Q345D鋼埋弧焊接頭組織與性能

楊 克，楊 可，包曄峰

（河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022）

0 前言

埋弧自動焊具有生產(chǎn)效率高、焊接質量好等特點，被廣泛運用于橋梁、船舶、鍋爐制造、壓力容器、輸油輸氣管道、大型鋼結構等領域的中厚板焊接。Q345D鋼與Q345A、B、C相比機械性能較好，低溫沖擊功的試驗溫度低（-20℃最小27 J），有害物質S、P的含量較低，焊接性能較好。Q345D使用時多為中厚板，所制造的設備多在高壓和重載荷的條件下工作，若焊縫中存在微裂紋，焊接接頭強韌性較差或與母材不匹配，將導致設備的抗拉壓、抗沖擊性能下降，可能會造成重大安全事故。因此需要設計恰當?shù)墓に噥慝@得良好的焊縫成形和焊接接頭性能[1-3]。

裂紋、氣孔是焊縫主要的缺陷；焊接接頭的強度、塑性、韌性是其重要性能指標；接頭的顯微組織形態(tài)也對其性能有很大影響。這些性能指標決定了設備的安全性和使用壽命。因此通過對焊接接頭進行無損檢測，分析試樣的顯微組織，對焊接接頭進行拉伸、彎曲和低溫沖擊試驗來檢驗Q345D鋼埋弧焊的接頭性能。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗母材選用15 mm的Q345D鋼板，它屬于低合金鋼，一般在熱軋狀態(tài)下使用。由于軋制過程使晶粒變得細長，材料得到沉淀強化和細晶強化。Q345D鋼的化學成分和力學性能如表1、表2所示。

表1 Q345D鋼的化學成分

Tab.1 Chemical constitution of Q345D %

w（P）≤0.030 w（S）≤0.030 w（C）≤0.180 w（Si）≤0.550 w（Mn）≤1.800 w（V）0.020～0.150 w（Nb）0.015～0.060 w（Al）≥0.015

表2 Q345D鋼的力學性能Tab.2 Mechanical property of Q345D

選用55ULT×H-14的焊劑-焊絲組合，適于低溫鋼的單層、多層焊接，焊絲直徑為4.8 mm，電弧燃燒穩(wěn)定，焊縫成形美觀，脫渣容易，具有較高的低溫沖擊韌性。焊絲與焊劑配合所得熔敷金屬的主要合金元素成分如表3所示。熔敷金屬中主要合金元素為Mn、Si、B和Ti。低合金鋼焊縫韌性很大程度上依賴于Si、Mn含量。Si是鐵素體形成元素，Mn是擴大奧氏體區(qū)的元素，能推遲γ→α轉變，增加焊縫中Mn的含量，將減少先共析鐵素體的比例。Ti是很強的碳化物形成元素，形成的TiC能對基體起到明顯的沉淀強化作用。B的加入能夠細化晶粒，起到細晶強化的作用[1]。

表3 熔敷金屬的化學成分Tab.3 Chemical Composition of Deposited Metal%

1.2 試驗方法

使用MZ型自動埋弧焊機對板厚為15 mm的Q345D進行焊接，開單面V型坡口，坡口角度60°，裝配間隙0～2 mm。采用單面焊接工藝，焊前仔細清理坡口兩側的油污、鐵銹和水分等。焊接時需在板件兩端加引弧板和引出板，以去除引弧和收尾時容易產(chǎn)生的弧坑等缺陷。焊接三層，分別為打底焊、中層焊、封頂焊。具體的工藝參數(shù)如表4所示。

表4 埋弧焊焊接參數(shù)Tab.4 Welding procedure parameters of submerged arc welding

2 結果與分析

2.1 焊接接頭金屬組織

焊縫成形良好，表面光滑，無氣孔、未焊透和咬邊等缺陷。使用磁粉探傷儀和超聲波探傷儀對焊接接頭進行無損檢測，焊接接頭內部未發(fā)現(xiàn)微觀裂紋、氣孔、夾渣。

