Q620鋼藥芯焊絲氣體保護(hù)焊接頭組織與性能的研究

邢珂　李博文

摘要：在非預(yù)熱狀態(tài)下，采用Ar+CO2混合氣體保護(hù)焊方法，選擇低合金系堿性渣系藥芯焊絲，在三種熱輸入下對(duì)Q620鋼進(jìn)行焊接。通過(guò)進(jìn)行焊接接頭質(zhì)量分析、焊縫金屬化學(xué)成分分析、顯微組織觀察和力學(xué)性能測(cè)試，研究了Q620鋼的可焊性和工程使用性。結(jié)果表明，Q620鋼常溫下可焊接性良好，焊縫區(qū)合金元素分布均勻，當(dāng)焊接熱輸入由低向高變化時(shí)，焊縫區(qū)組織由鐵素體+珠光體向貝氏體+馬氏體組織轉(zhuǎn)變，并且焊縫區(qū)強(qiáng)度下降，硬度上升。隨著熱輸入的增大，焊縫區(qū)沖擊斷口形貌由韌性斷裂向著韌窩+準(zhǔn)解理的混合斷裂方式轉(zhuǎn)變。

關(guān)鍵詞：藥芯焊絲氣體保護(hù)焊;Q620高強(qiáng)鋼;力學(xué)性能;焊縫組織;可焊性

中圖分類號(hào)：TG454文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）05-0084-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.17

0 前言

低合金高強(qiáng)鋼因具有強(qiáng)度高、塑韌性好的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于壓力容器、車輛制造、采煤、建筑橋梁和船舶工程等領(lǐng)域[1-6]。根據(jù)碳當(dāng)量公式可知，Q620鋼的碳當(dāng)量大于0.5%[8]，焊接時(shí)易出現(xiàn)淬硬傾向，形成馬氏體組織，降低接頭的塑性和韌性。傳統(tǒng)的弧焊工藝導(dǎo)致過(guò)熱區(qū)晶粒粗大脆化，在焊接時(shí)易產(chǎn)生應(yīng)力集中，增加了裂紋敏感性[2，8]，這些因素都會(huì)降低Q620鋼焊后的綜合性能，無(wú)法滿足工程中實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)也損失了低合金高強(qiáng)鋼原本的優(yōu)勢(shì)。以往的研究多采用焊前預(yù)熱來(lái)消除冷裂紋和淬硬組織。但焊前預(yù)熱一是對(duì)工件尺寸有限制，二是增加了成本，耗費(fèi)時(shí)間。若能采用合理的焊接方法和工藝參數(shù)使得不預(yù)熱也能滿足工程實(shí)際要求將是一件非常有益的事情。

武家升等人[1]研究了焊絲對(duì)Q550鋼焊接接頭顯微組織的影響。ER50-6焊絲的焊縫組織為F+P+B，熔合區(qū)斷口有大量韌窩，MK·G60焊絲的焊縫組織為F+B，熔合區(qū)斷口具有準(zhǔn)解理的特征。楊景華等人[9]采用CO2保護(hù)焊對(duì)GR.65鋼進(jìn)行了焊接，低熱輸入時(shí)，粗晶區(qū)的第二相粒子能抑制晶粒長(zhǎng)大，焊前預(yù)熱有利于細(xì)小淬硬組織的生成;高熱輸入時(shí)，抑制粗晶區(qū)晶粒長(zhǎng)大的第二相粒子完全溶解，失去了抑制作用，并且焊前預(yù)熱使粗晶區(qū)組織粗大，生成了上貝氏體等韌性很差的組織。郝永飛[10]等人在非預(yù)熱條件下對(duì)Q550鋼進(jìn)行焊接，焊接接頭的屈服強(qiáng)度等同母材，-20 ℃和-40 ℃的Akv值分別為107 J和80 J，接頭彎曲后幾乎無(wú)裂紋。劉軍華[11]在預(yù)熱下完成了Q690E鋼MAG焊接，焊接接頭力學(xué)性能符合要求。

