40MnB與16MnR異種鋼的焊接性試驗及工藝評定

游勝輝

(方盛車橋(柳州)有限公司，廣西 柳州 545006)

40MnB與16MnR異種鋼的焊接性試驗及工藝評定

游勝輝

(方盛車橋(柳州)有限公司，廣西 柳州 545006)

40MnB是中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，具有強(qiáng)度高、韌性好等性能，但其含碳量高，焊接性低，冷裂傾向大。16MnR屬于低碳合金鋼，具有良好的物理性能和工藝性能。兩種鋼在汽車上應(yīng)用比較廣泛。通過焊接接頭無損檢測、力學(xué)性能和組織金相分析，研究CO2氣體保護(hù)焊40MnB和16MnR異種鋼的焊接性能。結(jié)果表明，采用合適的焊接規(guī)范，所得的焊接接頭各項性能良好，熱影響區(qū)晶粒長大不嚴(yán)重，焊縫與母材熔合良好。

中碳合金結(jié)構(gòu)鋼；異種金屬；焊接工藝；力學(xué)性能；微觀組織

0 前言

40MnB具有較高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和良好的韌性，該鋼價格適中，加工容易，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗罂色@得一定的韌性、塑性和耐磨性，在汽車工業(yè)應(yīng)用廣泛。但其含碳量高，調(diào)質(zhì)后焊接性差，淬硬傾向大，具有高的冷裂紋敏感性。16MnR是低碳合金鋼，焊接性較好。進(jìn)行異種金屬焊接時，由于不同金屬的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及物理性能存在較大差異，因此其焊接過程要比同種金屬的復(fù)雜得多，焊接接頭的可靠性問題也顯得更加突出。在此主要研究40MnB與低合金高強(qiáng)鋼16MnR的焊接性并進(jìn)行工藝驗證。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗?zāi)覆臑檎{(diào)質(zhì)40MnB與16MnR，板厚10mm。試驗?zāi)覆牡幕瘜W(xué)成分、力學(xué)和物理性能見表1。焊接材料為ER50-6實心焊絲，直徑φ 1.6 mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表2。

1.2 焊接性分析

從化學(xué)成分角度，低合金鋼16MnR含碳量較低，但Mn含量較高，且w(Mn)／w(S)＝98.57，雖然16MnR母材中也含有少量的P、S等雜質(zhì)元素，但一般不會形成低熔點(diǎn)共晶組織，即使形成低熔點(diǎn)共晶組織也不易出現(xiàn)在晶界上，凝固收縮量小，所以抗熱裂紋性能較好。

表1 試驗?zāi)覆牡幕瘜W(xué)成分和力學(xué)性能

表2 焊絲ER50-6的化學(xué)成分和力學(xué)性能

根據(jù)國際焊接學(xué)會(IIW)推薦的碳當(dāng)量計算公式，16MnR的碳當(dāng)量和合金元素的冷裂紋敏感指數(shù)為[1]Ce＝C+Mn／6+Cu／15+Ni／15+Cr／5+Mo／3+V／5＝0.38% Pcm＝C+Si／30+Mn／20+Cu／20+Ni／60+Cr／20+Mo／15+ V／10+5B＝0.229% 16MnR的碳當(dāng)量Ce＝0.38%，鋼材在焊接時已具有一定的淬硬傾向，焊接性較好。焊接線能量的確定主要取決于過熱區(qū)的脆化和冷裂這兩個因素，過熱區(qū)脆化是因線能量過大產(chǎn)生魏氏組織而造成的，所以通常應(yīng)用小線能量進(jìn)行焊接。若采用過小的線能量焊接，過熱區(qū)易得到片狀馬氏體，有可能導(dǎo)致焊接冷裂紋。這時為了降低淬硬傾向，防止產(chǎn)生冷裂紋，焊接線能量應(yīng)偏大一些，因此應(yīng)根據(jù)板厚和結(jié)構(gòu)形狀等實際生產(chǎn)情況合理控制線能量?？傮w上，16MnR材料焊接性較好，只要控制好焊接線能量，在焊接過程中一般不會產(chǎn)生焊接冷裂紋和過熱區(qū)脆化等缺陷。

40MnB碳當(dāng)量和合金元素的冷裂紋敏感指數(shù)為Ce＝C+Mn／6+Cu／15+Ni／15+Cr／5+Mo／5+V／5＝0.61% Pcm＝C+Si／30+Mn／20+Cu／20+Ni／60+Cr／20+Mo／15+ V／10+5B(%)＝0.427%

