正火鋼Q370qE焊接接頭熱影響區(qū)組織及沖擊韌性研究

謝 杰,張陸霄,王 納,張 宇,李 惠,王加友*

(1.江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212100)(2.江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院, 張家港 215625)

隨著我國(guó)橋梁建造行業(yè)的發(fā)展,橋梁結(jié)構(gòu)鋼的需求逐年遞增[1]．為了適應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性以及耐候性的要求[2],橋梁鋼的性能指標(biāo)逐漸向高強(qiáng)高韌易焊等高要求方向發(fā)展[3]．相比于其他鋼種,目前橋梁結(jié)構(gòu)鋼中應(yīng)用最廣、需求最大的是Q370qE鋼[4]．然而,正火態(tài)交貨的Q370qE鋼在使用過(guò)程中易出現(xiàn)焊接接頭熱影響區(qū)低溫沖擊韌性不穩(wěn)定的問(wèn)題．

文中針對(duì)兩種不同成分的正火鋼Q370qE,從焊接接頭熱影響區(qū)低溫沖擊韌性的測(cè)試、元素分布及組織占比的定量定性分析,研究母材合金元素及焊接工藝對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響,解決現(xiàn)有正火鋼Q370qE存在問(wèn)題,為實(shí)際鋼材生產(chǎn)提供指導(dǎo)．

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)研究對(duì)象為江蘇沙鋼集團(tuán)有限公司提供的兩種不同成分，板厚為50 mm正火鋼Q370qE，分別稱(chēng)為A類(lèi)板和B類(lèi)板，合金成分如表1．與A類(lèi)板相比,B類(lèi)板母材中Nb、V元素含量明顯減少,Cu、Ni元素含量明顯增多．

表1 不同母材合金成分Table 1 Alloy compositions of different base material w(x)/%

1.2 焊接方法及材料

試驗(yàn)用焊接方法為直流埋弧焊,焊絲選用直徑5 mm的H08Mn2E,配套焊劑SJ101q．埋弧焊絲的化學(xué)成分如表2．對(duì)比表1和表2中Ni元素含量可知,焊絲中Ni元素含量高于兩種母材．

表2 埋弧焊絲H08Mn2E化學(xué)成分Table 2 Chemical compositions of submergedarc welding wire H08Mn2E w(x)/%

1.3 焊接工藝參數(shù)

為研究焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭熱影響區(qū)低溫沖擊韌性的影響,選定4種不同焊接熱輸入的工藝參數(shù),如表3．

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding experimental parameters

1.4 熱影響區(qū)低溫沖擊韌性測(cè)試方法

按照Q/CR 9211-2015鐵路鋼橋制造規(guī)范及GB/T 2650-2008焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法,在距離焊接接頭上表面2 mm位置取熱影響區(qū)沖擊試樣,沖擊缺口采用夏比V型缺口,缺口中心在熔合線外1 mm位置,試驗(yàn)溫度為-40℃,擺錘沖擊的刀刃為2 mm．

1.5 元素測(cè)定方法

為測(cè)定焊接接頭熱影響區(qū)元素的遷移變化,利用電子探針X射線顯微分析儀(EPMA)測(cè)定距離焊接接頭上表面7 mm位置(圖1水平方向箭頭所示)元素分布[5],涵蓋母材、熱影響區(qū)、熔合線及焊縫，主要測(cè)定元素為Cu、Ni、Nb、V．

圖1 焊接接頭宏觀照片F(xiàn)ig.1 Macroscopic photo of welded joint

1.6 熱影響區(qū)區(qū)域特征及分析方法

金相顯微鏡觀察表明焊接接頭熱影響區(qū)組織在不同區(qū)域存在差異．圖1虛線方框內(nèi)為表層焊縫熱影響區(qū),局部放大圖如圖2(a)．圖1實(shí)線方框內(nèi)為層間焊縫熱影響區(qū),局部放大圖如圖2(b)．圖2中虛線為焊接接頭熔合線,實(shí)線為熱影響區(qū)各區(qū)域分界線．

圖2 焊接接頭熱影響區(qū)局部放大圖Fig.2 Local enlargement of HAZ of welded joints

圖2(a)中各區(qū)域?yàn)?① 焊縫區(qū)、② 熱影響區(qū)粗晶區(qū)、③ 熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)、④ 過(guò)渡區(qū)、⑤ 母材．在厚板的多層多道焊接過(guò)程中,后道焊縫對(duì)前道焊縫有后熱作用,使得層間焊縫熱影響區(qū)粗晶區(qū)細(xì)化至消失[6],如圖2(b),其中① 焊縫區(qū)、② 熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)、③ 母材．

