焊接模擬參數(shù)對Q960EQP鋼焊接熱模擬試驗結(jié)果的影響

許峻峰, 欽祥斗, 李建賓

(南京鋼鐵股份有限公司科技質(zhì)量部, 南京 210035)

焊接熱模擬試驗是利用特定裝置在試樣上造成與實際焊接時相同或相近的熱循環(huán)，使得試樣的顯微組織與所研究的焊接熱影響區(qū)的顯微組織相同或相似[1]。但這一區(qū)域大小要比實際焊接熱影響區(qū)放大了許多倍，從而可以制備出足夠尺寸的試樣，能夠?qū)ζ涓鞣N性能進行定量試驗。目前，焊接熱模擬試驗方法已廣泛應用于碳鋼、合金鋼等焊接熱影響區(qū)組織與性能的研究[2-5]。研究焊接熱模擬試驗參數(shù)對焊接熱模擬試驗結(jié)果的影響，對準確、簡便地設計焊接熱模擬試驗具有實際意義。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

試驗材料為高性能結(jié)構(gòu)鋼Q960EQP鋼，其化學成分如表1所示，對該Q960EQP鋼采用等溫淬火+回火的熱處理工藝。Q960EQP鋼板厚度為48 mm，取鋼板1/4處，加工成尺寸為11 mm×11 mm×76 mm的試樣。

表1 Q960EQP鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical compositions of Q960EQP steel (mass fraction) %

1.2 試驗方法

使用Gleeble3800熱模擬試驗機，采用雷卡林二維模型，對Q960EQP鋼的焊接過程進行模擬。其主要試驗參數(shù)為預熱溫度、升溫速度、峰值溫度、峰值溫度保溫時間、焊接線能量、板厚參數(shù)、試樣跨度。通過控制變量法，對試驗參數(shù)進行研究，每個模擬工藝進行4組模擬試驗，其中3個試樣進行沖擊試驗，1個試樣進行顯微組織觀察和硬度測試。試驗參數(shù)預設定為:升溫速度200 ℃·s-1，峰值溫度1 350 ℃，峰值停留時間1 s，焊接線能量12 kJ·cm-1，試樣厚度16 mm，試樣跨度11 mm，預熱溫度60 ℃。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 預熱溫度對試驗結(jié)果的影響

預熱溫度分別為40,60,100,200 ℃，對熱模擬試驗后不同預熱溫度的試樣進行沖擊試驗和硬度測試，結(jié)果見表2，其顯微組織形貌如圖1所示。

表2 熱模擬試驗后不同預熱溫度試樣的沖擊吸收能量和硬度Tab.2 Impact absorption energy and hardness of samples with different preheating temperatures after thermal simulation test

圖1 熱模擬試驗后不同預熱溫度試樣的顯微組織形貌Fig.1 Microstructure morphology of samples with different preheating temperatures after thermal simulation test: a) preheating temperature 40 ℃; b) preheating temperature 60 ℃; c) preheating temperature 100 ℃; d) preheating temperature 200 ℃

由表2和圖1可知，預熱溫度不超過100 ℃時，熱模擬試驗后不同預熱溫度試樣的沖擊吸收能量和硬度變化較小，顯微組織的種類相近，均為為貝氏體+馬氏體；預熱溫度為200 ℃時，熱模擬試驗后的顯微組織為板條貝氏體，沖擊吸收能量增大，硬度降低。隨著預熱溫度的提高熱模擬試驗后不同預熱溫度試樣的硬度降低，沖擊吸收能量升高，馬氏體逐漸減少，貝氏體逐漸增多。圖2為不同預熱溫度對應的熱循環(huán)曲線，由圖2可知，預熱溫度不超過100 ℃時，試樣的冷卻速度相近，所以其顯微組織和力學性能相似。隨著試樣的預熱溫度升高，試樣的冷卻速度下降，最終會影響試樣的顯微組織轉(zhuǎn)變[6]。實際焊接過程中，當母材的預熱溫度升高時，焊后的熱影響區(qū)冷卻能力下降，其顯微組織向低冷速組織轉(zhuǎn)變。隨著預熱溫度的升高，冷卻速度降低，Q960EQP鋼的顯微組織從貝氏體+馬氏體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l貝氏體[7]。

圖2 不同預熱溫度對應的熱循環(huán)曲線Fig.2 Thermal cycle curves corresponding to different preheating temperatures

