Mn-Mo-Cr系高強(qiáng)鋼藥芯焊絲研制及其力學(xué)性能研究

魏文逸 裘榮鵬

摘要：為研制與Q960高強(qiáng)鋼相適應(yīng)的焊接材料，通過(guò)調(diào)節(jié)Mn-Mo-Cr系高強(qiáng)鋼藥芯焊絲內(nèi)不同元素配比，分析元素對(duì)焊接接頭顯微組織及力學(xué)性能的影響機(jī)理，確定各元素的最優(yōu)含量配比。采用正交試驗(yàn)法，對(duì)焊接試樣接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和顯微組織分析。結(jié)果表明，綜合考慮焊接接頭的拉伸性能及沖擊性能，焊縫內(nèi)Mn、Mo、Cr元素含量的最佳配比為：w（Mn）=1.2%，w（Mo）=1.5%，w（Cr）=1.2%。隨著Mn和Mo元素含量的提升，接頭顯微組織由先共析鐵素體向針狀鐵素體及馬氏體和貝氏體轉(zhuǎn)變。固溶強(qiáng)化和相變強(qiáng)化作用使得焊接接頭的抗拉強(qiáng)度逐漸提升，但斷后延伸率逐步下降。針狀鐵素體含量最大的焊縫具有最優(yōu)的沖擊韌性。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)鋼藥芯焊絲;含量配比;正交試驗(yàn)法;力學(xué)性能;顯微組織

中圖分類號(hào)：TG422.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）11-0124-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.23

0 前言

高強(qiáng)鋼具有高比強(qiáng)度、高比剛度和高疲勞極限等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于車(chē)輛、建筑、石油天然氣輸送等領(lǐng)域[1]。隨著礦山機(jī)械、工程機(jī)械承受的載荷越來(lái)越大，對(duì)中厚鋼板的需求越來(lái)越多[2]，而焊接接頭力學(xué)性能低下等問(wèn)題限制了高強(qiáng)鋼板的廣泛使用[3-4]。目前國(guó)內(nèi)高強(qiáng)鋼焊接材料與國(guó)外相比存在一定差距，特別是與Q960高強(qiáng)鋼相配套的焊接材料，焊接接頭普遍存在力學(xué)性能低下等缺陷。藥芯焊絲具有適應(yīng)性強(qiáng)、熔敷效率高、焊縫成形美觀、可進(jìn)行全位置焊接、綜合成本低等優(yōu)點(diǎn)。其中，金屬粉芯型藥芯焊絲因其焊接飛濺小、煙塵少、成分易于調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于高強(qiáng)鋼的焊接[5-8]。研究表明，通過(guò)調(diào)節(jié)金屬粉芯中的元素配比可以改善焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能。劉政軍等[9]分析了合金元素Ni和Mo對(duì)高強(qiáng)鋼金屬粉芯型藥芯焊絲焊接接頭力學(xué)性能的影響，得出焊縫金屬中Ni含量的最佳范圍為0.81%～1.22%，Mo的最佳含量為1.52%。武丹等[10]研究了Cr含量對(duì)WQ960高強(qiáng)鋼焊接接頭力學(xué)性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著焊縫金屬中Cr含量的增加，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度近似呈線性增加，但接頭的塑性和沖擊韌性呈下降趨勢(shì)。官春平[11]等研究了Ni元素對(duì)600 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼焊縫組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)Ni元素含量的適當(dāng)提升有利于提高焊縫金屬的低溫韌性。牛犇等[12]研究了B和Ti元素對(duì)熔敷金屬?gòu)?qiáng)韌性的影響，發(fā)現(xiàn)添加適量B元素能夠提升焊縫金屬的強(qiáng)韌性，添加適量Ti元素能夠提升焊縫金屬的耐蝕性能。

然而，上述學(xué)者僅研究了單一微量元素的添加對(duì)焊縫金屬顯微組織及力學(xué)性能的影響，并未全面研究焊縫全金屬元素的配比。對(duì)于Q960高強(qiáng)鋼的焊接，焊絲中Mn、Mo、Cr元素可以顯著影響焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能。文中采用正交試驗(yàn)法研究不同配比Mn、Mo、Cr對(duì)焊縫金屬微觀組織及焊接接頭力學(xué)性能等的影響，最終確定高強(qiáng)鋼藥芯焊絲中合金元素Mn、Mo、Cr的最佳配比。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