熱影響區(qū)組織分析位置為距離上表面7 mm位置,分別取焊縫左側(cè)的熱影響區(qū),簡(jiǎn)稱(chēng)“左”位置;焊縫右側(cè)的熱影響區(qū),簡(jiǎn)稱(chēng)“右”位置．

2 結(jié)果與分析

2.1 熱影響區(qū)低溫沖擊韌性

針對(duì)不同的焊接熱輸入,兩種鋼板焊接接頭熱影響區(qū)的沖擊吸收功Ak(沖擊溫度-40℃)如圖3,圖中虛線對(duì)應(yīng)的47 J為沖擊韌性的標(biāo)準(zhǔn)值．

圖3 焊接接頭熱影響區(qū)沖擊功Fig.3 Impact energy in HAZ of welded joints

可見(jiàn),焊接熱輸入相同時(shí),B類(lèi)板焊接接頭熱影響區(qū)低溫沖擊韌性普遍比A類(lèi)板的好;對(duì)于同一成分母材,隨著焊接熱輸入的增加,熱影響區(qū)低溫沖擊韌性有下降趨勢(shì)．

焊接接頭的性能主要取決于組織,包括組織的類(lèi)型、占比和晶粒度,而組織主要受母材成分和焊接工藝影響．文中主要研究母材合金元素及焊接工藝對(duì)焊接接頭熱影響區(qū)組織的影響．

2.2 母材合金元素及焊接工藝對(duì)接頭熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)組織的影響

圖4為板厚50 mm焊接接頭熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)顯微組織,主要由鐵素體和珠光體組成．

圖4 焊接接頭熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)顯微組織Fig.4 Microstructure of fine grain zonein HAZ of welded joint

圖5為板厚50 mm兩種成分板不同焊接熱輸入(30 kJ/cm，24 kJ/cm)時(shí)接頭熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)珠光體占比．焊接熱輸入相同時(shí),B類(lèi)板接頭的珠光體含量略高;同一成分母材的接頭,在較大焊接熱輸入時(shí),珠光體含量略高;在接頭左右側(cè)熱影響區(qū),呈相似變化規(guī)律．

圖6為合金元素對(duì)C元素在γ-Fe中擴(kuò)散系數(shù)的影響[7],隨著Ni元素含量的增加,C元素的擴(kuò)散系數(shù)增大．B類(lèi)板母材中Ni元素的含量高,同時(shí)由于焊縫區(qū)溫度高,促進(jìn)了焊接接頭熱影響區(qū)C元素向熔合線方向擴(kuò)散．

圖5 焊接接頭熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)珠光體占比Fig.5 Pearlite proportion in fine grain zonein HAZ of welded joints

圖6 合金元素對(duì)C元素在γ-Fe中擴(kuò)散系數(shù)的影響Fig.6 Effect of alloy elements on diffusioncoefficient of C element in γ-Fe

在大熱輸入焊接時(shí),接頭高溫停留時(shí)間長(zhǎng),有利于C元素的擴(kuò)散,使熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)形成Fe3C幾率大,因此較大焊接熱輸入時(shí)熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)的珠光體含量較高．

圖7為板厚50 mm兩種成分板不同焊接熱輸入(30 kJ/cm，24 kJ/cm)時(shí)接頭熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)鐵素體晶粒尺寸．焊接熱輸入相同時(shí),B類(lèi)板焊接接頭細(xì)晶區(qū)的鐵素體晶粒更細(xì);同一成分母材的接頭,焊接熱輸入較大時(shí),鐵素體晶粒略有長(zhǎng)大;在接頭左右側(cè)熱影響區(qū),呈相似變化規(guī)律．

圖7 焊接接頭熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)鐵素體晶粒尺寸Fig.7 Ferrite grain size in fine grain zonein HAZ of welded joints

利用EPMA測(cè)定焊接接頭熱影響區(qū)的元素分布,位置如圖1箭頭所示．圖8和圖9分別為A、B兩類(lèi)板焊接接頭熱影響區(qū)元素分布．圖中,橫坐標(biāo)代表的位置從左到右依次為母材、熱影響區(qū)、熔合線、焊縫,虛線為熔合線位置,文中主要分析焊接接頭熱影響區(qū)(即虛線左側(cè))元素含量的變化．

圖8 A類(lèi)板焊接接頭熱影響區(qū)合金元素分布Fig.8 Distribution of elements in HAZof welded joints of plate A

