焊接熱輸入對(duì)焊縫晶粒取向及力學(xué)性能的影響研究*

賈金龍，馮 毅，蔣成燕，龔成功，劉 富

(蘭州工業(yè)學(xué)院 材料工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

Q235鋼由于含碳量適中，綜合性能較好，強(qiáng)度、塑性和焊接等性能得到較好配合，在工程機(jī)械領(lǐng)域用途廣泛，同時(shí)也是焊接技術(shù)與工程及相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)選用的鋼材。

但是在工程操作和焊接實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，相關(guān)教材和文獻(xiàn)只注意到焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響[1-5]這種影響到底到什么程度，其微觀組織如何變化，晶粒取向、力學(xué)性能等變化并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性和相關(guān)數(shù)據(jù)的支持。由于沒(méi)有相關(guān)數(shù)據(jù)證明，導(dǎo)致在實(shí)際操作過(guò)程中，相關(guān)人員對(duì)焊接參數(shù)尤其是焊接速度和熱輸入的變化不以為然，隨意更改，從而導(dǎo)致焊縫質(zhì)量不符合要求。

筆者試圖通過(guò)改變焊接熱輸入的大小，觀察在不同的焊接速度下，焊縫晶粒取向及力學(xué)性能的變化，得出結(jié)論，從而讓相關(guān)人員能直觀看到熱輸入和焊接速度改變后，晶粒取向和力學(xué)性能的變化，使其在以后的工作中，能夠重視焊接工藝規(guī)程中規(guī)定的參數(shù)，從而嚴(yán)格按照參數(shù)操作，從而提高焊接質(zhì)量；對(duì)于焊接責(zé)任工程師而言，也可以掌握晶粒取向和力學(xué)性能的變化規(guī)律，便于在工作中進(jìn)行焊接工藝評(píng)定時(shí)按照規(guī)律編制焊接工藝指導(dǎo)書(shū)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料采用國(guó)內(nèi)工程領(lǐng)域最常用的材料Q235鋼，室溫下其屈服強(qiáng)度為235 MPa，抗拉強(qiáng)度為370～500 MPa，試板厚度10 mm，坡口形式為I形，用埋弧焊進(jìn)行焊接，焊絲為H08Mn2SiA，焊絲直徑2.0 mm，焊劑采用為HJ431。采用4種不同的焊接規(guī)范施焊，其焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1。從接頭處切取制備金相試樣，經(jīng)砂紙研磨拋光后，用4%硝酸酒精腐蝕顯示基體組織，利用上海長(zhǎng)方CMM-55E型金相光學(xué)顯微鏡觀察分析焊接接頭微觀組織，金相照片的拍攝按照如圖1所示劃分的網(wǎng)格進(jìn)行，沿著焊縫中心向左依次拍了I、II、III、IV、V、VI；向右依次拍了①、②、③、④、⑤、⑥。以這樣的方法從下到上總共拍了五層，然后將其拼湊成一張圖片，就可以觀察到晶粒取向規(guī)律。

表1 焊接工藝參數(shù)

焊接接頭拉伸試驗(yàn)按照GB/T2651-2008《焊縫接頭拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行。拉伸試驗(yàn)機(jī)為UTM5305型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

圖1 焊接接頭金相照片拍攝網(wǎng)格劃分

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊縫晶粒取向

由于Q235鋼對(duì)熱輸入不敏感，而且焊接參數(shù)變化不大的情況下，其焊縫中心到熔合區(qū)之間的等軸晶區(qū)、樹(shù)枝晶、胞狀晶、平面晶等晶粒度變化不大，且焊接接頭各個(gè)區(qū)域的組織及其形態(tài)變化不大。因此，本文從宏觀界面入手，觀察晶粒取向的變化。

1號(hào)試樣焊接接頭晶粒取向圖如圖2所示，焊接速度最小，熱輸入最大，4號(hào)試樣焊接接頭晶粒取向圖如圖3所示，焊接速度最大，熱輸入最小。從圖中可以看出1號(hào)試樣柱狀晶主軸方向與焊接方向的夾角較小，而4號(hào)試樣柱狀晶主軸方向與焊接方向的夾角較大，這是由于隨著焊接速度的提高，熔池被拉長(zhǎng)，熔池末端邊界任一點(diǎn)的法向與焊接方向的夾角增大，也就是說(shuō)，在較大的焊接速度下，熔池后端邊界的曲率越來(lái)越小，而晶粒長(zhǎng)大通常情況下是沿著與散熱方向相反的方向以柱狀形態(tài)向焊接熔池中心生長(zhǎng)的，即由熔池邊緣指向熔池中心溫度最高處，直至這種柱狀晶粒不斷長(zhǎng)大以至相互接觸，液體金屬全部凝固時(shí)，結(jié)晶過(guò)程才結(jié)束。所以當(dāng)焊接速度大時(shí)焊縫柱狀晶主軸越來(lái)越直，直至接近垂直于焊接方向，如圖4(a)所示，當(dāng)焊接速度小時(shí)柱狀晶呈人字形向焊縫中心生長(zhǎng)，如圖4(b)所示。

圖2 1號(hào)試樣焊接接頭 圖3 4號(hào)試樣焊接接頭晶 晶粒取向金相照片 粒取向金相照片

2.2 焊縫力學(xué)性能

表2為四個(gè)試樣按照GB/T2651-2008《焊縫接頭拉伸試驗(yàn)方法》拉伸后的力學(xué)性能值。從表中可以看出，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度與母材金屬差別不大，這是由于Q235鋼的焊接選用H08Mn2SiA，屬于高錳焊絲，其強(qiáng)度略高于Q235，因此，在力學(xué)性能試驗(yàn)中，斷裂處全部都在熱影響區(qū)，無(wú)法反映出焊縫實(shí)際情況，在后續(xù)的研究中需要選用低強(qiáng)度匹配的材料進(jìn)行研究。

圖4 焊接速度對(duì)焊縫晶粒取向的影響

/MPa

3 結(jié) 論

(1) 在本試驗(yàn)條件下，焊接接頭各個(gè)區(qū)域的組織及其形態(tài)變化不大。

(2) 焊接速度8.3 mm/s-1時(shí)，焊縫柱狀晶主軸與焊接方向的夾角較大，其晶粒方向接近垂直于焊接方向，焊接速度5.8 mm/s-1時(shí)，焊縫柱狀晶主軸與焊接方向的夾角較小，柱狀晶呈人字形向焊縫中心生長(zhǎng)。

(3) 在低碳鋼焊接時(shí)，由于采用等強(qiáng)度匹配，焊接接頭的力學(xué)性能結(jié)果不能直觀反映焊縫的晶粒取向，需要更換焊接材料，進(jìn)一步試驗(yàn)。

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