熱輸入對低合金高強鋼超窄間隙焊接熱影響區(qū)組織和性能的影響

趙 璇，張富巨

（武漢大學 動力與機械學院，湖北 武漢 430072）

0 前言

低合金高強鋼作為近年來發(fā)展最為迅速的鋼鐵材料之一，由于其優(yōu)異的性能和顯著的經(jīng)濟效益，已廣泛應用于制造橋梁、汽車、船舶、壓力容器、石油管道、海上鉆井平臺及軍工產(chǎn)品等，其強度級別已經(jīng)達1000 MPa以上[1]。隨著鋼種強度級別的提高，熱影響區(qū)的性能也越來越重要，它直接決定著焊接接頭可否作為可靠的焊接結構來使用。低合金高強鋼的焊接熱影響區(qū)往往會產(chǎn)生不同程度的軟化或失強，這將嚴重影響該部位作為焊接結構的力學性能和承載能力[2-3]。本研究采用武漢卓創(chuàng)智能設備有限公司研發(fā)的超窄間隙熔化極混合氣體保護自動焊接技術，通過控制焊接熱輸入，在不同熱輸入條件下對NK-HITEN610U2施焊。力求找到可獲得寬度較窄的熱影響區(qū)，性能較為優(yōu)異的焊接接頭的焊接熱輸入范圍。

1 試驗材料和方法

試驗選用的NK-HITEN610U2鋼是日本JFE鋼鐵集團開發(fā)的一種典型低合金調(diào)質(zhì)高強鋼，目前已廣泛應用壓力及化工容器的制造，如我國三峽工程中的引水壓力鋼管，蝸殼及揚子石化公司儲運廠的丙烯球罐的制造都選用了這種鋼，其化學成分和機械性能分別見表1和表2。供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)處理后獲得的索氏體和鐵素體組織。試驗采用超窄間隙熔化極混合氣體φ(Ar)80%+φ(CO2)20%保護焊工藝，焊前不預熱，采用多種不同的焊接熱輸入實施焊接。填充金屬為ER50-6焊絲，直徑為1.2 mm，其化學成分和力學分別見表3和表4。

表1 NK-HITEN610U2鋼的化學成分%

表2 NK-HITEN610U2鋼的機械性能

表3 ER50-6焊絲的化學成分%

表4 ER50-6焊絲的力學性能

根據(jù)焊接熱輸入的不同，如表5所示，其中2、3組熱輸入值代表了超窄間隙熔化極保護焊接常用的熱輸入范圍，4、5組熱輸入低于埋弧焊接常用的熱輸入值。試件分為5組，試件尺寸為110 mm×65 mm×51 mm，分別開槽作為焊接坡口，如圖1所示。試件1號，槽寬B=6 mm；試件2號和3號，槽寬B=8 mm；試件4號和5號，槽寬B=10 mm。

圖1 超窄間隙焊接坡口尺寸

焊后切割試件，用4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕以觀察微觀組織并測定微區(qū)硬度值。腐蝕后的表面由光學顯微鏡進行觀察，斷面微觀情況由掃描電鏡來觀察。

表5 焊接工藝參數(shù)

2 試驗結果與分析

2.1 熱影響區(qū)寬度

5組焊接接頭試樣橫截面的宏觀形貌如圖2所示，因金相觀察所需，厚度方向切去了25 mm。在深度為8 mm處分別測量各組試樣的熱影響區(qū)寬度，結果如圖3所示，隨著焊接熱輸入的增大，焊接熱影響區(qū)相應呈增寬趨勢。在超窄間隙普遍采用的熱輸入下，焊接熱影響區(qū)的寬度僅為 1.2～2.1 mm，而當熱輸入提高到22 kJ/cm時，熱影響區(qū)寬度則增加到3 mm。

熔焊時，由焊接能源輸入給單位長度焊縫上的熱量可由式（1）進行計算：

圖2 焊接接頭橫截面宏觀形貌

圖3 焊接熱輸入與熱影響區(qū)寬度的關系

式中 E為熱輸入量（單位：kJ/cm）；U為電壓（單位：V）；I為電流（單位：A）；vw為焊接速度（單位：cm/s）；η（效率）的取值取決于所采用的焊接工藝。

此次試驗所設計的5組熱輸入值，隨著熱輸入的增大，焊接速度逐步減小。在1、2、3組熱輸入范圍內(nèi)，焊接速度在 7.74～3.32 mm/s之間，在 4、5組熱輸入下，焊接速度低于3 mm/s。

