǎn)生冷裂紋，因此焊接之前采取預(yù)熱措施，焊后保溫緩冷。試板焊后進(jìn)行250℃、保溫2h消氫處理。對(duì)接接頭焊接試驗(yàn)的焊接工藝見(jiàn)表2。試板焊接24h后進(jìn)行超聲波探傷檢驗(yàn)。焊后分別截取母材及焊接接頭制備拉伸、沖擊、金相試樣，在CSS－44100型電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，在JB－300型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。將金相試樣研磨、拋光及4%濃度硝酸酒精溶液腐蝕后，用Leica光學(xué)顯微鏡觀察其微觀組織;通過(guò)JSM－6700F型掃描電鏡觀察分析母材和焊接接頭HAZ沖擊斷口形貌。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1母材組織分析

Q690E鋼母材金相組織為低碳下貝氏體，如圖2所示。奧氏體晶粒沿原鋼板的軋制方向被拉長(zhǎng)，細(xì)小板條貝氏體組織分布于被拉長(zhǎng)的原始奧氏體晶粒內(nèi)。這種貝氏體板條內(nèi)存在大量高密度的位錯(cuò)，鋼板在軋態(tài)時(shí)強(qiáng)度較高。

2．2焊接接頭組織分析

焊后對(duì)焊接件進(jìn)行外觀檢查和超聲波探傷檢測(cè)。結(jié)果表明，焊接件無(wú)氣孔、夾雜、裂紋等超標(biāo)缺陷存在。在金相顯微鏡下觀察焊接接頭焊縫、熔合區(qū)、粗晶區(qū)、混晶區(qū)以及細(xì)晶區(qū)的組織形貌，見(jiàn)圖3。從圖3(a)可以看出，焊縫組織主要為針狀鐵素體+貝氏體。整個(gè)焊縫區(qū)金屬的顯微組織變化較大，組織分布不均勻。焊縫組織中的針狀鐵素體因呈大角度晶界，微裂紋解理跨越針狀鐵素體需要消耗較高的能量，提高焊縫強(qiáng)度及低溫沖擊韌性。但整個(gè)焊縫區(qū)組織變化大、分布不均，易導(dǎo)致焊接接頭沖擊韌性下降。從圖3(b)中可以看出，熔合區(qū)主要組織為貝氏體及滲碳體。貝氏體片層較為粗大，滲碳體顆粒球化，抗裂紋擴(kuò)展能力較低，惡化了焊接接頭的強(qiáng)度與低溫沖擊韌性。圖3(c)～(e)所示為焊接接頭熱影響區(qū)(HAZ)金相組織。圖3(c)粗晶區(qū)組織主要為板條狀貝氏體，由圖可見(jiàn)，粗晶區(qū)原始奧氏體晶粒粗大，平均晶粒尺寸可達(dá)193μm。這是因?yàn)楹附訜嵫h(huán)時(shí)的峰值溫度超過(guò)Q690E鋼的奧氏體再結(jié)晶溫度，奧氏體晶粒充分長(zhǎng)大。在圖3(d)所示的混晶區(qū)中，因峰值溫度超過(guò)鐵素體奧氏體平衡相變開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度(Ac1)，加熱時(shí)發(fā)生部分再結(jié)晶，部分原始奧氏體晶粒明顯比母材的粗大。冷卻時(shí)組織中出現(xiàn)大量富C第二相組織，即M－A組元［10］，形成典型的粒狀貝氏體和M－A組元混合組織，此時(shí)的平均晶粒尺寸為58．2μm。在圖3(e)所示的細(xì)晶區(qū)內(nèi)，峰值溫度未超過(guò)Ac1，加熱時(shí)不發(fā)生再結(jié)晶，高溫停留時(shí)間短，奧氏體晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大，冷卻過(guò)程中形成細(xì)小而均勻的板條貝氏體組織，與混晶區(qū)組織一樣，出現(xiàn)大量的M－A組元，且保留了清晰的原始奧氏體晶界，平均奧氏體晶粒尺寸約為8．5μm。當(dāng)M－A組元的形態(tài)從高冷卻速度下的薄膜/細(xì)小晶界型位錯(cuò)M－A組元轉(zhuǎn)變成低冷卻速率下的大塊狀位錯(cuò)或?qū)\晶M－A組元后，裂紋形核功將明顯降低。隨著M－A組元尺寸的增加，所占體積百分?jǐn)?shù)的增多，裂紋擴(kuò)展吸收功也降低。

2．3焊接接頭力學(xué)性能分析

在拉伸試驗(yàn)中，焊接接頭斷于熔合區(qū)，抗拉強(qiáng)度為735MPa，低于母材抗拉強(qiáng)度810MPa，其原因在于:(1)焊接試驗(yàn)采用HS－70型號(hào)70kg級(jí)焊絲，強(qiáng)度略低于母材，屬于低強(qiáng)匹配。(2)焊接過(guò)程中熔合區(qū)溫度高，有利于碳的擴(kuò)散，在促進(jìn)貝氏體相變形核的同時(shí)，也促進(jìn)了貝氏體片層的長(zhǎng)大，熔合區(qū)貝氏體片層較為粗大是焊接接頭強(qiáng)度下降的主要原因。HAZ區(qū)的平均沖擊吸收功約為17．3J，大大低于母材的平均沖擊吸收功143J。焊接接頭的拉伸性能、HAZ區(qū)的沖擊性能如表3所示。為了進(jìn)一步分析焊接接頭韌性下降的原因，進(jìn)行母材與焊接接頭HAZ區(qū)沖擊斷口SEM形貌比較分析，結(jié)果如圖4所示。圖4(a)中顯示母材沖擊試樣斷口，該斷口呈等軸韌窩特征，韌窩尺寸略小，深度較淺，屬于韌性斷裂，試樣的韌窩干凈、清晰、基本上都是等軸形狀。圖4(b)為HAZ區(qū)沖擊試樣斷口形貌，從中可發(fā)現(xiàn)明顯的河流花樣及解理臺(tái)階，屬于典型的解理斷裂，表現(xiàn)為脆性斷裂。20mm厚度低碳貝氏體Q690E材料碳當(dāng)量較大，Ceq=0．55%，80%CO2+20%Ar混合氣體保護(hù)焊接接頭在高溫驟冷情況下，HAZ組織中出現(xiàn)大量的M－A組元，且尺寸較大，如圖3所示，導(dǎo)致焊縫HAZ區(qū)韌性下降明顯。

3結(jié)論

(1)Q690E低碳貝氏體高強(qiáng)鋼母材組織為下貝氏體，經(jīng)過(guò)80%CO2+20%Ar混合氣體保護(hù)焊接后，焊縫熱影響區(qū)組織為典型的粒狀貝氏體和M－A組元混合組織，大量的M－A組元惡化了焊接接頭沖擊韌性。(2)采用HS－70焊絲低強(qiáng)匹配焊接Q690E低碳貝氏體高強(qiáng)鋼，焊接后拉伸斷于焊縫熔合區(qū)，強(qiáng)度略低于母材，與熔合區(qū)貝氏體片層粗化有關(guān)。

作者：劉朝霞 劉俊 孟羽 寧康康 許曉紅 單位：江陰興澄特種鋼鐵有限公司研究院