文中采用Ar+CO2混合氣體保護(hù)焊的方法，在非預(yù)熱狀態(tài)下，選擇低合金堿性渣系藥芯焊絲對(duì)Q620鋼進(jìn)行常溫下焊接，通過(guò)進(jìn)行焊縫金屬顯微組織觀察、化學(xué)成分分析以及力學(xué)性能測(cè)試，研究了低合金高強(qiáng)鋼可焊性、微觀組織和力學(xué)性能，對(duì)于Q620鋼的焊接以及在工程中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑檎{(diào)質(zhì)態(tài)Q620低合金高強(qiáng)鋼，尺寸300 mm×150 mm×10 mm，經(jīng)日本島津公司（Shimadzu）1800型X射線熒光（XRF）光譜儀檢測(cè)[12]，測(cè)試條件如表1所示。焊接時(shí)采用φ1.2 mm的LJ707堿性渣系藥芯焊絲，母材和焊絲的化學(xué)成分如表2所示。采用松下KR500A型CO2氣體保護(hù)焊機(jī)，保護(hù)氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，氣體流量20 L/min。為了便于焊接，采用50°V型坡口，鈍邊2 mm，組對(duì)間隙1.2 mm，坡口示意如圖1所示。焊前清理坡口兩側(cè)，用丙酮清洗去除表面油污[14]，將兩塊母材用工裝夾具組合固定后焊接，焊接參數(shù)如表3所示。

焊后冷卻至室溫后，線切割截取金相試樣，依次采用500#、800#、1 000#和1 500#砂紙打磨并拋光后，用4%硝酸酒精溶液腐蝕8 s，然后在奧林巴斯顯微鏡下觀察組織。腐蝕后試樣采用HVS-5型維氏硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，施加載荷100 gf，保持10 s，從焊縫底部到頂部沿縱向依次打5個(gè)點(diǎn)取其平均值。焊接接頭的拉伸試驗(yàn)按照GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》執(zhí)行，沖擊試驗(yàn)按照GB/T 2650-2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》在JB-300B型落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上完成，在焊縫處開V型缺口，缺口方向垂直于板厚方向，每個(gè)位置取3個(gè)試樣，試樣尺寸為55 mm×10 mm×5 mm。采用JEOL-6360型掃描電鏡觀察斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 化學(xué)成分分析

利用XRF進(jìn)行焊縫金屬元素含量測(cè)試和元素分布成像。成像光柵0.5 mm，管電壓40 kV，管電流75 mA。測(cè)試前裝好樣品，選擇好坐標(biāo)，如圖2所示，測(cè)試節(jié)點(diǎn)106個(gè)。由于元素分布的成像速度較慢，試驗(yàn)只選取焊縫金屬中含量較高的Mn、Ni兩種元素進(jìn)行測(cè)試。元素含量結(jié)果如表4所示，元素成像如圖3所示。

由表4可知，在焊縫區(qū)高溫物理冶金作用下，所有元素都存在不同程度的燒損，隨著熱輸入的增加，各元素含量下降，表明元素?zé)龘p程度與熱輸入成正比。由圖3可知，Ni、Mn兩種元素在整個(gè)焊縫區(qū)域分布較均勻，說(shuō)明焊接過(guò)程中熔池熔滴過(guò)渡平穩(wěn)，合金元素在高溫下擴(kuò)散均勻，只在個(gè)別位置存在少量偏析現(xiàn)象。隨著熱輸入的增加，元素含量由高含量區(qū)向著低含量區(qū)過(guò)渡，這與表4中的結(jié)果一致，同樣說(shuō)明隨著熱輸入的增加，元素含量下降，主要是燒損導(dǎo)致的。

2.2 金相組織觀察

三種熱輸入下焊縫金屬的金相組織照片如圖4所示。從整體上來(lái)看，三種熱輸入的線能量均較低，有利于在非預(yù)熱條件下的焊縫成形。由圖4可知，所有接頭的焊縫組織均為柱狀晶，當(dāng)熱輸入較低時(shí)，焊縫金屬組織細(xì)小，分布均勻，室溫下組織主要為鐵素體和貝氏體。隨著熱輸入的增加（見(jiàn)圖4b），焊縫中晶粒長(zhǎng)大，組織變得粗大，并且出現(xiàn)少量的粒狀貝氏體組織由晶界向內(nèi)平行生長(zhǎng)。當(dāng)熱輸入繼續(xù)增大（見(jiàn)圖4c），晶粒在大熱輸入下繼續(xù)長(zhǎng)大，組織進(jìn)一步粗大，室溫組織為貝氏體和少量低碳板條馬氏體。