在超窄間隙焊接狀態(tài)下，焊接熱源直徑較傳統(tǒng)小，能量更為集中；板厚較大，焊接熔池可視為三維散熱；再加上焊接速度比傳統(tǒng)方法快得多，這些因素使得在超窄間隙方法下，有效提高了熔池的冷卻速率，減小了相變溫度以上焊接熱循環(huán)的作用范圍和停留時間，因此焊接熱影響區(qū)的寬度更窄。上述試驗是在體積尺寸較小的試樣上完成的，在實際生產(chǎn)中焊接構件體積尺寸更大的情況下，熱影響區(qū)的寬度可能更窄。更窄的焊接熱影響區(qū)，十分有利于提高就焊接接頭的承載能力。

2.2 熱影響區(qū)微觀組織分析

由于焊接熱循環(huán)的作用，熱影響區(qū)的組織成分是最不均勻的。其中，熔合區(qū)和過熱區(qū)容易出現(xiàn)晶粒粗化，是性能最薄弱的區(qū)域。隨著焊接熱輸入的提高，熔合區(qū)附近除晶粒長大外，晶粒長大的范圍也有所擴大。1、3、5組試樣熱影響區(qū)過熱區(qū)金相圖如圖4所示。

圖4 不同焊接熱輸入下焊接熱影響區(qū)過熱區(qū)金相圖

當熱輸入為6 kJ/cm時，熱影響區(qū)過熱區(qū)組織特征為：晶界有少量先共析鐵素體及向晶內(nèi)平行生長的無碳貝氏體。晶內(nèi)主要是珠光體類轉變，晶內(nèi)有珠光體和針狀鐵素體，還有少量粒狀貝氏體。

隨著熱輸入的增大，晶粒長大趨勢較為明顯，組織也越來越粗大。

當熱輸入為14 kJ/cm時，熱影響區(qū)過熱區(qū)以貝氏體類轉變組織為主。晶界的先共析鐵素體較第1組試樣減少。晶內(nèi)為珠光體和少量粒狀貝氏體，針狀鐵素體較第1組試樣大為減少，粒狀貝氏體增多。當熱輸入為22 kJ/cm時，晶粒進一步長大。少量無碳貝氏體向晶內(nèi)生長。晶內(nèi)為珠光體和粒狀貝氏體，碳化物分布過于彌散，細小的顆粒狀夾雜物逐漸減少。

圖5為1、3、5組試樣熱影響區(qū)過熱區(qū)SEM形貌。圖5a左側可明顯看出珠光體類型特征，和圖4a所得出的結果一致。同樣，圖5b、圖5c中可見部分珠光體類型特征，伴有貝氏體類型組織特征。

圖5 不同焊接熱輸入下焊接熱影響區(qū)過熱區(qū)SEM形貌

2.3 熱影響區(qū)硬度結果及分析

對不同焊接熱輸入條件下獲得的焊接接頭進行了微區(qū)硬度的測試，結果如圖6所示?？梢钥闯?，熱影響區(qū)的最高硬度均出現(xiàn)在過熱區(qū)，但最高硬度值不高于270 HV，僅比母材的平均硬度高出12%，這說明過熱區(qū)未產(chǎn)生硬度較高韌性較差的高碳馬氏體組織。熱影響區(qū)的最低硬度出現(xiàn)在不完全正火區(qū)，不完全正火區(qū)因為部分正火的組織晶粒細小，而部分未正火組織晶粒較正火組織稍大，所以硬度值會有上下浮動。但最低硬度值均在210 HV左右，僅比母材平均硬度低10%。

圖6 不同焊接熱輸入下各試樣焊接熱影響區(qū)微區(qū)硬度分布

綜上所述，針對NK-HITEN610U2低合金高強，試驗條件下采用超窄間隙MAG焊工藝技術，其焊接熱影響區(qū)的脆化和軟化現(xiàn)象均不明顯。

3 結論

（1）隨著焊接熱輸入的增加，熱影響區(qū)的寬度從1.2 mm增加到了3.0 mm。采用超窄間隙熔化極氣體保護焊其較低的熱輸入可有效地減小熱影響區(qū)的寬度，這為低合金高強鋼用于重要焊接結構提供了重要的技術依據(jù)。

（2）當焊接熱輸入在6～14 kJ/cm之間時，熱影響區(qū)過熱區(qū)以珠光體組織為主。當焊接熱輸入在14～22 kJ/cm之間時，熱影響區(qū)粗晶區(qū)以貝氏體組織為主。

（3）焊態(tài)焊接接頭的熱影響區(qū)未見明顯的脆化和軟化現(xiàn)象。

[1]Bayram Kocabekir，Ramazan Kacar，Süleyman Gündüz，etal.An effect of heat input，weld atmosphere and weld cooling conditions on the resistance spot weldability of 316L austenitic stainless steel[J].Journal of materials processing technology，2008（195）：327-335.

[2]上田修三.結構鋼的焊接——低合金鋼的性能及冶金學[M].荊洪陽 譯，北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

[3]陳裕川.低合金結構鋼焊接技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[4]于啟湛.鋼的焊接脆化[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992.