焊接工藝對薄規(guī)格汽車罐體鋼焊接接頭組織性能的影響

李 斌，張志強，賈改風(fēng)，柳風(fēng)林，李紅俊

(河鋼邯鋼技術(shù)中心，河北 邯鄲 056003)

汽車罐體用鋼主要用來制造油罐車、粉罐車、混凝土攪拌罐車的罐體[1]，罐體加工過程為原料鋼卷開平后通過鋼板拼焊、筒節(jié)縱焊、筒節(jié)組對焊三步將鋼板焊接成完整的罐體[2]，材料焊接質(zhì)量的好壞直接影響了罐體的使用效果。河鋼邯鋼結(jié)合熱軋產(chǎn)線設(shè)備能力和工藝特點，先后在2250和CSP兩條產(chǎn)線開發(fā)出力學(xué)性能穩(wěn)定、成型性良好的低成本鈦微合金化高強罐體鋼620JJ，廣泛應(yīng)用于山東、河南、河北等周邊商用車制造領(lǐng)域。由于各類罐體汽車的服役環(huán)境復(fù)雜多變，運輸介質(zhì)涵蓋混凝土、石灰粉、油液等各類工業(yè)原料，汽車在行駛過程中，罐體除了承受較大的應(yīng)力外，還要經(jīng)受沖擊、磨損等多種不穩(wěn)定外力作用[3]。作為罐體可能的薄弱環(huán)節(jié)，焊縫及熱影響區(qū)的拉伸性能、韌性和硬度對罐體的服役壽命有重要影響。本文進行了氣保焊、二保焊、埋弧焊三種焊接工藝試驗，并對鋼板對接接頭焊縫、熱影響區(qū)和母材的拉伸性能、沖擊性能、硬度、組織進行了檢驗和分析，為600 MPa級鈦微合金化高強罐體鋼的焊接工藝選擇提供參考。

1 焊接試驗

母材為邯鋼2250產(chǎn)線生產(chǎn)的3.0 mm厚620JJ，其化學(xué)成分和拉伸性能見表1。樣板組織為鐵素體+少量珠光體，晶粒度在10.5～11級。

試驗條件參考某供貨廠家目前的焊接工藝，對焊鋼板間距1.5 mm，焊接前對接頭區(qū)域進行了清理打磨，焊接前鋼板不進行預(yù)熱，然后根據(jù)同強度匹配的原則選擇化學(xué)成分相近的焊絲，分別進行了氣保焊、二保焊、單面埋弧單面二保焊三種焊接工藝的試驗，按照板厚選擇單面單道次焊接。具體焊接工藝見表2，焊接道次示意見圖1。

設(shè)備使用Phoenix521氣保護焊機和DC-1000埋弧焊機。試驗過程發(fā)現(xiàn)由于鋼板厚度較小，人工埋弧焊時對兩塊鋼板沿焊接走向板厚方向的對齊程度要求較高，否則存在焊穿的風(fēng)險?，F(xiàn)場焊接后發(fā)現(xiàn)，焊縫表面的光潔、美觀程度埋弧焊效果最佳，氣保焊次之。

表1 母材成分和性能

表2 焊接試驗工藝

圖1 焊接道次示意圖

2 檢測結(jié)果

2.1 對接接頭拉伸試驗

依照GB/T 2651-2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在DNS600電子萬能試驗機上進行拉伸試驗，結(jié)果見表3。三種焊接工藝的拉伸試樣斷裂位置均在母材(熱影響區(qū)附近)，說明對接接頭均具有較高的強度。對比母材拉伸性能，三種工藝焊接材料的延伸率變化不明顯；強度方面，工藝1材料的強度下降較小，工藝2和3材料的強度下降略大，抗拉強度下降幅度在30～60 MPa。

表3 對接接頭拉伸試驗結(jié)果

2.2 對接接頭沖擊試驗

依照GB/T 2650-2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在ZBC2602-B沖擊試驗機上進行沖擊試驗，沖擊試樣為2.5 mm×10 mm×55 mm 的 V 型缺口試樣，試驗溫度分別為0 ℃、-20 ℃，試驗結(jié)果見表4。可以看出：三種工藝的對接接頭在0 ℃和-20℃試驗條件下的沖擊功換算成10 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣后均在60 J以上，滿足罐體加工使用要求；工藝1和工藝2對接接頭試驗溫度由0 ℃降低至-20 ℃時沖擊功降低不明顯，說明其韌脆轉(zhuǎn)變溫度在-20 ℃以下，工藝3的沖擊功隨試驗溫度降低有所下降，說明該焊接工藝條件下接頭的低溫韌性與工藝1和2比相對較差。

表4 對接接頭沖擊試驗結(jié)果

2.3 對接接頭顯微硬度試驗

將接頭金相試樣打磨拋光后，用腐蝕劑對焊縫橫截面進行腐蝕，區(qū)分出焊縫、熱影響區(qū)和母材的位置，依照GB/T 4340.1-2009標(biāo)準(zhǔn)，使用Wilson VH3300顯微硬度計，對三種焊接工藝的試樣進行顯微硬度測定，試驗力為500 g，硬度值表示為HV0.5，硬度結(jié)果如圖2所示?？梢姡N工藝焊接后焊縫和熱影響區(qū)材料的硬度均有所下降，發(fā)生HAZ軟化[4]。工藝1的焊縫和熱影響區(qū)硬度較接近，平均比母材降低約33 HV0.5，工藝2和工藝3的焊縫比熱影響區(qū)硬度下降更多，工藝3焊縫和熱影響區(qū)硬度分別較母材降低約68 HV0.5、36 HV0.5。

