Cr對高強鋼焊條焊縫組織和性能的影響

蔡養(yǎng)川，羅 震

（天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072）

Cr對高強鋼焊條焊縫組織和性能的影響

蔡養(yǎng)川，羅 震

（天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072）

基于Ni-Cr-Mo-V合金體系，研究了Cr對800 MPa高強鋼焊條焊縫組織和性能的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)w（Cr）＜1.2%時，隨著Cr含量的增加，焊縫金屬強度和韌性逐漸升高；當(dāng)w（Cr）＞1.2%時，隨著Cr含量的增加，焊縫金屬強度逐漸升高，而韌性逐漸降低。焊縫熔敷金屬中w(Cr)=1.2%時，可以使焊縫金屬獲得大量細小、均勻的粒狀M/A組織，從而提高了焊縫的強度和韌性。

焊接；Ni-Cr-Mo-V合金體系；Cr；800 MPa高強鋼焊條

Ni-Cr-Mo-V系合金鋼既具有較高的強度，又具有良好的塑性和韌性，因此得到廣泛應(yīng)用[1-2]。實踐表明，焊接加工是影響高強度結(jié)構(gòu)鋼質(zhì)量的關(guān)鍵，且低合金高強度鋼焊接接頭的韌性是焊接結(jié)構(gòu)使用性能的重要指標(biāo)，特別是針對800 MPa級以上的高強度鋼。如何在滿足強度要求的條件下提高焊接接頭的韌性儲備，一直是焊接工作者研究的熱點課題之一。

Cr是強碳化物形成元素，能提高焊縫的淬硬性，提高焊縫的強度，同時也可能導(dǎo)致冷裂紋產(chǎn)生[3-6]。但Cr含量合適時，可以增加殘余奧氏體的含量，提高韌性[7-9]。本研究利用自主開發(fā)的800 MPa高強鋼焊條，通過試驗研究Cr對高強鋼焊條焊縫組織和力學(xué)性能的影響，確定Cr的最佳含量，為研制綜合性能優(yōu)良的焊接材料提供試驗和理論依據(jù)。

1 試驗方法

1.1 材料制備及焊接方法

焊條焊芯采用H08E，直徑為5.0 mm，選用TL-25型焊條涂粉機將按一定比例均勻混合而成的合金粉末涂抹在焊芯上，并加工成直徑5.0 mm、長約450 mm的焊條，然后經(jīng)過低溫80℃×2 h、中溫 150℃×1 h和高溫 350℃×2 h熱處理成形。焊前經(jīng)過350℃×1 h烘干后使用。其配方原則是藥皮中金屬Cr含量逐漸增加，其他合金成分（鎳粉、鉬粉）含量不變，余量為大理石、螢石、石英、金紅石、鈦白粉電解錳和45#硅鐵等礦物質(zhì)混合物，其藥皮合金成分配比見表1。采用Newasia WS-630D焊機在Q235試板(160 mm×120 mm×20 mm)上實施堆焊， 焊接電流為160～240 A，電壓為20～25 V，焊接速度約為180 mm/min，連續(xù)堆焊10～15層，層間溫度控制在250℃左右，堆焊厚度大于15 mm，制取試樣。

表1 藥皮合金成分配比 %

1.2 顯微組織及力學(xué)性能試驗

利用Neophot21顯微鏡觀察焊縫金屬組織；利用JSA4-840進行掃描電鏡試驗；利用D8ADVANCE型X射線衍射儀確定焊縫金屬組織的物相組成。采用萬能電子拉伸試驗機測定焊縫強度；采用XJL-300B型落錘沖擊試驗機測定焊縫沖擊吸收功；采用HR-150A型洛式硬度計測定焊縫試樣宏觀硬度，測試試樣不同區(qū)域的7個硬度點，去掉一個最高點，去掉一個最低點，剩下5點數(shù)據(jù)的平均值為焊縫金屬的硬度值。

1.3 擴散氫含量測定

熔敷金屬擴散氫含量測定應(yīng)按GB/T 3965—1995《電焊條熔敷金屬中擴散氫測定方法》進行，選擇水銀法試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊縫金相組織結(jié)果分析

合金元素影響熔敷金屬組織，而熔敷金屬組織決定其力學(xué)性能，因此研究合金元素Cr對熔敷金屬組織的影響規(guī)律是非常必要的。金屬Cr添加量不同時各組熔敷金屬的組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 金屬Cr添加量不同時各組熔敷金屬的組織結(jié)構(gòu)

由圖1可以看出，隨著Cr含量的增加，熔敷金屬組織中鐵素體含量逐漸增加；當(dāng)w(Cr)≤1.2%時，隨著Cr含量的增加，熔敷金屬中M/A組元含量逐漸增加，且M/A組元晶粒度逐漸均勻細小；但當(dāng)w(Cr)＞1.2%時，隨著Cr含量的增加，熔敷金屬中M/A組元含量逐漸增加，且逐漸呈塊狀分布。

