微合金元素鎳和鈮對(duì)金屬粉芯焊絲焊接接頭性能的影響

劉政軍 裘榮鵬 武 丹 蘇允海

(沈陽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽110870)

微合金元素鎳和鈮對(duì)金屬粉芯焊絲焊接接頭性能的影響

劉政軍 裘榮鵬 武 丹 蘇允海

(沈陽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽110870)

在自行研制的高強(qiáng)鋼金屬粉芯焊絲的基礎(chǔ)上，通過拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)等方法分別研究了微合金元素鎳和鈮對(duì)高強(qiáng)鋼焊接接頭力學(xué)性能的影響，并結(jié)合金相分析、掃描電鏡分析、化學(xué)成分分析等方法從組織和成分的角度對(duì)兩種微量合金元素的影響機(jī)理進(jìn)行了合理的解釋。結(jié)果表明，微合金元素鎳具有增加焊縫組織中貝氏體和馬氏體組織含量從而提高焊接接頭強(qiáng)度的作用，并能促進(jìn)針狀鐵素體形成而改善接頭低溫沖擊韌性；微合金元素鈮同樣具有促進(jìn)焊縫組織形成針狀鐵素體作用，同時(shí)通過細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化提高接頭的抗拉強(qiáng)度。

金屬粉芯焊絲 高強(qiáng)鋼 Ni Nb針狀鐵素體

0序 言

低合金高強(qiáng)度鋼具有強(qiáng)度高、可有效減輕設(shè)備自重、高使用壽命、高工作效率，以及降低原材料消耗等優(yōu)點(diǎn)而廣泛的應(yīng)用在工程機(jī)械、高層建筑、油氣運(yùn)輸、海洋設(shè)施和壓力容器制造等行業(yè)中[1-3]。在建筑行業(yè)中，工程結(jié)構(gòu)不斷向超高層和大跨度方向發(fā)展，因此對(duì)鋼材的強(qiáng)度級(jí)別要求越來越高。但隨著鋼材強(qiáng)度級(jí)別的提高，其冶煉軋制工藝和化學(xué)成分等與普通強(qiáng)度級(jí)別鋼材有了較大的差別，造成高強(qiáng)鋼的焊接難度大，容易產(chǎn)生缺陷，尤其是其低溫沖擊韌性很難保證，因此對(duì)焊接材料也提出了更高的技術(shù)要求。高強(qiáng)鋼焊接要實(shí)現(xiàn)接頭良好的強(qiáng)韌性匹配，可以通過控制焊縫金屬的成分獲得良好韌性的組織來實(shí)現(xiàn)[4-5]。在這方面，焊絲因成分易于調(diào)節(jié)而具有優(yōu)勢(shì)，特別是金屬粉芯焊絲。金屬粉芯焊絲具有無渣或低渣性、良好的操作性、熔敷效率高等優(yōu)點(diǎn)，尤其是合金成分的過渡系數(shù)高，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫金屬成分的有效控制[6-7]。據(jù)研究，Ni元素是奧氏體穩(wěn)定化元素，可通過固溶強(qiáng)化來提高強(qiáng)度，具有細(xì)化晶粒、降低沖擊轉(zhuǎn)變溫度作用而改善低溫沖擊韌性。Nb元素在焊縫金屬中具有細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化的作用而提高強(qiáng)度和韌性[8-9]。因此，文中在自行研制的960 MPa高強(qiáng)鋼金屬粉芯焊絲成分中加入微量Ni和Nb元素，研究不同Ni和Nb的含量對(duì)高強(qiáng)鋼焊接接頭力學(xué)性能和組織的影響，尋求提高接頭強(qiáng)度和低溫沖擊韌性的方法。

