閃光對(duì)焊工藝對(duì)耐蝕螺紋鋼HRB400M焊接接頭組織和性能的影響

李經(jīng)緯，張 宇，張建春，王 納，麻 晗

（江蘇?。ㄉ充摚╀撹F研究院，江蘇張家港215625）

閃光對(duì)焊工藝對(duì)耐蝕螺紋鋼HRB400M焊接接頭組織和性能的影響

李經(jīng)緯，張 宇，張建春，王 納，麻 晗

（江蘇?。ㄉ充摚╀撹F研究院，江蘇張家港215625）

采用不同參數(shù)對(duì)直徑25 mm的耐蝕性螺紋鋼HRB400M進(jìn)行閃光對(duì)焊試驗(yàn)，依據(jù)組織和力學(xué)性能分析，確定最佳焊接工藝為：調(diào)伸長(zhǎng)度21 mm，閃光輸出功率68 kW，閃光速度0.8 mm/s，閃光留量12 mm，帶電頂鍛時(shí)間0.1 s，頂鍛壓力65 MPa；并采用焊前預(yù)熱和焊后回火工藝。焊縫中心線兩側(cè)的鐵素體區(qū)是焊接接頭最薄弱的部位，通過(guò)工藝調(diào)整可消除不良組織，獲得性能優(yōu)異的焊接接頭。

耐蝕螺紋鋼HRB400M；閃光對(duì)焊；顯微組織；抗拉性能

0 前言

閃光對(duì)焊是一種方便、高效、可靠性高的自動(dòng)化固相焊接方法，廣泛應(yīng)用于火車(chē)、長(zhǎng)輸管線、建筑鋼結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域[1]。閃光對(duì)焊與熔焊相比有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）閃光過(guò)程可在接頭處形成自保護(hù)區(qū)[2]，減少界面金屬氧化，頂鍛時(shí)能將界面氧化物完全擠出，獲得純凈的接頭組織；（2）無(wú)需填充金屬和保護(hù)氣體；（3）沒(méi)有熔池，熱影響區(qū)小，缺陷少。

通過(guò)Cr的合金化使得其抗海水腐蝕能力相比普通HRB400螺紋鋼提升3倍，且成本增加不超過(guò)30%[3]，在很多沿海工程中逐漸開(kāi)始取代傳統(tǒng)不銹鋼。HRB400M碳當(dāng)量為2.5（采用IIW計(jì)算公式），焊接難度大，而目前國(guó)內(nèi)對(duì)高合金鋼閃光焊研究尚不夠深入[4]。在此針對(duì)直徑25 mm的HRB400M進(jìn)行閃光對(duì)焊工藝研究，分析閃光對(duì)焊工藝方法對(duì)接頭組織的影響規(guī)律，得到滿足工程應(yīng)用的最佳焊接工藝。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用材料是沙鋼新研制的HRB400M耐海水腐蝕螺紋鋼，直徑25mm，其化學(xué)成分如表1所示?？估瓘?qiáng)度為570～580 MPa。

表1 HRB400M化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of HRB400M %

焊接試驗(yàn)設(shè)備為UNS-150氣液增壓式閃光焊機(jī)，額定功率150 kW，氣源壓力0.7 MPa，最大頂鍛力30 kN，該設(shè)備具有電阻預(yù)熱和回火功能。

金相試樣經(jīng)熱鑲、磨拋、鹽酸偏重亞硫酸鈉溶液腐蝕，使用蔡司光學(xué)顯微鏡（OM）進(jìn)行觀察。采用Instron Tukon 2100B型維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，載荷為5 kg。拉伸試驗(yàn)在載荷為1 200 kN的Instron拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸性能各項(xiàng)數(shù)據(jù)為3個(gè)試樣測(cè)試值的算術(shù)平均值。

在前期大量工藝試驗(yàn)基礎(chǔ)上，確定初步工藝參數(shù)，針對(duì)頂鍛壓力、熱處理制度按如表2所示的工藝參數(shù)進(jìn)行焊接優(yōu)化試驗(yàn)。預(yù)熱是通過(guò)將待焊件接觸通電的方式，利用接觸電阻熱將待焊端面加熱至400℃；回火是在頂鍛維持階段再次通電，利用電阻熱對(duì)電極間的焊件進(jìn)行整體加熱。伴隨二次頂鍛現(xiàn)象（采用頂鍛壓力控制），通過(guò)工藝試驗(yàn)確定最佳回火參數(shù)為：頂鍛后間隔時(shí)間2 s，回火熱量45 kW，持續(xù)時(shí)間0.6 s。

