磁場對400 MPa級超細(xì)晶粒鋼MAG焊縫組織和沖擊韌性的影響

（遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

磁場對400 MPa級超細(xì)晶粒鋼MAG焊縫組織和沖擊韌性的影響

戴志勇，王秉新，董 旭，王 冠

（遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

利用電磁攪拌技術(shù)研究了交變磁場作用下400 MPa級超細(xì)晶粒低合金高強(qiáng)鋼MAG焊縫組織特征，分析了電磁攪拌焊接對焊縫沖擊韌性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電磁攪拌能有效地改變焊縫金屬的組織形態(tài)，使焊縫金屬組織柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，有效細(xì)化組織，提高了焊縫金屬的沖擊韌性

超細(xì)晶粒高強(qiáng)鋼；MAG焊接；電磁攪拌；焊縫；力學(xué)性能

超細(xì)晶粒鋼是為了節(jié)約資源，充分挖掘傳統(tǒng)金屬材料的性能潛力，通過一系列新的冶煉生產(chǎn)技術(shù)和各種晶粒細(xì)化工藝手段而獲得的一種比傳統(tǒng)鋼鐵材料雜質(zhì)含量低，晶粒尺寸為微米級的新一代鋼鐵材料，其強(qiáng)度指標(biāo)大幅度提高，并保持了高的韌性，在一些行業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用。

然而，超細(xì)晶粒鋼在焊接過程中，在焊接熱循環(huán)作用下，由于超細(xì)晶粒鋼晶粒極度細(xì)化，晶粒長大的驅(qū)動力很大，接頭熱影響區(qū)(HAZ)晶粒嚴(yán)重粗化[1-4]，嚴(yán)重惡化了焊接接頭整體的力學(xué)性能，制約了超細(xì)晶粒鋼的推廣應(yīng)用。盡管研究人員提出了采用低熱輸入、高能密度的焊接方法，解決HAZ存在的脆化和局部軟化現(xiàn)象，取得了一定效果[5-7]，但迄今為止人們對超細(xì)晶粒鋼焊接性問題基本上局限在解決HAZ的組織和力學(xué)性能方面，而對焊縫金屬的組織及強(qiáng)韌性問題研究的很少。針對目前超細(xì)晶粒鋼焊接技術(shù)研究現(xiàn)況及存在的問題，本論文采用外場電磁攪拌技術(shù)，對一種400 MPa級超細(xì)晶低合金高強(qiáng)鋼開展磁控MAG焊接技術(shù)研究，分析電磁攪拌焊接對焊縫組織形貌以及焊縫力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)鋼材為400 MPa級細(xì)晶鋼板，厚度規(guī)格為7 mm，其成分如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of experimental steel %

實(shí)驗(yàn)鋼的金相組織如圖1所示，由鐵素體+少量珠光體構(gòu)成，組織非常細(xì)小，采用截距法測量鐵素體晶粒平均尺寸為6～8 μm。

焊接方法采用熔化極活性氣體保護(hù)焊(MAG)，接頭與母材強(qiáng)度匹配采用等強(qiáng)組配原則，使用H08MnSi2A焊絲，其化學(xué)成分如表2所示，焊絲直徑1.2 mm。

圖1 試驗(yàn)鋼母材金相組織Fig.1 The original microstructure of experimental base steel

表2 H08MnSi2A焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 The chemical composition of the H08MnSi2A wire%

焊接設(shè)備為Fronius全自動MIG/MAG焊接機(jī)，CO2+Ar(20%+80%)保護(hù)，焊接電壓25～30 V，焊接電流為160～180 A，焊接速度3.5 cm/s，焊接試樣采用V型坡口。使用縱向交變磁場，磁場施加方式如圖2所示，激磁電流及頻率分別為2 A。

圖2 電磁攪拌焊接試驗(yàn)裝置原理圖Fig.2 The device schematic diagram of electromagnetic stirring welding test

根據(jù)GB/T2650-96《焊接接頭沖擊試驗(yàn)法》的規(guī)定，在焊接試板上沿垂直焊縫方向截取焊接沖擊試樣坯料，加工成5×10×55的非標(biāo)準(zhǔn)夏比V型缺口沖擊試樣，試樣缺口開在焊縫處，且垂直焊縫表面。沿垂直焊縫方向用切割取樣，作金相試樣，使用Leica DMIRM型圖像儀分析焊縫組織，使用TESCAN VEGA TS 5136XM型掃描電鏡(SEM)觀察斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3所不同條件下焊縫金相組織，可以看出，在未施加磁場條件下焊接時(shí)，焊縫組織為粗大的、連續(xù)性和方向性很強(qiáng)的柱狀晶組織形貌，柱狀晶的長寬比很大。當(dāng)施加外磁場對焊接過程進(jìn)行干預(yù)時(shí)，焊縫組織形態(tài)發(fā)生變化。在電攪拌焊接條件下，焊縫組織幾乎均由等軸晶構(gòu)成，組織明顯細(xì)化。