2.2 升溫速度對試驗結(jié)果的影響

升溫速度分別為100,200,500 ℃·s-1，對熱模擬試驗后不同升溫速度的試樣進行沖擊試驗和硬度測試，結(jié)果見表3，其顯微組織形貌如圖3所示。

表3 熱模擬試驗后不同升溫速度試樣的沖擊吸收能量和硬度Tab.3 Impact absorption energy and hardness of samples with different heating rates after thermal simulation test

圖3 熱模擬試驗后不同升溫速度試樣的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of samples with different heating rates after thermal simulation test: a) heating rate 100 ℃·s-1; b) heating rate 200 ℃·s-1; c) heating rate 500 ℃·s-1

由表3可知，隨著升溫速度的增大，沖擊吸收能量緩慢增長，硬度也緩慢增大。由圖3可知，不同升溫速度下，熱模擬試驗后不同升溫速度試樣的顯微組織均為馬氏體+少量貝氏體。

隨著升溫速度的增大，奧氏體化開始和結(jié)束溫度會升高，即奧氏體化溫度推遲。在熱模擬試驗中，加熱速度為200 ℃·s-1時，相變開始溫度Ac1和相變結(jié)束溫度Ac3分別提高了38 ℃和36 ℃。峰值溫度為1 350 ℃，能夠保證試樣完全奧氏體化，但隨升溫速度增大，奧氏體化轉(zhuǎn)變溫度升高，試樣在奧氏體區(qū)停留時間縮短，奧氏體晶粒長大時間縮短。由于冷卻過程條件相同，只受到組織的遺傳性的影響，隨著升溫速度的增大，冷卻轉(zhuǎn)變后的組織晶粒減小，使得沖擊吸收能量和硬度也緩慢增大，但變化不明顯。當試樣在能夠完成奧氏體化的條件下，升溫速度對試樣力學性能和顯微組織類型的影響非常小，可以忽略不計。

2.3 峰值溫度對試驗結(jié)果的影響

峰值溫度分別為700,1 000,1 200,1 350 ℃，對熱模擬試驗后不同峰值溫度的試樣進行沖擊試驗和硬度測試，結(jié)果見表4，其顯微組織形貌如圖4所示。

由表4和圖4可知，隨著峰值溫度的升高，沖擊吸收能量先升高后降低，這也表明其顯微組織類型發(fā)生了變化。當峰值溫度為700 ℃，低于試樣的奧氏體化溫度，且保溫時間很短，在加熱和冷卻的過程中未發(fā)生相變，原始試樣的貝氏體組織發(fā)生了回火，導致試樣硬度降低。峰值溫度為1 000 ℃時試樣的沖擊吸收能量為204 J，高于其他3組試樣的，其顯微組織為細小均勻的貝氏體。峰值溫度1 200 ℃時，其顯微組織的貝氏體較粗大，并有一定的馬氏體相變。峰值溫度達到1 350 ℃時，試樣處于過熱區(qū)，奧氏體晶粒長大嚴重，且由于峰值溫度高，冷卻過程中的過冷度增大，馬氏體的轉(zhuǎn)變量增多，貝氏體的含量減少，所以沖擊吸收能量降低。

表4 熱模擬試驗后不同峰值溫度試樣的沖擊吸收能量和硬度Tab.4 Impact absorption energy and hardness of samples with different peak temperatures afterthermal simulation test

圖4 熱模擬試驗后不同峰值溫度試樣的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of samples with different peak temperatures after thermal simulation test: a) peak temperature 700 ℃; b) peak temperature 1 000 ℃; c) peak temperature 1 200 ℃; d) peak temperature 1 350 ℃

2.4 峰值溫度保溫時間對試驗結(jié)果的影響

峰值溫度保溫時間分別為1,3,5,10 s，對熱模擬試驗后不同峰值溫度保溫時間的試樣進行沖擊試驗和硬度測試，結(jié)果見表5，其顯微組織形貌如圖5所示。

由表5可知，峰值溫度為1 350 ℃時，隨著峰值溫度保溫時間的增加，沖擊吸收能量先增大后減小，硬度逐漸下降，但下降量很小。隨著峰值溫度保溫時間的增加，一方面，奧氏體晶粒長大，從而使顯微組織轉(zhuǎn)變后的沖擊吸收能量降低；另一方面，試樣顯

