900 MPa鋼與Q345B異種鋼焊接接頭的組織與力學(xué)性能分析

張舒婷，周友龍，李雄兵，王譽(yù)靜，王家平，羅永劍

（西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

900 MPa鋼與Q345B異種鋼焊接接頭的組織與力學(xué)性能分析

張舒婷，周友龍，李雄兵，王譽(yù)靜，王家平，羅永劍

（西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

異種鋼的焊接結(jié)構(gòu)在很多行業(yè)得到了一定的應(yīng)用，為保障該結(jié)構(gòu)的可靠性，有必要進(jìn)行焊接接頭的組織和性能的研究。針對(duì)900 MPa與Q345B異種鋼手工電弧焊（SMAW）平焊焊接接頭，分析了兩種母材的焊接性，對(duì)該焊接接頭進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊等力學(xué)性能試驗(yàn)，并采用微觀金相觀察和硬度檢測(cè)手段對(duì)接頭顯微組織及硬度進(jìn)行試驗(yàn)分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，900 MPa鋼焊接性較差，正確工藝條件下獲得的異種鋼接頭力學(xué)性能良好，接頭抗拉強(qiáng)度位于兩母材之間，接頭組織與硬度不均勻性較大，該焊接接頭性能和組織均滿足相關(guān)材料與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

900鋼；異種鋼焊接接頭；力學(xué)性能；微觀組織

0 前言

異種鋼焊接結(jié)構(gòu)在車輛、石油化工、礦山等行業(yè)得到了一定的應(yīng)用。由于異種鋼的物理性能、化學(xué)性能和成分差異使異種鋼的焊接較為困難，若焊接工藝控制不當(dāng)，則無法保證焊接接頭質(zhì)量，900MPa鋼為優(yōu)質(zhì)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，具有高的綜合機(jī)械性能，其焊接性較差，Q345B具有高的力學(xué)性能和良好的焊接性。關(guān)于兩種材料的焊接方面的研究未見報(bào)道。在此針對(duì)900 MPa鋼/Q345B異種鋼手工電弧焊（SMAW）平焊焊接接頭，通過對(duì)焊接接頭進(jìn)行常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)、微觀金相觀察和硬度分布檢測(cè)，研究900 MPa與Q345B異種鋼焊接接頭的組織與力學(xué)性能狀況，對(duì)解決該異種接頭的焊接具有較高的實(shí)用價(jià)值。

1 材料及焊接性分析

本試驗(yàn)?zāi)覆?00 MPa鋼/Q345B異種鋼接頭所用板材板厚為16mm，其中900MPa鋼為調(diào)質(zhì)狀態(tài)，Q345C為熱軋狀態(tài)，其化學(xué)成分見表1，材料力學(xué)性能如表2所示。焊材采用超低氫型焊條CHE507RH，該焊條具有優(yōu)良的塑性、低溫韌性和抗裂性能。

表1 母材化學(xué)成分 %

表2 材料力學(xué)性能

根據(jù)日本焊接協(xié)會(huì)碳當(dāng)量計(jì)算母材材料碳當(dāng)量

Q345B鋼的碳當(dāng)量Ceq=0.38%，其淬硬傾向較小，金屬焊接性良好，但900 MPa鋼的碳當(dāng)量Ceq= 0.57%，該鋼種具有較高的碳當(dāng)量，焊接性較差，焊接時(shí)具有一定的淬硬傾向，需要焊前預(yù)熱，嚴(yán)控層間溫度，并嚴(yán)格控制焊接線能量，焊后進(jìn)行熱處理消除焊接殘余應(yīng)力和改善組織狀況。因此對(duì)該異種鋼接頭進(jìn)行焊接時(shí)需要進(jìn)行適當(dāng)預(yù)熱和控制層間溫度，并按合適的焊接工藝焊接[1]。

2 試驗(yàn)過程

采用SMAW進(jìn)行兩種材料平焊位置的焊接，所用焊條為超低氫型焊條CHE507RH，該焊條具有優(yōu)良的塑性、低溫韌性和抗裂性能，焊接規(guī)范工藝參數(shù)如表3所示，按照承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定（NB47014-2011）標(biāo)準(zhǔn)取樣，采用液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)、擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行焊接接頭的拉伸、彎曲、沖擊試驗(yàn)，采用卡爾蔡司A1m顯微鏡和HVS-30數(shù)顯維式硬度計(jì)進(jìn)行焊接接頭金相組織觀察和硬度分布檢測(cè)和分析。