1試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑槲桎摦a(chǎn)的WQ960鋼，尺寸為300 mm× 100 mm×10 mm，其化學(xué)成分見表1。金屬粉芯焊絲為自行制備，由寶鋼產(chǎn)SPCC鋼帶經(jīng)軋制、拉拔而成，鋼帶尺寸為10 mm×0.3 mm。焊絲成分中主要合金體系為Mn-Mo-Cr，分別以電解錳粉、鉬粉和金屬鉻的形式加入，微合金元素Ni和Nb以鎳粉和鈮鐵形式加入，其余成分還包括鈦粉、硼鐵、鋁粉和鐵粉，粒度均在150～ 180 μm之間，使用前經(jīng)150℃×5 h烘干以去除粉體中的水分。

表1 Q960鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

C Si Mn Cr Ni Mo Nb Ti B 0.18 0.5 1.6 0.8 1.0 0.6 0.05 0.03 0.005

焊接前母材需經(jīng)刨床開60°V形坡口，坡口兩側(cè)30～50 mm需打磨露出金屬光澤，并用丙酮清除油污。焊接時(shí)采用鎢極氬弧焊，平焊位置5層7道焊接；焊接電流為190～250 A，電弧電壓為28～32 V，氣體流量為18～20 L/min，焊絲伸出長度為12～15 mm，層間溫度控制在100℃左右。焊后按照GB/T 17493—2008《低合金鋼藥芯焊絲》標(biāo)準(zhǔn)制備試驗(yàn)試樣，拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)分別按照GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗(yàn)方法》和GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，低溫沖擊試驗(yàn)溫度分別為0℃，-20℃，-40℃和-60℃。沖擊試驗(yàn)采用夏比V形缺口，其位置為焊縫中心，斷口在JSM-6460 OLV型掃描電子顯微鏡上觀察。焊接接頭金相試樣位置為垂直于焊縫橫截面，研磨后用4%硝酸酒精溶液腐蝕10～15 s，在奧林巴斯GX-51顯微鏡下觀察。焊縫金屬中各元素化學(xué)成分是通過鉆粉法測量。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Ni對(duì)焊縫金屬組織及接頭性能的影響不同

Ni含量的高強(qiáng)鋼金屬粉芯焊絲焊接接頭抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率如圖1所示。為保證試驗(yàn)結(jié)論的可靠性，每種Ni含量取3個(gè)拉伸試樣，算其平均值畫圖。從圖中可以看出，焊縫金屬中添加Ni元素能夠顯著提高高強(qiáng)鋼焊接接頭的抗拉強(qiáng)度，且隨著Ni含量的不斷增加，強(qiáng)度呈小幅度增加，最大強(qiáng)度可達(dá)1 021 MPa。但高強(qiáng)鋼焊接接頭斷后伸長率隨著焊縫金屬中Ni含量的增加而持續(xù)下降，尤其是當(dāng)Ni含量大于1.22%后下降明顯。

表2和圖2為不同溫度下不同Ni含量高強(qiáng)鋼金屬粉芯焊絲焊接接頭焊縫處沖擊吸收能量，每種Ni含量取5個(gè)沖擊試樣，取其平均值畫圖。在每一個(gè)溫度下，接頭沖擊吸收能量均呈現(xiàn)出隨著Ni元素的加入而提高，當(dāng)Ni含量達(dá)1.22%后降低的趨勢(shì)，可見在一定范圍內(nèi)Ni元素加入到焊縫金屬中確有提高接頭沖擊韌性的作用。按GB/T 17493—2008《低合金鋼藥芯焊絲》標(biāo)準(zhǔn)，即使在試驗(yàn)溫度為-60℃時(shí)，焊縫金屬中Ni元素含量為1.22%的沖擊吸收能量值仍為27.9 J，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。