圖5 熱模擬試驗后不同峰值溫度保溫時間試樣的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of samples with different peak temperature holding times after thermal simulation test: a) peak temperature holding time 1 s; b) peak temperature holding time 3 s; c) peak temperature holding time 5 s; d) peak temperature holding time 10 s

表5 熱模擬試驗后不同峰值溫度保溫時間試樣的 沖擊吸收能量和硬度Tab.5 Impact absorption energy and hardness of samples with different peak temperature holding times after thermal simulation test

微組織更均勻，沖擊吸收能量升高。綜合兩方面影響，沖擊吸收能量先增大后減小。

熱模擬試驗時升溫速度快，在試樣長度方向上會存在一個溫度梯度，即試樣在整個跨度內(nèi)并不是同一種顯微組織。焊接熱模擬試樣沖擊吸收能量反映的是缺口附近一定距離內(nèi)的材料韌性。當峰值溫度停留時間較短時，這個溫度梯度較大，試樣的晶粒不均勻；而峰值溫度停留時間較長時，試樣在長度方向上的溫度梯度減小，獲得一定均溫區(qū)，試樣的晶粒趨于均勻，沖擊性能較好。當保溫時間超過一定的數(shù)值時，在高溫區(qū)奧氏體晶粒會長大，沖擊性能會下降。

2.5 焊接線能量對試驗結(jié)果的影響

焊接線能量分別為8,10,12,15,18 kJ·cm-1，對熱模擬試驗后不同焊接線能量試樣進行沖擊試驗和硬度測試，結(jié)果見表6，其顯微組織形貌如圖6所示，不同焊接線能量對應的熱循環(huán)曲線如圖7所示。

由表6可知，隨著焊接線能量的增加沖擊吸收增大，硬度減小。焊接線能量為18 kJ·cm-1時，沖擊吸收能量最高，其顯微組織為下貝氏體。焊接線能量為15 kJ·cm-1時，其顯微組織為貝氏體+少量馬氏體，隨著焊接線能量的減少，馬氏體含量增加，貝氏體含量減少。

由圖7可知，隨著焊接線能量的增加，焊接熱循環(huán)曲線在相同溫度區(qū)間內(nèi)的時間越長，冷卻速度越小。焊接線能量低于12 kJ·cm-1時，其冷卻曲線在400 ℃以下出現(xiàn)了彎折現(xiàn)象，這是由于在400 ℃以下發(fā)生了馬氏體相變，放出熱量，未能及時擴散，出現(xiàn)了冷卻速度的短暫失控。從熱循環(huán)曲線的彎折溫度區(qū)間的范圍大小，也可以看出馬氏體相變的量的多少，馬氏體含量降低，硬度減小，沖擊吸收能量增大。

表6 熱模擬試驗后不同焊接線能量試樣的沖擊吸收能量和硬度Tab.6 Impact absorption energy and hardness of samples with different welding line energies after thermal simulation test

圖6 熱模擬試驗后不同焊接線能量試樣的顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of samples with different welding line energies after thermal simulation test: a) welding line energy 8 kJ·cm-1; b) welding line energy 10 kJ·cm-1; b) welding line energy 12 kJ·cm-1; d) welding line energy 15 kJ·cm-1; e) welding line energy 18 kJ·cm-1

圖7 不同焊接線能量對應的熱循環(huán)曲線Fig.7 Thermal cycle curves corresponding to different welding line energies

2.6 板厚參數(shù)對試驗結(jié)果的影響

試樣板厚分別設為8,12,16,20 mm，對熱模擬試驗后不同板厚參數(shù)試樣進行沖擊試驗和硬度測試，結(jié)果見表7，其顯微組織形貌如圖8所示，不同板厚參數(shù)對應的熱循環(huán)曲線如圖9所示。

表7 熱模擬試驗后不同板厚參數(shù)試樣的沖擊吸收能量和硬度Tab.7 Impact absorption energy and hardness of samples with different plate thickness parameters after thermal simulation test

圖8 熱模擬試驗后不同板厚參數(shù)試樣的顯微組織形貌Fig.8 Microstructure morphology of samples with different plate thickness parameters after thermal simulation test: a) platethickness parameter 8 mm; b) plate thickness parameter 12 mm; c) plate thickness parameter 16 mm; d) plate thickness parameter 20 mm