在試板上截取試塊制備金相試樣，使用4%的硝酸酒精溶液對試樣進行腐蝕。使用XJG-05型臥式金相顯微鏡觀察焊接接頭的顯微組織。

2.1.1 母材顯微組織

Q345母材的顯微組織如圖1所示，為長條狀鐵素體和片狀珠光體，兩者呈帶狀分布，其中也有粒狀的碳化物析出，如圖1b所示。由于Q345D主要是在熱軋狀態(tài)下使用的鋼，可以看到明顯的軋制方向。帶狀分布的鐵素體和珠光體組織使得鋼的機械性能呈現(xiàn)各向異性，導致沿帶狀縱向方向強度高、韌性好；而垂直于帶狀的橫向強度低、韌性差[4]。

圖1 母材顯微組織Fig.1 Microstructure of base metal

2.1.2 焊縫顯微組織

焊縫金屬組織為鐵素體+珠光體，鐵素體主要是在奧氏體晶內形成的細晶鐵素體和部分針狀鐵素體。針狀鐵素體的形成是由于焊縫金屬在快速冷卻的情況下，合金元素所形成的非金屬夾雜如TiO、MnO2、MnS、SiO2等，熔點較高，在熔池中首先析出，由于熔點不同，形成以 TiO、SiO2為核心，MnO2、MnS 為表層的復合夾雜物，充當針狀鐵素體形核的核心[5-6]。但并不是所有的非金屬夾雜都能誘發(fā)針狀鐵素體形核，文獻[2，7]的研究指出，尺寸為0.2~0.6 μm的夾雜物更有益于誘發(fā)針狀鐵素體的形核，因此焊縫金屬只得到了部分針狀鐵素體組織。Ti和B都是細化晶粒的元素，凝固過程中，彌散分布的TiC顆粒成為熔池中液態(tài)金屬凝固的晶核，能夠細化焊縫組織；B通過在晶界阻止先共析鐵素體的形成和長大，都使焊縫得到細晶粒鐵素體，進而提高焊縫的韌性。

焊縫金屬顯微組織如圖2所示。圖2a為底層焊縫的顯微組織，其中珠光體的含量相對較多。這是由于打底焊時，過冷度較高，焊縫金屬冷卻速度較大，而低碳鋼焊縫組織中珠光體的含量隨著冷卻速度的增加而增加[8]。另外，打底焊時母材的稀釋率較高，使焊縫金屬含碳量增加，也會使得珠光體含量增加，從而使焊縫得到較高的硬度。圖2b為中間層焊縫組織，由于此時打底焊縫金屬還保持在較高的溫度，焊縫的冷卻速度較低，得到的鐵素體較多，且晶粒細小，所以焊縫能得到較好的韌性。但中間層焊接時的熱輸入對底焊縫的組織也有一定影響。二次熱循環(huán)時，底焊層被加熱到奧氏體化溫度并保持較長時間，有分析認為，焊縫金屬與非金屬夾雜物不同的線膨脹系數(shù)會導致金屬與夾雜物之間出現(xiàn)“空腔”，釋放了夾雜物與奧氏體之間的應力-應變能，使得針狀鐵素體的形核驅動力提高，若高于塊狀鐵素體的形核驅動力，奧氏體即轉變?yōu)閴K狀鐵素體[5]。這也是導致焊縫中針狀鐵素體含量不多的原因。圖2c為最后一層焊縫，珠光體含量略高于中間層，鐵素體與珠光體分布均勻。焊接時，每一層焊縫都對上一層進行了相當于正火的熱處理，焊縫能得到較均勻細小的組織。

針狀鐵素體大角度相互交叉的形態(tài)能有效阻止裂紋的擴展，有利于焊縫金屬韌性的提高。盡管焊縫中沒有得到大量的針狀鐵素體，但細晶鐵素體的存在，也能對焊縫的韌性起到良好的促進作用。三層焊縫不同的組織形態(tài)，使焊縫在具有一定硬度和強度的同時保持良好的韌性。