圖3 磁場對焊縫組織的影響Fig.3 The impact of magnetic field on the weld

表3為焊縫金屬的室溫沖擊功測試結(jié)果?？梢钥闯觯艌鰲l件焊縫金屬的沖擊功明顯高于未加磁場條件。

表3 焊縫金屬室溫沖擊功Table 3 Weld metal room temperature impact energy

圖4為焊縫沖擊試樣斷口組織的SEM分析結(jié)果，從中可以看出，雖然二種條件下焊縫斷口均呈韌窩形式，但相比于未加磁場焊縫，電磁攪拌焊縫斷口中的韌窩具有大而深的特征，表明其具有相對高的韌性。

焊縫力學(xué)性能與其組織密不可分，而組織與結(jié)晶條件、結(jié)晶過程有關(guān)。當(dāng)焊縫中形成熔池后，由于固態(tài)金屬母材散熱系數(shù)大，熔池液態(tài)金屬與母材相鄰區(qū)域散熱快，溫度低，處于過冷狀態(tài)，使得晶粒形核具備了足夠的形核熱力學(xué)條件。同時(shí)，沿熔合線垂直方向形成很大的溫度梯度，如圖5所示，這樣為柱狀晶的形成、生長提供了良好的動力學(xué)條件，晶核沿溫度梯度方向發(fā)生擇向生長，使焊縫金屬形成粗大的鑄造柱狀晶組織。

圖4 不同焊接條件下焊縫斷口形貌Fig.4 The weld fracture morphology under different welding conditions

以及外加磁場與熔池中電流相互作用產(chǎn)生的電磁力，對熔池中液態(tài)金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁攪拌作用，使得熔池中液態(tài)金屬進(jìn)行快速流動，產(chǎn)生強(qiáng)迫對流。外加磁場對熔池液體金屬的這種攪拌作用，使凝固過程中樹枝晶或難以長大，或被折斷、擊碎，而這些破碎的枝晶顆粒脫離熔池側(cè)壁進(jìn)入熔池，游離于結(jié)晶前沿的液體中又會成為新的生長中心。此外，對流可把從熔池側(cè)壁脫離的晶粒以及熔池中析出的形核質(zhì)點(diǎn)帶到固液界面前沿的成分過冷區(qū)中，促進(jìn)了非均質(zhì)形核，這樣極大地增加了熔體的形核率，細(xì)化了焊縫組織。

圖5 焊縫金屬柱狀晶形成示意圖Fig.5 The formed columnar crystals schematic of weld metal

另外，熔池液體的攪拌作用增大了液體流動，將熔池邊緣處溫度較低的晶粒帶入熔體內(nèi)部，而將溫度較高的熔體來補(bǔ)充，從而延緩了熔池邊緣的溫度降低，加速內(nèi)部熔體的降溫，使得溫度場得到了重新分布，降低了液態(tài)熔池的沿最大散熱方向的溫度梯度，這樣金屬液的溫度較為均勻。由于熔體中溫度相對均勻，降低了溫度梯度，這樣，消除了產(chǎn)生柱狀晶的條件，抑制了晶粒在某個(gè)方向的優(yōu)先生長，從而晶粒在各個(gè)方向上均勻生長，有效地抑制了晶粒的擇向生長，這樣消除了粗大的柱狀晶，而出現(xiàn)細(xì)小的等軸晶組織[10]。由此可見，電磁攪拌能夠促使焊縫柱狀晶向細(xì)小的等軸晶轉(zhuǎn)變，細(xì)化焊縫組織，提高焊縫的沖擊韌性。

3 結(jié) 論

外加縱向交變磁場對400 MPa細(xì)晶粒高強(qiáng)鋼MAG焊接過程進(jìn)行電磁攪拌，能有效地改變焊縫金屬的組織形態(tài)，使焊縫金屬組織柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，有效細(xì)化組織，提高了焊縫金屬的沖擊韌性。

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Effect of Electromagnetical Stirring on Microstructure and Impact Toughness of MAG Weld Meta1 of 400 MPa Ultra-fine Grained Steel

DAI Zhi-yong，WANG Bing-xin，DONG Xv，WANG Guan
（College of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

The microstructural characteristics of MAG weld meta1 of 400 MPa ultra-fine grained steel under the alternating magnetic field were researched by using electromagnetic stirring technology, and effect of electromagnetical stirring on impact toughness of weld meta1 was investigated. The experimental results show that the electromagnetical stirring can efficiently improve microstructural morphology of weld meta1, convert coarse columnar crystals into fine equiaxed grains, which can enhance the impact toughness of MAG weld meta1.

Ultra-fine grained high strength steel; MAG welding; Electromagnetical stirring; Weld meta1; Impact toughness

TG 44

： A

： 1671-0460（2014）04-0491-03

遼寧省教育廳資助項(xiàng)目（L2012132）。

2013-10-21

戴志勇（1987-），男，遼寧葫蘆島人，在讀碩士，2014年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，研究方向：從事電磁攪拌焊接技術(shù)工作。E-mail：hlddaizhiyong@163.com。