圖9 不同板厚參數(shù)對應的熱循環(huán)曲線Fig.9 Thermal cycle curves corresponding to different plate thickness parameters

由表7和圖8可知，隨著板厚的增加，沖擊吸收能量先增大后減小，板厚參數(shù)為12 mm時，沖擊吸收能量最大；硬度隨著板厚參數(shù)增大而增大。由圖8可知，板厚參數(shù)為6 mm時，試樣的顯微組織為上貝氏體，對應的沖擊吸收能量和硬度都較低；板厚參數(shù)為10 mm時，試樣的顯微組織為下貝氏體，硬度較高，沖擊吸收能量較好；板厚參數(shù)為16,20 mm時，試樣的顯微組織為馬氏體+貝氏體，沖擊吸收能量較低，硬度高。板厚參數(shù)的變化影響熱循環(huán)過程熱量的擴散，隨著板厚的增大，試樣的導熱能力增大，冷卻速度增大，顯微組織轉(zhuǎn)變向高冷速組織變化。由圖9可知，隨著板厚的增加，進行熱循環(huán)的時間減少，冷卻速度增大。

2.7 試樣跨度對試驗結(jié)果的影響

試樣跨度分別設定為8,11,13,15 mm，對熱模擬試驗后不同試樣跨度試樣進行沖擊試驗和硬度測試，結(jié)果見表8，其顯微組織形貌如圖10所示，不同試樣跨度對應的熱循環(huán)曲線如圖11所示。

表8 熱模擬試驗后不同試樣跨度試樣的沖擊吸收能量和硬度Tab.8 Impact absorption energy and hardness of samples with different sample spans after thermal simulation test

圖10 熱模擬試驗后不同試樣跨度試樣的顯微組織形貌Fig.10 Microstructure morphology of samples with different sample spans after thermal simulation test: a) sample span 8 mm; b) sample span 11 mm; c) sample span 13 mm; d) sample span 15 mm

圖11 不同試樣跨度對應的熱循環(huán)曲線Fig.11 Thermal cycle curves corresponding to different sample spans

由表8可知，隨著試樣跨度的增加，沖擊吸收能量逐漸增大，硬度略有下降。由圖10可知，試樣的顯微組織均為馬氏體+貝氏體，但隨著試樣跨度的增加，馬氏體含量逐漸減少，貝氏體含量增多。這是因為隨試樣跨度的增大，加熱區(qū)域增大，溫度梯度減小，溫度趨于均勻，冷卻速度降低。

由圖11可知，隨著試樣跨度的增大，從峰值溫度至400 ℃所用的時間增長，冷卻速度下降，促使顯微組織向貝氏體轉(zhuǎn)變，因此貝氏體含量增多，馬氏體的含量減少。

3 結(jié)論

(1) 預熱溫度是影響熱模擬試驗結(jié)果的顯著因素，隨著預熱溫度的升高，會降低試驗的冷卻能力，顯微組織類型向低冷速組織轉(zhuǎn)變；而升溫速度對試樣力學性能和顯微組織類型的影響非常小。

(2) 峰值溫度是影響熱模擬試驗結(jié)果的重要因素，不同的峰值溫度模擬不同焊接熱影響區(qū)，峰值保溫時間延長，試樣加熱段顯微組織更均勻，提高了試樣的沖擊吸收能量，但同時晶粒長大，又會降低試樣的力學性能。

(3) 焊接線能量的變化，影響試樣的熱循環(huán)過程冷卻速度，焊接線能量越大，試樣瞬時冷卻速度越??；板厚參數(shù)的變化影響試樣的熱量擴散能力，板厚參數(shù)越大，試樣的擴散能力越強，顯微組織類型向高冷速組織轉(zhuǎn)變。

3 結(jié)論及建議

該連接螺栓的斷裂類型為高周疲勞斷裂，屬于疲勞引起的脆性斷裂。連接螺栓倒角處存在微小裂紋缺陷，使得該處應力集中從而產(chǎn)生多處裂紋源，且螺栓顯微組織中塊狀鐵素體的存在降低了螺栓的疲勞強度，最終導致螺栓斷裂。

建議提高螺栓表面的加工質(zhì)量，使用前對螺栓進行抽查檢驗，注意檢查其加工精度；同時改進熱處理工藝，防止螺栓產(chǎn)生過多的鐵素體。