產(chǎn)生以上結(jié)果的主要原因是：①Cr元素會縮小γ區(qū)，促進鐵素體的形成，因此隨著Cr含量增加，熔敷金屬中鐵素體含量增多[10]；②當(dāng)Cr含量合適時，會提高殘余奧氏體的含量，增加M/A組元含量，當(dāng)Cr含量較低時，M/A組元呈顆粒狀，當(dāng)Cr含量較高時，M/A組元則呈板條狀。

2.2 焊縫金屬組織力學(xué)性能結(jié)果分析

添加不同Cr含量時各組熔敷金屬的力學(xué)性能見表2。熔敷金屬中Cr含量與焊縫力學(xué)性能的關(guān)系如圖2所示。

表2 不同Cr含量時各組熔敷金屬的力學(xué)性能

圖2 熔敷金屬中Cr含量與焊縫力學(xué)性能的關(guān)系

由表2和圖2可看出，熔敷金屬的強度隨著Cr含量的增加而逐漸增加，這主要是因為Cr是強碳化物形成元素，能提高焊縫的淬硬性，提高焊縫強度。當(dāng)w(Cr)＜1.2%時，隨著Cr含量的增加，熔敷金屬的沖擊韌性逐漸增加；當(dāng)w（Cr）＞1.2%時，隨著Cr含量的增加，熔敷金屬的沖擊韌性逐漸降低。這主要是因為當(dāng)Cr含量合適時，會提高殘余奧氏體的含量，增加M/A組元的含量，且當(dāng)Cr含量較低時，M/A組元呈顆粒狀，含量較高時則呈板條狀。研究表明，M/A組元的形狀、數(shù)量、尺寸和分布對性能影響很大，當(dāng)焊縫組織中的M/A組元呈細小顆粒狀均勻分布時，會阻礙位錯運動，因此會使熔敷金屬強度和韌性均增加；而當(dāng)M/A組元呈板條狀分布時，M/A組元周圍會存在大量的微裂紋，因而使熔敷金屬的韌性顯著降低[11-12]。

2.3 焊縫金屬斷口微觀形貌分析

本研究通過拉伸試驗和常溫沖擊試驗獲得4組試樣拉伸強度、屈服強度、伸長率、斷面收縮率和沖擊功等數(shù)據(jù)，以及試樣斷口微觀形貌。

圖3為拉伸試驗和沖擊試驗后各組試樣斷口微觀形貌。由圖3可以看出，當(dāng)w（Cr）＜1.2%時，隨著Cr含量的增加，試樣斷口微觀形貌中韌窩的數(shù)量逐漸增多，尺寸變小，深度增加，分布更均勻；當(dāng)w （Cr）＞1.2%時，隨著Cr含量的增加，試樣斷口微觀形貌中韌窩的數(shù)量逐漸減少，尺寸變大，深度降低；當(dāng)w（Cr）=2.0%時出現(xiàn)河流狀接力花紋，呈現(xiàn)一部分脆性斷裂特征；當(dāng)w（Cr）=1.2%時，試樣斷口中韌窩數(shù)量達到最大值，尺寸細小，深度較深，分布均勻。這與2.2中熔敷金屬的韌性值與Cr含量的關(guān)系相似。

2.4 焊縫金屬冷裂紋傾向分析

焊后裂紋產(chǎn)生的原因主要有擴散氫、淬硬性以及焊后微觀殘余應(yīng)力等[13-15]。

2.4.1 擴散氫含量對焊縫金屬冷裂傾向的影響

圖4為4組試驗用高強鋼焊條焊后得到的焊縫金屬中擴散氫含量。

圖3 各組試樣斷口微觀形貌

圖4 不同Cr含量時焊縫金屬中的擴散氫含量

由圖4可以看出，雖然4組試樣擴散氫含量有所差異，但其差別不大，基本都在3.75 mL/100 g左右，且均滿足超低氫標(biāo)準(zhǔn)。

2.4.2 淬硬性對焊縫金屬冷裂傾向的影響

硬度是力學(xué)性能的重要指標(biāo)，它與金屬的組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，硬度越高其脆性逐漸增大。圖5為不同試驗組焊縫金屬試驗測得的宏觀硬度。