圖1不同Ni含量的焊接接頭抗拉強(qiáng)度及斷后伸長率

圖3為焊縫金屬中沒有Ni元素與焊縫金屬中含1.22%Ni元素的焊接接頭焊縫區(qū)顯微組織照片。當(dāng)焊縫金屬中沒有微量合金元素Ni的時(shí)候，接頭焊縫處的顯微組織由鐵素體、貝氏體和少量針狀鐵素體組成。與之相比，當(dāng)焊縫金屬中Ni元素含量為1.22%時(shí)其組織中出現(xiàn)了馬氏體組織，同時(shí)貝氏體和針狀鐵素體組織逐漸增多。據(jù)研究證明[10]，當(dāng)焊縫金屬中馬氏體和貝氏體含量增加時(shí)會(huì)顯著提高焊接接頭的強(qiáng)度和硬度，但會(huì)降低塑形和韌性。同時(shí)，當(dāng)焊縫金屬中有針狀鐵素體的時(shí)候，因針狀鐵素體組織為大角度晶界，會(huì)增加斷裂時(shí)裂紋擴(kuò)展路徑，使焊接接頭沖擊韌性提高，尤其是對(duì)接頭低溫沖擊韌性有很大的改善作用。當(dāng)焊縫金屬中Ni元素含量超過1.22%后，焊接接頭的強(qiáng)度繼續(xù)小幅度增加，但塑形、韌性顯著下降，主要原因是在焊縫組織中貝氏體和馬氏體含量增加的影響超過了針狀鐵素體的細(xì)化作用和對(duì)韌性的改善作用。

表2 Ni元素含量不同時(shí)不同溫度下焊接接頭沖擊吸收能量

圖2焊接接頭沖擊吸收能量變化曲線

圖3焊縫金屬顯微組織

圖4為焊縫金屬中無Ni元素與含1.22%Ni元素的焊接接頭焊縫處沖擊試樣斷口掃描照片?？梢钥闯?，當(dāng)焊縫金屬中沒有微量合金Ni元素的時(shí)候，沖擊試樣在25～-60℃之間斷口均為解理斷口，呈現(xiàn)河流狀花樣，且隨著試驗(yàn)溫度的降低，斷口愈發(fā)呈現(xiàn)脆性特征。當(dāng)焊縫金屬中添加1.22%Ni元素后，在各試驗(yàn)溫度下斷口呈現(xiàn)出韌性斷口特征，有大量的韌窩和撕裂棱，但隨著試驗(yàn)溫度的降低，韌窩數(shù)量逐漸減少，韌窩變淺，局部出現(xiàn)脆性斷裂特征。

2.2 Nb對(duì)焊縫金屬組織及接頭性能的影響

圖5為不同Nb含量對(duì)高強(qiáng)鋼焊絲焊接接頭抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率的影響結(jié)果。從圖中可見，當(dāng)焊縫金屬中微量合金Nb元素含量不高時(shí)，隨著Nb元素含量的增加焊接接頭抗拉強(qiáng)度略有增加，變化不大；但當(dāng)焊縫金屬中微量合金Nb元素達(dá)到0.05%之后，焊接接頭抗拉強(qiáng)度顯著增加。與之相比，焊接接頭斷后伸長率隨焊縫金屬中微量合金Nb元素的增加先是呈增加趨勢(shì)，當(dāng)焊縫金屬中Nb元素含量達(dá)到0.05%之后，接頭斷后伸長率呈明顯下降趨勢(shì)。圖6和表3為不同Nb含量高強(qiáng)鋼焊絲焊接接頭在不同試驗(yàn)溫度下的沖擊吸收能量。從表3中可以看出，當(dāng)焊縫金屬中微量Nb元素含量在0.03%～0.09%時(shí)，在-60℃的溫度下，焊接接頭焊縫處沖擊吸收能量仍然可以達(dá)到GB/T 17493—2008《低合金鋼藥芯焊絲標(biāo)準(zhǔn)》要求。從圖6中可以看到，在每個(gè)試驗(yàn)溫度下，焊接接頭焊縫處沖擊吸收能量均隨著焊縫金屬中Nb元素含量的增加先是增加而后降低，均是當(dāng)焊縫金屬中Nb元素含量為0.05%時(shí)達(dá)到最大值。