表1 閃光對(duì)焊工藝參數(shù)Table 1 Flash butt welding parameters used

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 接頭低倍形貌及組織特征

典型焊接接頭宏觀形貌如圖1所示。根據(jù)特征，截面可劃分為母材（BM）、熱機(jī)影響區(qū)（TMAZ）和焊縫區(qū)（WZ）三個(gè)部分[5]。不同區(qū)域的顯微組織特征如圖2所示，BM組織為多邊形鐵素體+帶狀貝氏體，硬度190～200 HV；TMAZ組織為再結(jié)晶鐵素體+形變帶狀貝氏體，硬度200～230 HV；WZ組織可細(xì)分為貝氏體區(qū)（B）和鐵素體區(qū)（F），其中B區(qū)特征是沿焊縫界面連續(xù)分布的一層貝氏體帶，硬度不低于230 HV，而F區(qū)是分布于B區(qū)兩側(cè)的以鐵素體為主的相區(qū)，硬度在155～210 HV較大范圍內(nèi)變化，主要取決于其中貝氏體所占比例和晶粒形態(tài)，通常是焊接接頭的薄弱部位[6]。

WZ是在焊接熱循環(huán)中發(fā)生完全奧氏體相變的區(qū)域，并在頂鍛過(guò)程中發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，其獨(dú)特形貌可能與焊接過(guò)程中奧氏體的不均勻轉(zhuǎn)變有關(guān)。閃光焊時(shí)焊縫軸向具有大的溫度梯度和變形能梯度，焊縫中心溫度、形變能最高，過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變由兩側(cè)向焊縫中心進(jìn)行，由于面心立方對(duì)碳的溶解度較體心立方大，相變過(guò)程中伴隨有碳的偏聚，鐵素體首先在WZ兩側(cè)析出，形成F區(qū)，焊縫中心殘留較多的碳，形成B區(qū)。

圖1 焊接接頭典型橫截面低倍形貌Fig.1 Typical macro-structure of the flash butt welded joint

典型拉伸斷裂接頭的金相組織如圖3所示。裂紋貫穿F區(qū)，F(xiàn)區(qū)由于其間僅含有少量的粒狀貝氏體，與含有連續(xù)帶狀貝氏體的母材相比，F(xiàn)區(qū)更容易發(fā)生裂紋的萌生和擴(kuò)展，是整個(gè)焊接接頭最薄弱的部位。試驗(yàn)探究工藝對(duì)焊縫中心組織性能的影響規(guī)律，以期通過(guò)工藝手段減少或消除F區(qū)的不良影響。

圖2 焊接接頭典型顯微組織Fig.2 Typical microstructure of the flash butt welded joint

圖3 典型拉伸斷裂接頭的金相組織Fig.3 Typical microstructure of welded joint of tensile failure

2.2 頂鍛壓力對(duì)焊接接頭組織和性能影響

不同頂鍛壓力對(duì)焊接接頭顯微組織影響如圖4所示，其中虛線所示為WZ寬度。

對(duì)比可知：（1）頂鍛壓力小于65 MPa時(shí)，WZ隨著頂鍛力加大不斷變窄；（2）頂鍛壓力大于65 MPa時(shí)，WZ寬度隨頂鍛壓力增加不再有明顯變化；（3）頂鍛壓力大于72MPa時(shí)，位于焊縫中心的B區(qū)部分或完全消失。

不同頂鍛壓力對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的影響如圖5所示。隨頂鍛壓力提升，接頭抗拉強(qiáng)度先升高后降低，并在頂鍛壓力65 MPa時(shí)達(dá)到最高值552 MPa，但尚未達(dá)到母材強(qiáng)度。

頂鍛壓力提升時(shí)，高溫奧氏體化組織被更多地?cái)D出，冷卻后形成較窄的WZ；但當(dāng)頂鍛壓力達(dá)到一定程度后，這種擠出作用接近極限，故WZ寬度隨壓力提升先減小后不變。焊縫中心B區(qū)的形成與溫度梯度和形變能梯度相關(guān)，當(dāng)頂鍛壓力過(guò)小或過(guò)大時(shí)，焊縫中心的B區(qū)表現(xiàn)為不連續(xù)甚至消失，究其原因：頂鍛量過(guò)小，僅存在溫度梯度，驅(qū)動(dòng)力并不足以使C產(chǎn)生偏聚，同時(shí)因高溫奧氏體化組織沒(méi)有被完全擠出，焊縫中心存在明顯的脫C現(xiàn)象；頂鍛量過(guò)大，高溫奧氏體化組織被大量擠出，反而降低了軸向溫度梯度，C向焊縫中心偏聚的驅(qū)動(dòng)力不足，因而形成均勻析出的等軸貝氏體晶粒。

接頭強(qiáng)度隨WZ寬度減小而升高，這是因?yàn)镕區(qū)（軟化區(qū)）寬度也隨之不斷減?。划?dāng)頂鍛壓力過(guò)大時(shí)，雖然WZ寬度沒(méi)有明顯變化，但由于缺少了B區(qū)的阻隔，裂紋可以貫穿焊縫中心在兩側(cè)的F區(qū)進(jìn)行擴(kuò)展，相當(dāng)于擴(kuò)大了軟化區(qū)的寬度，導(dǎo)致接頭性能降低[7]。