圖2 三種焊接工藝的接頭顯微硬度測定結(jié)果

2.4 對接接頭金相組織檢驗

加工接頭金相試樣，用 3%硝酸酒精溶液侵蝕，在ZEISS Observer Z1.m金相顯微鏡觀察焊縫、熱影響區(qū)的顯微組織。工藝1、2、3的焊縫、粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)組織形貌分別見圖3、圖4、圖5。可看出，焊縫組織是由先共析鐵素體、針狀鐵素體、粒狀貝氏體和珠光體組成，熱影響區(qū)的粗晶區(qū)組織主要是鐵素體、粒狀貝氏體和珠光體，細(xì)晶區(qū)組織主要是鐵素體和珠光體。但三種工藝的金相組織的形貌有一定的區(qū)別，從焊縫位置看，工藝1針狀鐵素體較多且細(xì)小，工藝2粒狀貝氏體較多，這兩種組織均具有較好的強度和韌性，工藝3雖然也存在針狀鐵素體、粒狀貝氏體，但組織均較粗大，對材料強度和韌性均有不良影響，熱影響區(qū)的粗晶區(qū)也存在同樣的區(qū)別，三種工藝細(xì)晶區(qū)組織構(gòu)成基本相同，但工藝3的鐵素體晶粒明顯粗大，尺寸平均約23 μm。

3 結(jié)果分析

在工藝1和工藝2試驗條件下，600 MPa級鈦微合金化汽車罐體鋼在焊接時，由于合金元素Ti在鋼中以TiN、TiC、Ti(CN)等多種形式存在，這類第二相粒子在奧氏體晶界析出促進了鐵素體的形核[5]，同時在奧氏體晶粒內(nèi)部TiO2、TiO等非金屬夾雜物又為針狀鐵素體形核提供了有利條件，兩方面作用使得焊縫位置具有較多細(xì)小的粒狀貝氏體和針狀鐵素體[6-7]，兩種組織均有較高的強度和較好的韌性，焊縫仍具有所需的強韌性。在熱影響區(qū)重新再結(jié)晶過程，未溶解的硬質(zhì)TiN粒子能夠釘扎原始奧氏體晶界阻止晶粒長大，粒狀貝氏體中鐵素體基體上分布的M-A島細(xì)小、分散，使得熱影響區(qū)也具有較好的韌性[8-9]。工藝1和工藝2相比較，工藝1的各項性能更接近母材，且焊縫表面更整齊。

工藝3采用單面埋弧焊，焊縫比較整齊美觀，但由于焊接接頭的焊接熱輸入比較大，接頭和熱影響區(qū)的組織粗化明顯，焊接后材料的強度和低溫韌性、焊縫的硬度均有一定程度下降，對于汽車罐體的服役和使用壽命有不利影響。小直徑焊絲能夠獲得較小的熱輸入，使得母材區(qū)溫升較小，但焊接熱輸入過小時，易產(chǎn)生冷裂紋、未熔合和夾渣等缺陷，故埋弧焊在薄規(guī)格汽車罐體鋼焊接上的應(yīng)用需要選用小直徑焊絲的前提下尋找更優(yōu)的焊接參數(shù)設(shè)定[10]。

(a)焊縫 (b)粗晶區(qū) (c)細(xì)晶區(qū)圖3 工藝1的焊縫和熱影響區(qū)金相組織

(a)焊縫 (b)粗晶區(qū) (c)細(xì)晶區(qū)圖4 工藝2的焊縫和熱影響區(qū)金相組織

(a)焊縫 (b)粗晶區(qū) (c)細(xì)晶區(qū)圖5 工藝3的焊縫和熱影響區(qū)金相組織

4 結(jié)論

(1)采用本文設(shè)定的氣保焊工藝進行焊接，620JJ罐體鋼焊接接頭焊縫組織中具有較多細(xì)小的針狀鐵素體，熱影響區(qū)組織粗化不明顯，接頭的拉伸性能與母材接近，硬度較母材略有降低，低溫韌性良好，可以滿足專用車罐體的服役需求。

(2)采用工藝設(shè)定的二保焊工藝進行焊接，620JJ罐體鋼焊接接頭組織中具有較多細(xì)小的粒狀貝氏體，熱影響區(qū)組織粗化不明顯，接頭的拉伸強度略有下降，低溫韌性良好，但硬度較母材降低較多，可以預(yù)測采用工藝2焊接后的汽車罐體在焊接位置的磨損比母材快。

(3)采用本文設(shè)定的埋弧焊工藝進行焊接，620JJ罐體鋼焊接接頭的拉伸強度、低溫韌性和硬度較母材均有明顯降低，原因為焊接熱輸入較大使得接頭組織粗化，強韌性降低。如果為追求罐體外表的美觀選用埋弧焊，可以考慮采用較小直徑焊絲來降低焊接熱輸入，但電流、焊接速度等參數(shù)需要進一步優(yōu)化。