40MnB是中碳調(diào)質(zhì)鋼，碳當(dāng)量Ce＝0.61%，焊后熱影響區(qū)容易產(chǎn)生硬度很高的馬氏體，造成脆化。并且有著高的冷裂紋敏感性，因此焊接時盡可能地采用低氫或超低氫焊接材料。采用熔化極CO2氣體保護(hù)焊時，所得焊縫的含氫量很低。中碳調(diào)質(zhì)鋼宜采用較低的熱輸入焊接，大熱輸入量將產(chǎn)生寬且組織粗大的熱影響區(qū)，增大脆化傾向[2]。

1.3 焊接方法

采用半自動CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，帶墊板的對接接頭形式。坡口形式如圖1所示，焊接順序如圖2所示，焊接工藝參數(shù)見表3。

圖1 坡口形式

圖2 焊接順序

表3 焊接工藝參數(shù)

2 試驗分析

(1)焊接接頭抗拉強(qiáng)度試驗。

按照國標(biāo)GB6397-1986《金屬拉伸試驗試樣》和GB2651-1981《焊接接頭拉伸試驗方法》將母材及接頭加工成三塊標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣，其中焊接接頭的焊縫位于試樣中心，如圖3所示。在CMT5105型萬能電子試驗機(jī)上進(jìn)行接頭的拉伸強(qiáng)度實驗。測試條件為：加載速率8 mm／min，加載載荷10 kN。測試結(jié)果見表4，斷裂位置如圖4所示。

圖3 接頭拉伸試樣

表4 焊接接頭拉伸測試結(jié)果

由表4可知，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為582.4MPa，達(dá)到母材的抗拉強(qiáng)度要求(16MnR母材抗拉強(qiáng)度大于等于510 MPa)，完全可以滿足實際使用要求。

圖4 焊接接頭拉伸斷裂位置

(2)焊接接頭抗彎強(qiáng)度試驗。

按照國標(biāo)GB232-1988《金屬彎曲試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)要求截取四塊接頭進(jìn)行彎曲性能實驗，其中面彎(FB)和背彎(RB)各兩塊。接頭彎曲試樣的尺寸形狀如圖5所示。

圖5 接頭彎曲試樣

評定彎曲試樣的性能好壞，一般要求在試樣彎曲表面上的焊縫和熔合區(qū)域所發(fā)現(xiàn)的任何方向上的任一裂紋或其他缺陷尺寸必須小于等于試樣壁厚的1／2。除非發(fā)現(xiàn)其他缺陷，由試樣邊緣上產(chǎn)生的裂紋長度在任何方向上的尺寸必須小于等于6 mm才算合格。幾種焊接接頭的彎曲試驗結(jié)果如表5所示，接頭A彎曲試驗后的外形照片如圖6所示。

表5 接頭彎曲結(jié)果

由試驗結(jié)果可知，焊接接頭彎曲性能合格。

(3)金相組織觀察。

對獲得的接頭進(jìn)行磨制、拋光和腐蝕后制成金相試樣，采用4XB光學(xué)顯微鏡觀察焊縫接頭試樣金相組織，結(jié)果如表6所示，均為合格的金相組織。

3 結(jié)論

(1)采用CO2氣體保護(hù)焊焊接中碳調(diào)質(zhì)鋼40MnB與低合金高強(qiáng)鋼16MnR，選用低氫的焊接材料，選擇合適的熱輸入量，焊縫未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷，強(qiáng)度和塑性良好，焊接效果好。

(2)焊縫與母材熔合良好，焊接熱影響區(qū)晶粒長大不嚴(yán)重，金相組織合理，焊縫金屬力學(xué)性能良好。

圖6 接頭A面彎后外形照片

表6 接頭彎曲試驗結(jié)果

[1]中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊(第2版).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2]周振豐.焊接冶金學(xué)(金屬焊接性)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：22-23.

Weldability test and welding technology of dissimilar steel between 40MnB and 16MnR

YOU sheng-hui
(Fangsheng Axle(LIUZHOU)Co.，Ltd.，Liuzhou 545006，China)

The medium carbon steel 40MnB has advantage physical properties such as high strength and good toughness，but its high carbon content lead to bad weldability and high cold cracking tendency.The low alloy high strength steel 16MnR has good physical properties and weldability.The dissimilar welding joints between 40MnB and 16MnR are widely used in automobile industry.The dissimilar steel between 40MnB and 16MnR are welded by Carbon dioxide gas shielded arc welding.The microstructures and properties of welded joints are analyzed by means of optical microscope，mechanical properties and nondestructive testing.Results show that grain growth is not serious in Heat-Affected Zone and good fusion between weld and base material.Based on the present work，it is concluded that Carbon dioxide gas shielded arc welding is the suitable welding procedure for dissimilar metals between steel between steel 40MnB and 16MnR.Key words：Medium carbon steel；dissimilar metal；welding technology；microsturcture

TG457.11

B

1001-2303(2012)07-0065-03

2012-03-06；

2012-07-10

游勝輝(1984—)，男，湖北麻城人，學(xué)士，主要從事焊接技術(shù)研究工作。