由圖5可以看出，隨著焊縫金屬中Cr含量的增加，焊縫金屬宏觀硬度會逐漸增加。主要是因為Cr是強碳化物形成元素，會顯著提高熔敷金屬的淬硬性。

圖5 不同Cr含量時焊縫的硬度

2.4.3 微觀殘余應(yīng)變對焊縫金屬冷裂傾向的影響

為了對上述結(jié)果有更深入的探討，進行了顯微組織的XRD物相分析試驗。圖6為4組試樣焊縫金屬物相組成。

從圖6可以看出，4組試樣焊縫金屬的物相都是α-Fe，即鐵素體。盡管焊縫金屬中含有多種微合金化元素Mn，Cr，Ni，Mo等，在焊接過程中形成一些微量相，但是，由于其含量太低，采用X射線衍射方法無法觀察到明顯的衍射峰。然而，根據(jù)不同合金元素配比下衍射峰的數(shù)值差異，采用MDI Jade5.0對4組試樣焊縫金屬的晶胞參數(shù)和微觀應(yīng)變進行比較，可以分析出合金元素對焊接接頭性能的影響。

圖6 4組試樣焊縫金屬物相組成

表3為不同Cr含量時焊縫組織中的晶格畸變量。

表3 焊縫組織的晶格畸變量

表3中（a-a0）/a0×100表示晶胞參數(shù)的相對變化量，a0為α-Fe在25℃的晶胞參數(shù)（a0=2.866 4A）。從表3可以看出，合金元素含量與焊縫組織基體的晶胞參數(shù)值有一定關(guān)系，合金元素含量高時，焊縫金屬的晶胞參數(shù)相對較高；合金元素含量低時，焊縫金屬的晶胞參數(shù)相對較低。這主要是因為合金元素Mn，Cr，Ni，Mo等原子溶入基體，造成了基體晶格畸變，而不同試驗組由于合金元素的含量不同，合金原子的固溶度不同，故晶格畸變量不同。

比較4組試樣試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，4組試樣出現(xiàn)不同程度的晶胞參數(shù)減小的情況，即存在晶格負向應(yīng)變，在這一范圍內(nèi)存在微觀拉應(yīng)力。晶格參數(shù)變化量的絕對值越小，引起的晶格畸變量也越小，使得其焊縫組織應(yīng)力分布更均勻；而晶格參數(shù)變化量的絕對值越大時，引起的晶格畸變量也越大，增加了焊接殘余應(yīng)力，加大了焊件的冷裂傾向。

本試驗中4組試驗焊縫組織衍射峰的寬度變化（圖6）主要是由于微觀應(yīng)變的變化引起的。表4為不同Cr含量時焊縫組織中的微觀應(yīng)變計算結(jié)果。

表4 焊縫組織的微觀應(yīng)變計算結(jié)果

表4中微觀應(yīng)變的分析結(jié)果與表3中晶格畸變的結(jié)果大體一致，即對不同Cr含量的4組試樣，在焊縫組織中均存在晶粒尺寸的微觀應(yīng)變，這種應(yīng)變主要為負向的，且在數(shù)值變化上有較大差別。微觀應(yīng)變和晶格畸變數(shù)值上的變化大致反映了Cr含量的影響。

通過對試驗高強鋼焊條的熔敷金屬進行擴散氫含量測定、宏觀硬度測定和微觀應(yīng)變測定等試驗結(jié)果進行分析發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)試驗組A2雖然擴散氫含量較低，微觀應(yīng)變值較小，但宏觀硬度值較高，具有一定的脆硬傾向，焊接時存在產(chǎn)生冷裂紋的危險。因此，采用A2組焊條進行焊接時要合理地選擇焊接工藝，降低焊縫金屬的冷裂傾向。

3 結(jié) 論

（1）w(Cr)=1.2%時，獲得的焊條熔敷金屬組織最優(yōu)，主要為細小的鐵素體組織和細小且均勻分布的M/A組元。

（2）w（Cr）=1.2%時， 獲得的焊條熔敷金屬具有最優(yōu)力學(xué)性能，屈服強度821 MPa，拉伸強度935 MPa，伸長率19%，斷后收縮率70%，25℃沖擊功101 J。

（3） 最優(yōu)組焊條（w（Cr）=1.2%）具有一定的冷裂傾向，使用時應(yīng)選用合適的焊接工藝。

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Effect of Heat Chrome Element on Microstructure and Mechanical Properties of High-strength Steel Electrode Weld

CAI Yangchuan,LUO Zhen
(College of Materials Science and Technology,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Based on Ni-Cr-Mo-V alloy system,it studied the effect of chrome on weld microstructure and mechanical properties of 800 MPa high strength steel electrode.Experimental results showed that,as the content of chrome less-than 1.2%,the weld metal strength and toughness gradually increase with the increase of the content of Cr;and when the content of chrome more-than 1.2%,the strength of weld metal gradually increases and the toughness gradually decreases with the increase of the content of Cr.As the content of Cr is 1.2%,the microstructure of weld metal is large number of wee and homogeneous M/A,which can enhance the strength and toughness of weld metal.

welding;Ni-Cr-Mo-V alloy system;Chrome;800 MPa high-strength steel electrode

TG421

A

1001－3938（2015）06-0020-06

蔡養(yǎng)川（1987—），男，博士研究生，主要從事焊接材料方面的研究工作。

2014-10-28

謝淑霞