表3 焊接工藝參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 焊接接頭性能

900 MPa鋼/Q345B異種鋼焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表4可知，其抗拉強(qiáng)度在兩母材之間，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。由彎曲試驗(yàn)結(jié)果可知，所得異種鋼焊接接頭在面彎和背彎處均未出現(xiàn)裂紋，彎曲性能合格。沖擊功值如表5所示。焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果顯示，異種鋼的焊接接頭均能滿足材料標(biāo)準(zhǔn)要求。Q345C鋼側(cè)的沖擊性能最好，焊縫區(qū)沖擊功最低。

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表5 0℃低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果J

3.2 焊接接頭硬度分布

900 MPa鋼/Q345B異種鋼接頭的硬度分布如圖1所示，其中900 MPa側(cè)的HAZ區(qū)硬度值最高，Q345C側(cè)母材硬度值最低。

圖1 900 MPa鋼/Q345B異種鋼焊接接頭硬度曲線

3.3 焊接接頭金相組織

900 MPa鋼/Q345B異種鋼接頭的微觀金相組織如圖2所示。

圖2a為Q345B母材組織，主要為鐵素體+珠光體，由圖2可知，沿軋制方向呈帶狀分布；圖2b為900MPa鋼母材組織，主要為貝氏體，組織較為均勻。圖2c為焊縫區(qū)顯微組織，為回火貝氏體組織，并含少量珠光體+鐵素體組織，晶粒細(xì)小，綜合力學(xué)性能良好。Q345B側(cè)的過熱區(qū)出現(xiàn)貝氏體和針狀鐵素體組織，硬度值比母材有所提高，900 MPa側(cè)的過熱區(qū)出現(xiàn)細(xì)小的回火索氏體和粒狀貝氏體組織，硬度值較高。

通過焊后回火處理的焊接接頭組織狀況良好，具有良好的綜合機(jī)械性能，滿足NB47014-2011和相應(yīng)的材料標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證了焊接工藝評(píng)定中制定的焊接工藝是正確的，可以用于實(shí)際的焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)。

圖2 900 MPa鋼/Q345B異種鋼接頭微觀組織（200×）

4 結(jié)論

（1）制定的焊接工藝所焊接的900MPa鋼與Q345B異種鋼焊接接頭力學(xué)性能良好滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，可以用于指導(dǎo)焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)。

（2）焊接接頭的組織經(jīng)焊后熱處理后，晶粒較為細(xì)小，是接頭具有良好綜合機(jī)械性能的保證。

（3）兩種母材性能和組織差異大，是造成接頭硬度分布梯度變化大的主要原因。

[1]李雄斌，周友龍.900 MPa低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼焊接工藝試驗(yàn)[J].電焊機(jī)，2014（8）：44-47.

[2]包曄峰，宋曉科.雙相不銹鋼鋼管埋弧焊焊接接頭微觀組織及力學(xué)性能[J].石油化工設(shè)備，2008，37（4）：4-7.

[3]何金光，曾菲圓.022Cr23Ni5Mo3N與Q345B異種鋼焊接接頭的組織與力學(xué)性能分析[J].電焊機(jī)，2012（42）：104-107.

[4]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，1996.

Analysis on Microstructure and Mechanical Properties of the welded joints on 900 MPA and Q345C dissimilar steels

ZHANG Shuting，ZHOU Youlong，LI Xiongbing，WANG Yujing，WANG Jiaping，LUO Yongjian
（State Nuclear Power Engineering Company，Shanghai 200233，China）

Dissimilar steel welding structure is used in many industries.It is important to research the microstructure and properties of the welding dissimilar joints which could ensure the reliability of the structure.For the dissimilar flat welding joints of the 900 MPa steel and Q345C steel by manual arc welding（SMAW），the weldability of the parent metal is analyzed.The mechanical properties of the welded joint such as tensile，bending，impact performance are measured.The microscopic metallographic is observed.The hardness distribution of the joint is tested.The results show that the weldability of 900 MPa steel is poorer.Correct welding process conditions is important to obtain satisfactory properties of dissimilar metal weldments.The microstructure and hardness of the joints appear larger nonuniformity.The properties and microstructure of the joints meet the demands of the relevant materials and industry standards.

900 steel；dissimilar steel welded joints；microstructure

TG111

：A

1001-2303（2015）09-0107-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.23

2014-10-22；

2015-01-16

國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201310613 006）

張舒婷（1993—），江西贛州人，學(xué)士，主要從事焊接工藝方面的工作。