圖4沖擊試樣斷口形貌

表3 Nb元素含量不同時(shí)不同溫度下焊接接頭沖擊吸收能量

圖7為焊縫金屬中無Nb元素和含0.05%Nb元素的金相組織照片。當(dāng)焊縫金屬中無Nb元素時(shí)，組織主要由鐵素體和珠光體組成，含有少量貝氏體。當(dāng)焊縫金屬中含有0.05%Nb元素時(shí)，焊縫金屬中存在大量的針狀鐵素體組織，還有板條鐵素體和塊狀鐵素體組織，且晶粒明顯細(xì)化。如前所述，針狀鐵素體組織可有效改善焊接接頭的韌性和塑形，尤其是低溫沖擊韌性，因而在各試驗(yàn)溫度下0.05%Nb元素含量的沖擊吸收能量值最大。這是因?yàn)镹b元素在焊縫金屬中可以延遲奧氏體再結(jié)晶，降低相變溫度，因而促進(jìn)針狀鐵素體的形成。但是在較大的冷卻速度下，含有Nb元素的焊縫組織中容易形成貝氏體，同時(shí)Nb元素在焊縫金屬中可形成細(xì)小的碳化物和氮化物，抑制奧氏體晶粒長大，從而細(xì)化鐵素體晶粒，在鐵素體中沉淀析出，通過固溶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化和析出強(qiáng)化來提高焊接接頭的強(qiáng)度，因而焊接接頭強(qiáng)度大幅度提高[11-12]。

圖7焊縫金屬顯微組織

圖8為不同溫度下焊縫金屬中無Nb元素和含0.05%微量Nb元素高強(qiáng)鋼焊絲焊接接頭焊縫處沖擊試樣斷口掃描照片?？梢?，當(dāng)焊縫金屬中無Nb元素時(shí)，沖擊斷口除常溫沖擊外，基本為脆性斷口特征，略有少量韌窩；當(dāng)焊縫金屬中加入微量合金元素Nb時(shí)，其各試驗(yàn)溫度下沖擊斷口具有韌窩特征，為韌性斷口，且當(dāng)焊縫中含0.05%微量Nb元素時(shí)，韌窩較深，有大量撕裂棱?？梢?，加入微量合金元素Nb確有提高焊接接頭沖擊韌性的能力。

圖8沖擊試樣斷口形貌

3結(jié) 論

(1)高強(qiáng)鋼金屬粉芯焊絲中加入微量合金元素Ni可提高焊接接頭的抗拉強(qiáng)度，但會(huì)降低塑形。但合適的加入量會(huì)因組織中形成大量的針狀鐵素體而有效改善接頭的低溫沖擊韌性，在沖擊溫度為-60℃時(shí)仍可滿足要求。

(2)微合金元素Ni對(duì)高強(qiáng)鋼焊接接頭強(qiáng)度和韌性的影響主要與組織中的貝氏體、馬氏體與針狀鐵素體的比例有關(guān)。其中，貝氏體和馬氏體增多會(huì)顯著提高接頭的強(qiáng)度，而針狀鐵素體影響著焊接接頭的沖擊吸收能量，尤其是低溫沖擊吸收能量。

(3)高強(qiáng)鋼金屬粉芯焊絲中加入微量合金元素Nb可通過細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化作用而提高焊接接頭強(qiáng)度，通過促進(jìn)針狀鐵素體的形成而提高低溫沖擊韌性。Nb元素最佳的加入量為0.05%左右。

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劉政軍，1962年出生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，中國焊接學(xué)會(huì)理事。主要從事焊接冶金、特種焊接材料及表面強(qiáng)化等方面的研究，先后承擔(dān)國家省市級(jí)科委等科研項(xiàng)目23項(xiàng)，已發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇。

《焊接》雜志經(jīng)過多項(xiàng)學(xué)術(shù)指標(biāo)綜合評(píng)定及同行專家評(píng)議推薦，被收錄為“中文核心期刊”及“中國科技核心期刊”(中國科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊)，是焊接行業(yè)獨(dú)家“雙核心”技術(shù)類期刊。

2017-03-22

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