母材試板選用Q960低合金高強(qiáng)鋼板，其化學(xué)成分如表1所示。

試驗(yàn)焊絲的制備采用軋拔法包覆藥芯焊絲，截面為“O”形搭接，直徑1.6 mm。焊絲材料由藥粉及鋼帶外皮兩大部分構(gòu)成。藥粉合金體系由Mn、Ni、Mo、Cr、Nb、V、Ti和B元素構(gòu)成，其中Ni、Nb、V、Ti和B元素在試驗(yàn)中屬于固定成分，在試驗(yàn)中主要改變Mn、Mo和Cr的添加量，將Fe含量保持在合理范圍內(nèi)。焊絲鋼帶外皮選用寬度為10 mm、厚度為0.35 mm的低碳鋼鋼帶包裹藥粉。

1.2 試驗(yàn)方法

母材的制備選用300 mm×70 mm×10 mm高強(qiáng)鋼試板，開(kāi)60°V型坡口，焊前用角磨機(jī)對(duì)坡口兩側(cè)30～50 mm范圍進(jìn)行打磨，去除鐵銹和油污，采取平板對(duì)接焊接，始焊端對(duì)接間隙為1 mm，終焊端間隙為3 mm。焊接方法采用鎢極氬弧焊，氬氣保護(hù)，環(huán)境溫度為室溫。焊接電流160～220 A，焊接電壓28～32 V，氬氣流量20 L/min。試板焊接采用多層多道焊，焊接示意如圖1所示，焊后將背面打磨光滑。

采用正交試驗(yàn)法探究Mn、Mo、Cr元素對(duì)Q960高強(qiáng)鋼焊接接頭組織及性能的影響。設(shè)置3個(gè)影響因素分別為Mn、Mo和Cr元素在焊縫金屬中的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），通過(guò)調(diào)節(jié)藥粉內(nèi)合金元素的添加量控制各元素在焊縫內(nèi)的含量，每個(gè)因素設(shè)置3個(gè)水平，如表2所示。選擇拉伸性能及沖擊性能作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究各元素添加量對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響程度，并找出最佳元素配比。

采用尺寸為15 mm×10 mm×10 mm的試樣進(jìn)行金相試驗(yàn)，分別使用240 M、600 M、800 M、1 500 M和2 000 M的砂紙進(jìn)行磨制，采用金相拋光機(jī)和粒度W1.5的拋光膏拋光試樣，將4%硝酸+酒精涂抹在觀察面上，腐蝕10～15 s，采用GX41型號(hào)金相顯微鏡觀察焊縫及熔合線附近區(qū)域。在室溫條件下按《GB/T2651-2008：焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn);按《GBT2650-2008：焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試樣厚度5 mm。在焊縫開(kāi)V型缺口，試驗(yàn)溫度分別為常溫（25 ℃）、0 ℃、-20 ℃和-40 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能分析

焊接接頭的拉伸、沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。以焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、沖擊吸收功作為正交試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用極差法對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，Mn的抗拉強(qiáng)度極差值13.8 MPa最大，顯著高于Mo和Cr的抗拉強(qiáng)度極差值3 MPa，這說(shuō)明Mn元素含量對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響最大，而Mo和Cr元素對(duì)抗拉強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響。由此可知，元素添加量對(duì)焊接接頭抗拉強(qiáng)度的影響程度的順序?yàn)椋篗n>Cr=Mo，且隨著Mn元素含量的增加，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，最大抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的元素組合為：Mn1.5Mo1.0Cr1.2，即Mn含量為1.5%，Mo含量為1.0%，Cr含量為1.2%。同樣可以看出，Mn元素也是焊接接頭屈服強(qiáng)度的最主要影響因素，而Mo和Cr元素對(duì)焊接接頭屈服強(qiáng)度的影響不大。還可以看出，Mn元素是影響焊接接頭斷后伸長(zhǎng)率的最主要因素，隨著Mn元素在焊縫內(nèi)含量的提升，焊接接頭斷后延伸率呈下降趨勢(shì)，各元素對(duì)焊接接頭斷后伸長(zhǎng)率的影響排序?yàn)椋篗n>Cr>Mo，最大斷后延伸率對(duì)應(yīng)的元素組合為：Mn1.0Mo1.0Cr0.6。

分別在25 ℃、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃和-60 ℃下進(jìn)行沖擊韌性試驗(yàn)。分析各元素對(duì)焊接接頭沖擊吸收功的影響可知，在不同溫度條件下，Mo元素對(duì)焊接接頭沖擊吸收功的影響均顯著高于Mn和Cr元素，且當(dāng)Mo元素含量處于中等水平時(shí)，焊接接頭的沖擊吸收功達(dá)到最大。三種元素對(duì)焊接接頭沖擊吸收功的影響順序?yàn)椋篗o>Cr>Mn，最高沖擊吸收功所對(duì)應(yīng)的元素組合為Mn1.2Mo1.5Cr1.2。

