細(xì)晶Q345低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭組織性能研究

陳尹澤 李娜 溫斌 夏志升

(安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司)

0 前言

焊接是鋼結(jié)構(gòu)制造中最為重要的加工方式之一，而焊接接頭的性能直接影響整體構(gòu)件的使用性能。埋弧焊是電弧在焊劑層下燃燒，用機(jī)械自動(dòng)引燃電弧并進(jìn)行控制，自動(dòng)完成焊絲的送進(jìn)和電弧移動(dòng)的一種電弧焊方法。具有生產(chǎn)率高、機(jī)械化程度高、焊接質(zhì)量好且穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。安鋼爐卷機(jī)組通過優(yōu)化軋制工藝和控制軋后冷卻速率，研制開發(fā)了表層細(xì)晶Q345 低合金高強(qiáng)鋼，由于鋼板厚度的不同和層流冷卻強(qiáng)度的不同，表面細(xì)晶組織的種類和厚度也不同［1］。細(xì)晶粒鋼晶粒尺寸較為細(xì)小，強(qiáng)度和韌性較高，但是焊接時(shí)HAZ(熱影響區(qū)，Heat Affect－ed Zone)晶粒在焊接熱作用下易長(zhǎng)大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使母材優(yōu)良的性能喪失［2］。因此對(duì)埋弧焊條件下獲得的焊接接頭組織與性能進(jìn)行研究具有重要的工程價(jià)值。對(duì)細(xì)晶Q345 低合金高強(qiáng)鋼進(jìn)行了埋弧焊焊接，分析表征了焊接接頭的顯微組織，并對(duì)接頭硬度、拉伸、彎曲、沖擊性能進(jìn)行了研究，以期對(duì)細(xì)晶高強(qiáng)鋼的焊接應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1．1 試驗(yàn)用母材

試驗(yàn)用母材為安鋼爐卷機(jī)組生產(chǎn)的30 mm 厚細(xì)晶Q345C 鋼板，鋼板采用控制軋制+控制冷卻工藝生產(chǎn)，其化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

從表1 可知，碳當(dāng)量CE =0．36%，裂紋敏感指數(shù)Pcm=0．23%。

試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能見表2。試驗(yàn)鋼的母材金相組織如圖1 所示。

表2 試驗(yàn)鋼力學(xué)性能

圖1 母材金相組織

從圖1 可以看出，鋼板表面組織為針狀鐵素體(AF)+準(zhǔn)多邊形鐵素體(QF)+退化珠光體(P＇)+少量粒狀貝氏體(GB)，心部為F +P，晶粒細(xì)小均勻。

1．2 試驗(yàn)方法

焊接試驗(yàn)在安鋼建安公司焊接實(shí)驗(yàn)室焊接，焊接采用埋弧自動(dòng)焊，依據(jù)“等強(qiáng)匹配”原則，選擇采用H08MnSiA 焊絲，直徑Φ =4．0 mm，接頭形式參照GB/T985． 1 － 2008 設(shè)計(jì)，試板尺寸500 mm ×200 mm×30 mm，焊接試板采用機(jī)械加工的方法開V 形坡口，單邊坡口角度為30 °。焊接過程中通過反變形和在試板背面焊接拘束焊縫來控制變形。焊接電流350 A ～560 A，電壓35 V ～38 V，具體工藝見表4。

焊接完成后，對(duì)焊接接頭進(jìn)行X 射線探傷，經(jīng)無損探傷檢測(cè)Ⅱ級(jí)合格。

表4 焊接工藝參數(shù)

2 焊接接頭組織及性能檢測(cè)分析

2．1 焊接接頭彎曲性能檢驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)按GB/T2653 －2008 規(guī)定進(jìn)行，試樣經(jīng)180 °冷彎后，接頭部位完好，并未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷存在，由此可以證明焊接接頭具有良好的塑性變形能力。

2．2 焊接接頭拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)按GB/T265l－2008 規(guī)定進(jìn)行，對(duì)3 組焊接接頭進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，焊接后的拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 焊接接頭拉伸性能

從表5 可以看出，焊接后平均屈服強(qiáng)度為379 MPa，抗拉強(qiáng)度為525 MPa，延伸率為23．5%，焊接接頭的強(qiáng)度變化不大，均保持在較高的水平上，滿足強(qiáng)度性能指標(biāo)要求。延伸率焊接后呈下降趨勢(shì)，但是滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2．3 焊接接頭沖擊性能

根據(jù)GB/T2650 －2008 制備了V 型缺口沖擊試樣。沖擊試樣大小為10 mm×10 mm×55 mm，沖擊試樣在開夏比V 形缺口前，先腐蝕試樣，清楚顯示出焊縫及熱影響區(qū)后再開缺口。缺口方向垂直于焊縫表面，分別開在焊縫、熔合線和熔合線外2 mm。焊接接頭的沖擊韌性反映出其對(duì)外界沖擊載荷的抵抗能力，能夠表征焊接接頭不同區(qū)域顯微組織的變化。對(duì)2 組焊接接頭進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表6。沖擊試樣全部采用橫向。

