Ni對600 MPa級高強鋼焊縫組織和性能的影響

（廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510300）

Ni對600 MPa級高強鋼焊縫組織和性能的影響

官春平

（廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510300）

通過改變氣保護藥芯焊絲中Ni元素的添加量，研究Ni元素對600 MPa級高強鋼焊縫組織和性能的影響。研究表明：當(dāng)w（Ni）為1.0%時，焊縫組織為針狀鐵素體和粒狀貝氏體，-20℃低溫沖擊韌性達到69 J；隨著w（Ni）的增加，焊縫金屬強度逐漸提高，而韌性則先下降后上升。適當(dāng)Ni元素有利于提高焊縫金屬的低溫韌性。

氣保護藥芯焊絲；600 MPa高強鋼；Ni元素

0 前言

600 MPa級高強鋼材料因其強度較高、沖擊韌性良好、機械加工性能優(yōu)異的優(yōu)點廣泛應(yīng)用于石油管道、壓力容器、船舶和汽車等領(lǐng)域。實踐表明，高強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)。因此，在保證焊接接頭強度的前提下提高焊接接頭的韌性是焊接技術(shù)研究的熱點之一[1-3]。

Ni是奧氏體形成與穩(wěn)定化元素，它通過細(xì)化奧氏體晶粒，促進針狀鐵素體形成，降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度，從而提高金屬低溫沖擊韌性。楊功斌等人[4]設(shè)計了兩種Ni含量不同的氣保護藥芯焊絲，在富氬氣氛中以16Mn為母材進行焊接實驗，焊后測試其力學(xué)性能可知：在-20℃時，高Ni焊絲的低溫沖擊功較高，可達125 J；在-50℃時，低Ni焊絲低溫沖擊功可達 87 J。Evan、Bhole等人[5-6]研究發(fā)現(xiàn)，不同 Mn含量下，針狀鐵素體的形成差異明顯，高強鋼焊接接頭達到最佳韌性值的Ni含量存在較大差異。因此，焊材中Ni元素含量是困擾焊接材料研發(fā)的重要問題。

本研究選用600 MPa級高強鋼921A板材作為母材，制備3種不同Ni含量的藥芯焊絲，在富氬氣體保護下進行多層多道焊接，探傷合格后檢驗焊接接頭微觀組織和力學(xué)性能，研究不同Ni含量對焊接接頭組織和性能的影響，為研制綜合性能優(yōu)良的氣保護藥芯焊絲提供試驗和理論依據(jù)。

1 實驗材料及方法

為研究添加不同Ni含量對600 MPa高強鋼氣保護藥芯焊絲韌性的影響規(guī)律，制備3種不同Ni含量的氣保護藥芯焊絲，如表1所示。氣保護藥芯焊絲采用TiO2-SiO2-Al2O3-MgO熔渣體系，藥芯中除Ni含量不同外，其余元素添加量均相同。焊絲直徑1.2 mm，制備10 kg。

表1 不同Ni含量氣保護藥芯焊絲

將制備好的3種藥芯焊絲分別在921A鋼上施焊，熔敷金屬焊接接頭按照GB/T 17493-2008標(biāo)準(zhǔn)在平焊位置進行多層多道焊。坡口和試驗取樣如圖1所示。電源極性為直流反接，保護氣體為φ（Ar）82%+φ（CO2）18%混合氣體，氣體流量18L/min，焊絲伸長量20～25 mm，焊接參數(shù)如表2所示。焊后分別對焊縫金屬進行微觀組織觀察和力學(xué)性能測試。焊接接頭經(jīng)過磨制、拋光后，用4%硝酸酒精腐蝕10 s，采用Zeiss光學(xué)顯微鏡觀察焊縫金屬的顯微組織，使用Zeiss EV018掃描電鏡觀察金相組織晶粒大小及各組織分布情況，利用ZBC34525-A擺錘沖擊試驗機進行-20℃低溫沖擊試驗，用萬能試驗機進行拉伸實驗。

圖1 熔敷金屬試驗坡口和試樣加工

表2 熔敷金屬焊接試驗參數(shù)