綜合比較各組元素配比下焊接接頭的抗拉性能及沖擊性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Mn含量為1.2%，Mo含量為1.5%，Cr含量為1.2%時(shí)，焊接接頭在獲得較高的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度的同時(shí)，具有較高的斷后伸長(zhǎng)率及最高的沖擊韌性，即在此元素配比下，焊縫兼具優(yōu)良的強(qiáng)度及韌性。因此，焊縫內(nèi)Mn、Mo、Cr元素含量最優(yōu)配比為：Mn1.2Mo1.5Cr1.2。

2.2 顯微組織分析

母材金相組織如圖2所示，以馬氏體為主，含有少量的鐵素體。

對(duì)不同強(qiáng)度及韌性的焊接接頭進(jìn)行金相組織分析，所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)件序號(hào)分別為#1、#5和#9。由上述正交試驗(yàn)分析結(jié)果可知，Mn和Mo元素分別是影響焊接接頭拉伸性能和沖擊韌性的最重要因素，因此焊縫顯微組織的演變主要通過(guò)Mn和Mo含量變化的影響進(jìn)行揭示。由表4可知，由試樣#1，#5到#9的順序，焊縫內(nèi)Mn和Mo元素含量均逐漸增加。#1試樣焊縫內(nèi)Mn和Mo元素含量較低時(shí)，焊縫內(nèi)組織主要為先共析鐵素體（PF），如圖3a所示。由于Mn及Mo元素均有抑制先共析鐵素體并促進(jìn)針狀鐵素體形成的作用[13]，因此隨著焊縫內(nèi)Mn和Mo元素含量的增加，#5試樣焊縫內(nèi)先共析鐵素體（PF）的含量下降，同時(shí)出現(xiàn)側(cè)板條鐵素體（SF）和針狀鐵素體（AF），且針狀鐵素體含量顯著提升，如圖3b所示。隨著焊縫內(nèi)Mn元素含量的繼續(xù)增加，焊縫內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)馬氏體，并促進(jìn)了貝氏體（B）的形成，因此具有最高M(jìn)n元素含量的#9試樣焊縫內(nèi)出現(xiàn)馬氏體及貝氏體組織，如圖3c所示。

分析焊接接頭的拉伸性能可知，隨著焊縫內(nèi)Mn和Mo元素含量的增加，兩種元素在焊縫內(nèi)的固溶強(qiáng)化以及馬氏體和貝氏體等組織的相變強(qiáng)化機(jī)制[14]使得焊接接頭的強(qiáng)度提升，但犧牲了焊接接頭的塑性，即焊接接頭的抗拉強(qiáng)度升高，但斷后延伸率下降。然而對(duì)于焊接接頭的沖擊吸收功，由于針狀鐵素體具有提高焊縫金屬?zèng)_擊韌性的作用[15]，尤其是低溫沖擊韌性，因此具有大量針狀鐵素體的#5試樣焊縫組織的沖擊吸收功最高。

#1、#5和#9試件熔合線附近組織形貌如圖4所示，隨著焊縫內(nèi)Mn和Mo元素含量的增加，焊接接頭的熔合區(qū)界限逐漸分明。不同于焊縫中心部分和母材組織，不同元素含量對(duì)應(yīng)試樣的熱影響區(qū)組織均為鐵素體和珠光體的混合組織。

3 結(jié)論

文中主要研究Mn-Mo-Cr系高強(qiáng)鋼藥芯焊絲不同元素的成分配比對(duì)焊接接頭組織和性能的影響規(guī)律，并獲取了Mn-Mo-Cr系高強(qiáng)鋼藥芯焊絲最優(yōu)合金成分配比，主要結(jié)論如下：

（1）通過(guò)正交試驗(yàn)分析，綜合考慮焊接接頭的拉伸性能及沖擊性能，得出焊縫內(nèi)Mn、Mo、Cr元素含量的最佳配比為：Mn含量為1.2%，Mo含量為1.5%，Cr含量為1.2%

（2）各元素添加對(duì)焊接接頭抗拉強(qiáng)度的影響程度強(qiáng)弱為：Mn>Mo=Cr;各元素添加對(duì)焊接接頭斷后伸長(zhǎng)率影響作用的大小順序?yàn)椋篗n>Cr>Mo;對(duì)沖擊吸收功的影響順序?yàn)椋篗o>Cr>Mn。

（3）隨著焊縫內(nèi)Mn元素含量的提升，焊縫內(nèi)顯微組織由先共析鐵素體向針狀鐵素體及馬氏體和貝氏體轉(zhuǎn)變，固溶強(qiáng)化和相變強(qiáng)化作用使得焊接接頭的抗拉強(qiáng)度逐漸提升，但斷后延伸率逐步下降。針狀鐵素體含量最大的焊縫的沖擊韌性最優(yōu)。

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