表6 焊接接頭沖擊性能

由表6 可以看出，焊縫、熔合線、熱影響區(qū)、母材沖擊功分布比較均勻。30 mmQ345C 焊縫處沖擊功均值63 J，熔合線85 J，熱影響區(qū)100 J，母材109 J。熱影響區(qū)沖擊值稍微低于母材處沖擊功，但是大于焊縫和熔合線處沖擊功。這主要由于焊縫處晶粒較粗大，焊接接頭粗晶區(qū)晶粒并沒有嚴(yán)重長(zhǎng)大。這表明熱影響區(qū)具有良好的韌性。

2．4 焊接接頭硬度

焊接接頭硬度試驗(yàn)方法根據(jù)GB/T2654 －2008焊接接頭硬度試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)點(diǎn)的數(shù)量和間距應(yīng)足以確定由于焊接導(dǎo)致的硬化和軟化區(qū)域。利用HV10 硬度計(jì)對(duì)母材及焊縫的硬度進(jìn)行測(cè)量，兩點(diǎn)之間間距取標(biāo)準(zhǔn)中推薦距離每隔1 mm 取點(diǎn)，測(cè)試其顯微硬度。焊接接頭硬度是許多構(gòu)件制造中重要的考核指標(biāo)，焊接接頭顯微硬度分布如圖2 所示。

圖2 焊接接頭硬度

圖3 Q345C 焊接接頭金相組織

從圖2 可看出，焊縫、熱影響區(qū)、母材的硬度范圍在160 HV ～190 HV 之間。焊縫和熱影響區(qū)硬度變化不大，說明未出現(xiàn)異常組織。

2．5 焊接接頭金相組織

所取試樣包括焊縫、熱影響區(qū)、母材三部分，對(duì)所取試樣進(jìn)行磨光、拋光、并用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，其金相組織如圖3 所示。

從圖3 可以看出，圖3(a)為焊縫處組織，焊縫區(qū)為柱狀晶組織，由圖可知其組織較粗大。圖3(b)為過熱區(qū)組織，過熱區(qū)與焊縫組織類似，組織比較粗大，組織為IAF+PF+F+P，本區(qū)域在焊接過程中雖處于過熱的狀態(tài)，但并未發(fā)現(xiàn)奧氏體晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大現(xiàn)象的出現(xiàn)。圖3(c)為重結(jié)晶區(qū)組織，晶粒較細(xì)小，該區(qū)域?yàn)橹亟Y(jié)晶區(qū)，組織為PF+F+P，焊接時(shí)由于母材受到熱的作用，當(dāng)其被加熱到Ac3以上溫度時(shí)，鐵素體和珠光體會(huì)轉(zhuǎn)變成奧氏體組織，之后在空氣中冷卻，會(huì)得到細(xì)小而均勻的鐵素體和珠光體組織。圖3(d)為不完全相變區(qū)組織，回火區(qū)為熱影響區(qū)的部分重結(jié)晶區(qū)，母材為鐵素體和呈明顯帶狀分布的珠光體，而在部分重結(jié)晶區(qū)由于溫度區(qū)間在Ac1～Ac3，部分鐵素體和珠光體發(fā)生了相變重結(jié)晶過程，轉(zhuǎn)化為晶粒細(xì)小的鐵素體和珠光體，而另一部分鐵素體未能溶入奧氏體，晶粒粗大。該區(qū)域晶粒大小不均勻，碳化物呈現(xiàn)不明顯的帶狀分布。

3 結(jié)論

1)細(xì)晶Q345C 鋼板焊接后屈服強(qiáng)度在380 MPa左右，抗拉強(qiáng)度在530 MPa 左右，焊接接頭的強(qiáng)度變化不大，均保持在較高的水平上，延伸率焊接后呈下降趨勢(shì)，但是滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。焊接接頭經(jīng)180 °冷彎后無裂紋缺陷產(chǎn)生。

2)焊縫、熔合線、熱影響區(qū)、母材沖擊功分布比較均勻。熱影響區(qū)沖擊值稍微低于母材處沖擊功，但是大于焊縫和熔合線處沖擊功，這表明熱影響區(qū)具有良好的韌性。

3)焊縫處為柱狀晶組織，組織較粗大;粗晶區(qū)為IAF+PF+F+P，細(xì)晶區(qū)為PF +F +P，回火區(qū)為F+P，碳化物呈現(xiàn)不明顯帶狀分布，母材為F +P。焊縫、熱影響區(qū)、母材的硬度范圍在160 HV ～190 HV之間。焊縫和熱影響區(qū)硬度變化不大，說明未出現(xiàn)異常組織。

［1］陳尹澤，徐筱薌，于愛民，等． 層流冷卻工藝對(duì)表層超細(xì)晶C －Mn 鋼組織性能的影響［J］．冶金叢刊，2015，215(1):4 －7．

［2］王燕，周偉． 超細(xì)晶粒鋼普通CO2氣體保護(hù)焊HAZ 晶粒長(zhǎng)大行為研究［J］．三峽大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32(4):87 －90．