2.3 沖擊試驗(yàn)

三種熱輸入下焊縫區(qū)沖擊功的平均值（20 ℃）分別為86.578 J（1號(hào)）、81.724 J（2號(hào)）、79.097 J（3號(hào)），可見(jiàn)隨著熱輸入的增大，焊縫金屬的沖擊韌性下降。焊縫區(qū)的沖擊斷口形貌如圖5所示。由圖5可知，斷口形貌中存有韌窩，這是因?yàn)樵诤负髿堄鄳?yīng)力下，位錯(cuò)堆積而在滑移面局部產(chǎn)生許多微孔形核、長(zhǎng)大，連接聚集產(chǎn)生新的微孔，于是在斷口上呈現(xiàn)出韌窩[2]。在低熱輸入下，沖擊斷口韌窩較多、較深，尺寸較小，屬于韌性斷裂。低熱輸入組織中晶粒較細(xì)，晶粒細(xì)化，導(dǎo)致晶界在單位體積內(nèi)面積增加，從而降低了S、P等雜質(zhì)的分布密度，減弱了對(duì)晶界強(qiáng)度的影響，有助于提高晶界強(qiáng)度，從而提高接頭的沖擊韌性，所以低熱輸入時(shí)沖擊韌性較好。隨著熱輸入的增大，組織變得粗大，韌窩數(shù)目減少，斷裂轉(zhuǎn)向?yàn)榇嘈詳嗔?。熱輸入繼續(xù)增加，晶粒變得更為粗大，出現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂特征，表明沖擊韌性下降，斷裂為明顯的脆性斷裂，這與沖擊功的結(jié)果一致。

針對(duì)圖5中斷口形貌，選擇A，B，C三點(diǎn)做EDS分析，結(jié)果如圖6和表5所示。由圖6可知，A、B、C三點(diǎn)的元素相同，均為Mn、Cr、Ni、C、Fe幾種元素，O主要來(lái)源于空氣，是在受熱過(guò)程中夾雜進(jìn)焊縫的。由表5的EDS分析結(jié)果同樣可得出元素含量隨著熱輸入增大而減少的規(guī)律，但是由于EDS是微觀下做的點(diǎn)掃描，故而比熒光的宏觀測(cè)量誤差大一些。

2.4 拉伸強(qiáng)度和硬度

焊縫和母材的拉伸強(qiáng)度和硬度試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，焊縫的強(qiáng)度與母材強(qiáng)度相匹配，但略低于母材，屬于低等強(qiáng)匹配接頭，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。隨著熱輸入的增加，焊縫區(qū)強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率下降，硬度增加。綜上分析可知，低合金高強(qiáng)Q620鋼可焊性良好，選擇合適的焊接方法和焊接參數(shù)可以取消焊前預(yù)熱。

3 結(jié)論

（1）采用低熱輸入，有利于細(xì)化晶粒，提高韌性，焊縫組織主要為鐵素體、貝氏體和馬氏體，隨著熱輸入的增加，焊縫組織出現(xiàn)板條馬氏體，焊縫金屬?gòu)?qiáng)度上升，韌性下降。

（2）采用合理的焊材和工藝可以控制焊縫組織和性能，焊接線能量小于15 kJ/cm時(shí)焊縫區(qū)可獲得優(yōu)異的力學(xué)性能。

（3）焊縫沖擊斷口SEM照片表明，小熱輸入下焊縫斷裂為韌性斷裂，隨著熱輸入的增大，斷裂方式變?yōu)轫g窩+準(zhǔn)解理混合的斷裂。

（4）焊縫金屬元素分布均勻，熔滴過(guò)度平穩(wěn)。力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，低合金高強(qiáng)度鋼Q620能夠?qū)崿F(xiàn)非預(yù)熱態(tài)下常溫優(yōu)質(zhì)焊接。

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