圖9 B類(lèi)板焊接接頭熱影響區(qū)合金元素分布Fig.9 Distribution of elements in HAZof welded joints of plate B

Nb、V元素為強(qiáng)碳化物形成元素,且高溫下不易分解,以NbC、VC的形式遷移過(guò)程中會(huì)起到細(xì)化晶粒作用[8]．對(duì)于A類(lèi)板焊接接頭,Nb、V的含量從母材、熱影響區(qū)到熔合線的分布如圖8(b),在熔合線附近由于受熔池的影響使Nb、V在熔合線附近有所下降．B類(lèi)板母材中Nb、V元素的含量略低,在熔合線附近Nb、V元素的含量有明顯下降(如圖9(b)實(shí)線方框內(nèi))．對(duì)于B類(lèi)板焊接接頭,Cu、Ni元素的含量在熱影響區(qū)均有明顯下降(實(shí)線方框內(nèi)),如圖9(a),表明焊接過(guò)程中焊接接頭熔合線處Cu、Ni元素發(fā)生了明顯的遷移．A類(lèi)板焊接接頭熔合線附近未發(fā)生明顯Cu、Ni元素遷移現(xiàn)象,如圖8(a)．在焊接過(guò)程中,B類(lèi)板焊接接頭熱影響區(qū)Cu、Ni、Nb、V元素易從熱影響區(qū)向熔合線遷移,細(xì)化晶粒作用更強(qiáng)．因此,B類(lèi)板焊接接頭熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)鐵素體的晶粒比A類(lèi)板更細(xì),沖擊韌性更好．

在大熱輸入焊接時(shí),焊接接頭高溫停留時(shí)間長(zhǎng),鐵素體晶粒易于長(zhǎng)大,導(dǎo)致沖擊韌性下降．

2.3 母材合金元素及焊接工藝對(duì)接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織的影響

圖10為板厚50 mm兩種成分板焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)顯微組織，從圖中可以看出,A、B兩類(lèi)板焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)主要是由針狀鐵素體和少量粒狀貝氏體構(gòu)成．針狀鐵素體分布無(wú)明顯位向關(guān)系,組織均勻細(xì)?。跀嗔堰^(guò)程中,裂紋的擴(kuò)展必然會(huì)受到不規(guī)則排列的針狀鐵素體的阻礙,從而提高韌性．相比于A類(lèi)板,B類(lèi)板中粒狀貝氏體含量較多,且分布較廣、較均勻．少量均勻分布的低碳粒狀貝氏體能有效地提高韌性．

在低碳粒狀貝氏體中,M-A島組織以不連續(xù)的方式彌散分布在板條鐵素體基體中,且這些島與島之間有一定的間隔,島與島之間夾著良好韌性的板條鐵素體,這些彌散分布的M-A島可以減緩裂紋擴(kuò)展時(shí)的應(yīng)力集中,降低裂紋的擴(kuò)展速度[9]．從而提升B類(lèi)板的低溫沖擊韌性．

圖10 不同成分板焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)顯微組織Fig.10 Microstructure of coarse grain zone in HAZof welded joints with different components

B類(lèi)板中含Ni量較高,A1線下移,使過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線(C曲線)右移[10],在一定的冷卻速度下,增大形成粒狀貝氏體的幾率,因此B類(lèi)板焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)中粒狀貝氏體含量多．同時(shí),珠光體轉(zhuǎn)變溫度降低,使珠光體片層細(xì)化,韌性較好．Ni含量較高,也可以提高奧氏體穩(wěn)定性,防止奧氏體晶粒的長(zhǎng)大,有利于得到細(xì)小的針狀鐵素體．

圖11為不同焊接熱輸入接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)顯微組織，焊接熱輸入較大時(shí),晶粒易于長(zhǎng)大,導(dǎo)致沖擊韌性下降．

圖11 不同焊接熱輸入接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)顯微組織Fig.11 Microstructure of coarse grain zone in HAZof welded joints with different heat inputs

3 結(jié)論

(1) Ni、Cu元素含量較高的正火鋼Q370qE焊接過(guò)程中,焊接接頭熱影響區(qū)的Cu、Ni、Nb、V元素易從母材側(cè)向熔合線側(cè)遷移,細(xì)化了細(xì)晶區(qū)鐵素體晶粒,具有較高的低溫沖擊韌性．

(2) 正火鋼Q370qE含Ni元素較高時(shí),C曲線右移,促進(jìn)焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)生成低碳粒狀貝氏體,當(dāng)?shù)吞剂钬愂象w細(xì)小、均勻時(shí),具有較高的低溫沖擊韌性．