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 顯微組織

不同Ni含量的藥芯焊絲熔敷金屬金相組織如圖2所示。Ni含量較低的GS-Ni-1焊絲熔敷金屬組織主要為粒狀貝氏體和針狀鐵素體，隨著Ni含量增加，金相組織中的針狀鐵素體逐漸消失，在GS-Ni-2組織中僅有少量針狀鐵素體，而片狀馬氏體組織逐漸增多。當(dāng)Ni含量繼續(xù)增加，GS-Ni-3焊絲的組織已轉(zhuǎn)變?yōu)楹蠱-A組元（M-A Constitution或稱馬氏體-奧氏體島）的粒狀貝氏體和板條狀馬氏體。由圖2可知，隨著Ni含量的增加，金相組織晶粒尺寸逐漸增大，同時組織由韌性較好的貝氏體+針狀鐵素體向韌性較差的馬氏體+M-A組元轉(zhuǎn)變。

圖2 不同Ni含量藥芯焊絲熔敷金屬金相組織

為觀察金相組織晶粒大小及各組織分布情況，分別對3種焊絲的熔敷金屬進行SEM分析，結(jié)果如圖3所示。對比三者的SEM圖可知，隨著Ni含量的增加，晶粒尺寸不斷增加，且各相組織變化明顯，從最初的粒狀貝氏體+針狀鐵素體向片狀馬氏體+針狀鐵素體過渡，最終轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂旭R氏體-奧氏體島的粒狀貝氏體和板條狀馬氏體組織。GS-Ni-1組織中的針狀鐵素體寬度為1 μm，粒狀貝氏體長度約為1～2 μm。GS-Ni-2組織中的針狀鐵素體寬度增加至2 μm，而GS-Ni-3組織中板條狀馬氏體寬度達到約 3～4 μm。

圖3 不同Ni含量藥芯焊絲熔敷金屬SEM圖

2.2 力學(xué)性能

Ni含量的增加對焊縫金屬組織的影響最終體現(xiàn)在力學(xué)性能上。3種不同焊絲制備的熔敷金屬力學(xué)性能（包括屈服強度、拉伸強度、延伸率及-20℃低溫沖擊功）如圖4所示。

圖4 不同Ni含量藥芯焊絲熔敷金屬力學(xué)性能

增加Ni含量能顯著改善焊縫金屬的韌性。w（Ni）為1.0%時，焊縫金屬獲得較高韌性，屈服強度達到619 MPa，拉伸強度達到665 MPa，延伸率為 26%，-20℃低溫沖擊功即達到69 J。但w（Ni）含量進一步增加時，焊縫金屬韌性并未隨之增加。當(dāng)w（Ni）為1.5%時，焊縫金屬韌性顯著下降，延伸率下降至21%，-20℃低溫沖擊功下降至43 J。焊縫金屬韌性的下降與焊縫組織隨著Ni含量增加晶粒逐漸變粗大以及微觀組織中觀察到的韌性較差組織有關(guān)。繼續(xù)增加Ni含量，焊縫金屬韌性又繼續(xù)升高，-20℃低溫沖擊功達到57 J。隨著Ni含量的增加，焊縫組織拉伸強度逐漸升高，但w（Ni）增加到1.5%后，強度未繼續(xù)升高，焊縫金屬屈服強度達到630 MPa，抗拉強度達到718 MPa；當(dāng) w（Ni）增加到 2.0%時，焊縫金屬屈服強度達到645 MPa，抗拉強度達到695 MPa。

為研究焊縫組織在拉伸斷裂過程中的斷裂行為，分別對拉伸斷口進行形貌分析。拉伸斷口宏觀照片及不同區(qū)域SEM圖如圖5所示，焊縫斷口為纖維狀的韌性斷裂特征組織，且韌窩組織較為均勻。纖維區(qū)主要為空洞核的韌窩及少量尺寸大小不一的圓形夾雜物，大韌窩組織分布較多。放射區(qū)為深度較淺的等軸韌窩，韌窩組織大小不一，以小韌窩包圍著較少比例的大韌窩組織。測試區(qū)域內(nèi)未觀察到夾雜物存在于韌窩組織中。