圖2 焊縫區(qū)顯微組織Fig.2 Microstructure of welding metal

2.1.3 熱影響區(qū)顯微組織

在焊接熱影響區(qū)中過熱區(qū)主要為粗大的組織，韌性很低，焊接剛度較大的結構時，常在過熱區(qū)產(chǎn)生脆化或裂紋。圖3為試樣焊接熱影響區(qū)的顯微組織分布。在圖3a中過熱區(qū)晶粒長大并不嚴重，這是由于母材中含有V、Nb等細化晶粒的元素，其碳化物粒子“釘扎”晶界，抑制奧氏體晶粒長大，得到較細小的鐵素體和珠光體。而過熱區(qū)的大小則與焊接方法、焊接線能量和母材的板厚等有關，在圖3a中過熱區(qū)并不寬大，說明使用埋弧焊多層焊的焊接方法和試驗所選擇的工藝參數(shù)焊接Q345D鋼，能得到較窄的過熱區(qū)，從而獲得良好的焊接接頭性能。相變重結晶區(qū)組織為均勻而細小的珠光體和鐵素體，相當于正火組織，具有良好的塑性和韌性。不完全重結晶區(qū)內一部分組織發(fā)生了相變重結晶過程，呈現(xiàn)為細小的鐵素體和珠光體，另一部分始終未溶入奧氏體的鐵素體，仍呈帶狀分布[8]，如圖3b所示。因此，從顯微組織分析來看，熱影響區(qū)應較母材有更好的強韌性。

圖3 熱影響區(qū)顯微組織Fig.3 Microstructure of HAZ

2.2 焊接接頭力學性能

對試樣進行拉伸試驗、彎曲試驗、低溫沖擊試驗，檢驗焊接接頭的力學性能。拉伸試驗結果如表5所示。斷裂于母材，抗拉強度為560 MPa，焊縫抗拉強度高于母材，能滿足工作要求。

表5 拉伸試驗結果Tab.5 The result of tensile test

對試樣進行彎曲試驗（彎曲180°），彎曲試樣的彎曲部位外表面（受拉面）未發(fā)現(xiàn)裂紋和裂縫，焊接接頭具有良好的塑性和韌性。

對焊接接頭進行沖擊試驗，試驗溫度為-20℃，橫向開V型坡口，坡口深度2 mm，進行三次試驗取平均值，試驗結果如表6所示。母材沖擊吸收功為34.7 J，焊接過程中，近縫區(qū)母材在焊接熱循環(huán)的作用下，得到相當于正火的熱處理，組織細化，韌性提高。熱影響區(qū)由于組織不均勻，導致其力學性能也不均勻，沖擊吸收功為42.3 J。焊縫得到針狀鐵素體、細晶粒鐵素體和珠光體的組織，故其具有良好的強度和韌性，焊縫沖擊吸收功達到107.6 J。焊縫和熱影響區(qū)沖擊吸收功均高于母材，滿足工作要求。

表6 沖擊試驗結果Tab.6 The result of impact test

3 結論

（1）采用合適的工藝參數(shù)，對Q345D鋼施焊三層，焊縫成形良好，表面光滑，無氣孔、咬邊、未焊透等缺陷。經(jīng)過磁粉探傷和超聲波探傷檢測，焊接接頭內未發(fā)現(xiàn)微裂紋和氣孔。

（2）焊縫顯微組織主要為鐵素體+珠光體，其中鐵素體主要為細晶粒鐵素體和針狀鐵素體。底焊層珠光體含量較高，封頂層次之，中間層含量相對較少，焊縫能得到良好的強度和韌性。焊接熱影響區(qū)特別是粗晶區(qū)較窄，其力學性能不均勻性得到改善。

（3）焊縫抗拉強度高于母材，180°彎曲試驗未發(fā)現(xiàn)裂紋和裂縫，-20℃沖擊試驗，母材沖擊吸收功為 34.7 J，熱影響區(qū)為 42.3 J，焊縫為107.6 J，均能滿足使用要求。

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