2.3 熱處理制度對(duì)焊接接頭組織和性能影響

圖4 不同頂鍛壓力對(duì)焊接接頭顯微組織影響Fig.4 Effect of different upsetting pressures on microstructures of the welded joints

圖5 頂鍛壓力對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of upsetting pressure on tensile strength of the welded joints

不同熱處理制度對(duì)焊接接頭顯微組織影響如圖6所示。對(duì)比可知：（1）預(yù)熱后WZ寬度明顯減小，同時(shí)WZ周邊的貝氏體能保持帶狀連續(xù)分布形態(tài)；（2）預(yù)熱加回火可得到極窄的WZ，基本消除焊縫中心兩側(cè)的F區(qū)。

預(yù)熱和回火工藝組合對(duì)焊接接頭抗拉強(qiáng)度的影響如圖7所示。通過(guò)熱處理能顯著提高接頭強(qiáng)度，當(dāng)采用預(yù)熱+回火方法時(shí)，焊接試樣平均抗拉強(qiáng)度為575 MPa，拉伸斷裂均位于母材，并為塑性斷裂。

閃光焊焊接過(guò)程中及結(jié)束后焊件均具有較高的軸向溫度梯度，且本試驗(yàn)材料散熱較慢，是發(fā)生C偏聚行為的主要原因。預(yù)熱能改善接頭軸向溫度梯度[8]，軟化TMAZ[9]，促進(jìn)頂鍛擠出作用，在獲得較窄WZ的同時(shí)，降低碳原子偏聚的驅(qū)動(dòng)力，使WZ及周邊區(qū)域保留下較多的連續(xù)帶狀貝氏體。

圖6 不同熱處理制度對(duì)焊接接頭組織影響Fig.6 Effect of different heat treatments on microstructure of the flash welded joints

圖7 預(yù)熱和回火對(duì)焊接接頭抗拉強(qiáng)度的影響Fig.7 Effect of preheating and tempering on tensile strength of the welded joints

頂鍛維持階段添加回火工藝，由于此時(shí)焊縫閉合，接觸電阻消失，回火過(guò)程不再是對(duì)焊縫中心加熱，而是對(duì)電極間試件整體進(jìn)行加熱?；鼗馃彷斎肟刂戚^小時(shí)，可在不明顯提高焊縫中心溫度的情況下均勻提高TMAZ溫度，提高TMAZ的形變能力，引入二次頂鍛現(xiàn)象，使原有的高溫奧氏體化組織被進(jìn)一步擠出，冷卻后形成極窄的WZ，因此也形成了沒(méi)有F區(qū)（軟化區(qū)）的焊接接頭組織，獲得性能優(yōu)異的焊接接頭[10]。

3 結(jié)論

（1）采用調(diào)伸長(zhǎng)度21mm、閃光熱量68kW、閃光速度1 mm/s、閃光留量12 mm、帶電頂鍛時(shí)間0.1 s、頂鍛壓力65 MPa的焊接參數(shù)，并輔以預(yù)熱和焊后回火，可獲得性能優(yōu)異的閃光焊接頭。

（2）焊接接頭中心的鐵素體區(qū)是焊接接頭最薄弱的部位，僅依靠增加頂鍛無(wú)法完全消除鐵素體區(qū)，通過(guò)采用預(yù)熱和回火工藝可得到?jīng)]有鐵素體區(qū)的接頭組織，滿足強(qiáng)度要求。

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Effect of flash butt welding parameters on microstructure and property of weld joints of corrosion resistant rebar HRB400M

LI Jingwei，ZHANG Yu，ZHANG Jianchun，WANG Na，MA Han
（Institute of Research of Iron and Steel，Shasteel，Zhangjiagang 215625，China）

Flash butt welding was applied to corrosion-resistant rebar HRB400M with a diameter of 25 mm，and microstructure and property of the welded joints were investigated.The optimum welding parameter includes out of fixture length of 21mm，flash heat output of 68 kW，flash speed of 0.8 mm/s，flash allowance distance of 12 mm，electric upsetting time of 0.1 s，upsetting pressure of 65 MPa，along with preheating and post-weld tempering process.The ferrite area on both sides of the welded joint center line is the weakest part，which can be eliminated by adjustment of welding parameters.

corrosion-resistant rebar HRB400M；flash butt welding；microstructure；tensile property

TG457.11

A

1001－2303（2017）03－0027-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.03.05

獻(xiàn)

李經(jīng)緯，張宇，張建春，等.閃光對(duì)焊工藝對(duì)耐蝕螺紋鋼HRB400M焊接接頭組織和性能的影響[J].電焊機(jī)，2017，47（03）：27-31.

2016-08-22；

2016-10-20

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金——前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目資助（BY2013091）

李經(jīng)緯（1988—），男，安徽宿州人，碩士，主要從事鋁/鋼異種金屬摩擦焊技術(shù)、高合金鋼閃光對(duì)焊技術(shù)的研究工作。