圖5 不同Ni含量藥芯焊絲熔敷金屬拉伸斷口SEM圖

Ni元素含量影響著焊縫金屬的組織和性能。一般認(rèn)為Ni元素的增加會提高材料的屈服強度，這是因為C和Ni不能形成碳化物而多以互溶形式存在于鋼的α相和γ相中，通過細(xì)化晶粒促進強度提高。此外，Ni元素對焊縫中的夾雜物具有球化作用。這些夾雜物在基體中往往成為針狀鐵素體的形核質(zhì)點，促進針狀鐵素體形核，增加針狀鐵素體數(shù)量。針狀鐵素體具有非常細(xì)小的晶粒尺寸和高密度位錯，因此強韌性較高[7-10]。但是文獻多認(rèn)為Ni含量的過度增加不利于韌性。Keehan等人[11]理論計算并實驗驗證了Ni和Mn元素對韌性的影響。在0.05%w（C）和2%w（Mn）含量的基礎(chǔ)上，過量的 Ni元素提高了組織淬硬性，形成了大量馬氏體和粗大貝氏體，降低韌性。Kang[12]研究認(rèn)為，Ni含量的提高導(dǎo)致殘余奧氏體含量增加，粗大的奧氏體柱狀晶晶界容易出現(xiàn)沿晶斷裂。Ni含量增多也加大M-A組元形成傾向。一方面Ni通過提高淬透性增加了MA組元形成幾率；另一方面，高Ni含量促進雜質(zhì)元素的偏聚，有利于M-A組元的形成。因此對高強鋼有低溫韌性要求時，可適當(dāng)添加Ni來韌化焊縫金屬，在一定程度上提高焊縫金屬低溫韌性。

3 結(jié)論

通過改變氣保護藥芯焊絲中Ni含量進行921A鋼板焊接，并觀察顯微組織和檢測力學(xué)性能，探究不同Ni含量對600 MPa級高強鋼焊縫組織及性能的影響。

（1）w（Ni）為 1.0% 時，焊縫金屬組織為針狀鐵素體和粒狀貝氏體，組織較為均勻，焊縫力學(xué)性能優(yōu)良，屈服強度達到619 MPa，拉伸強度達到665 MPa，延伸率為26%，-20℃低溫沖擊功達到69 J，低溫沖擊韌性最優(yōu)。

（2）隨著Ni含量的增加，焊縫金屬組織中馬氏體和殘余奧氏體組織增多，但拉伸強度并未隨著Ni含量的增加而升高。w（Ni）為1.5% 時，焊縫金屬屈服強度達到630 MPa，抗拉強度達到718 MPa；w（Ni）增加到2.0%時，焊縫金屬屈服強度達645MPa，抗拉強度達到695 MPa。

（3）適當(dāng)Ni元素有利于提高焊縫金屬的低溫韌性。當(dāng)w（Ni）為1%時，焊縫金屬的低溫沖擊韌性最佳，-20℃低溫沖擊功為69 J；隨著Ni元素含量的增加，焊縫金屬低溫沖擊韌性先降低后回升，在實驗設(shè)計范圍內(nèi)，低溫沖擊功最低降至43 J。

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Effect of Ni on microstructure and properties of welds in 600 MPa grade high strength steel

GUAN Chunping
（Guangdong Industry Polytechnic，Guangzhou 510300，China）

The effect of Ni on the microstructure and properties of 600 MPa grade high strength steel welds is studied by changing the amount of Ni element in the gas shielded flux cored wire.The results show that when the amount of Ni element is 1.0%，the microstructure of welds is acicular ferrite and granular bainite，and the low temperature impact toughness at-20 ℃ is 69 J.With the increase of Ni elements，the strength of weld metal enhances gradually，while toughness decreases at first and then increases.

gas shielded flux cored wire；600 MPa grade high strength steel；Ni element

TG406

A

1001－2303（2017）11－0120-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.11.25

本文參考文獻引用格式：官春平.Ni對600 MPa級高強鋼焊縫組織和性能的影響[J].電焊機，2017，47（11）：120-124.

2017-05-26

官春平（1975—），男，高級工程師，碩士，主要從事機械制造及其自動化的研究。E-mail：13570275065@163.com。