新型低錳微鈮鋼與普通Q355 鋼焊接性能比較

何江里，王秋鳴，王厚昕，周海，王青峰

（1.燕山大學(xué)，亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004；2.中信微合金化技術(shù)中心，北京 100004；3.天順風(fēng)能(蘇州)股份有限公司，江蘇 蘇州 215400）

0 前言

作為一種典型的低合金高強(qiáng)鋼，Q355 鋼以其強(qiáng)度高、塑性好、沖擊韌性優(yōu)的優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于橋梁、車輛、船舶、海洋平臺(tái)、壓力容器、風(fēng)電裝備及特種設(shè)備等工業(yè)領(lǐng)域[1-4]。在工程應(yīng)用中，Q355 鋼大多需要采用焊接方式裝配制造，而Q355 鋼在焊接過(guò)程中因較高的Mn 元素含量易在其焊接熱影響區(qū)形成較多側(cè)板條鐵素體[5]、硬相M-A 組元[6]等，產(chǎn)生嚴(yán)重的淬硬傾向問(wèn)題[7-8]，導(dǎo)致其低溫沖擊韌性惡化，對(duì)焊接鋼結(jié)構(gòu)的服役性能造成嚴(yán)重威脅，因此有必要考慮降低Q355 鋼中Mn 元素含量以改善鋼板焊接性能。但是Mn 作為擴(kuò)大奧氏體相區(qū)元素，在鋼中能起到固溶強(qiáng)化和晶粒細(xì)化作用[9]，可以提高鋼板強(qiáng)度與淬透性[10]；當(dāng)降低鋼板Mn 元素含量后，必然引起鋼板強(qiáng)度的降低。鈮（Nb）是低合金鋼中常添加的微合金化元素，在鋼中以固溶或析出的形式存在[11]，通過(guò)溶質(zhì)拖曳[12]或晶界釘扎效應(yīng)能夠有效地延緩?qiáng)W氏體再結(jié)晶[13]，抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大[14-15]，細(xì)化鐵素體晶粒，提高鋼板強(qiáng)度[16]，改善沖擊韌性[17]。文中在Q355 鋼的基礎(chǔ)上，采用降低Mn 元素含量，加入微量Nb 元素的方式設(shè)計(jì)了一種新型MnNb 鋼。

文中通過(guò)焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)、斜Y 形坡口焊接裂紋試驗(yàn)、典型對(duì)接接頭性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)及典型對(duì)接接頭疲勞性能試驗(yàn)等方法，結(jié)合金相顯微鏡及掃描電子顯微鏡兩種表征手段，深入開展新型MnNb 鋼與普通Q355 鋼焊接性能對(duì)比研究，以闡明新型MnNb 鋼更為優(yōu)異的焊接性能及機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)鋼為某鋼鐵公司生產(chǎn)的MnNb 鋼與Q355 鋼，板厚40 mm，其化學(xué)成分及基本力學(xué)性能見表1 和表2。兩種試驗(yàn)鋼板的化學(xué)成分與力學(xué)性能均符合GB/T 1591—2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》的要求。可以發(fā)現(xiàn)，Q355 鋼的焊接裂紋敏感性指數(shù)（Pcm）和碳當(dāng)量（CEV）均明顯高于MnNb 鋼，即

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能

MnNb 鋼和Q355 鋼的母材組織如圖1 所示，可知兩種鋼的母材均由較小的鐵素體和珠光體組成，并呈現(xiàn)條帶狀分布，與MnNb 鋼相比，Q355 鋼沿同一方向的帶狀組織更為明顯。

圖1 試驗(yàn)鋼的母材組織

針對(duì)MnNb 鋼與Q355 鋼，分別進(jìn)行焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)與斜Y 形坡口焊接裂紋試驗(yàn)；分別采用埋弧自動(dòng)焊（121）、藥芯焊絲二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊（136）對(duì)鋼板進(jìn)行焊接，對(duì)焊接試板開展典型對(duì)接焊縫性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)；采用埋弧自動(dòng)焊（121）對(duì)鋼板進(jìn)行焊接，焊后試板用于疲勞性能試驗(yàn)。

焊接過(guò)程中，鋼板均加工對(duì)稱雙V 坡口，如圖2所示，預(yù)熱溫度為80～120 ℃，控制層間溫度為80～200 ℃，采用實(shí)心焊絲二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊打底，焊絲為ER50-6；分別采用埋弧自動(dòng)焊和藥芯焊絲二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊進(jìn)行填充和蓋面。埋弧自動(dòng)焊采用焊絲SW-EH14，大西洋焊劑CHF101，藥芯焊絲二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊采用昆山京群焊絲GFL 71Ni。試驗(yàn)所用焊絲、焊劑的化學(xué)成分見表3 和表4。

表3 焊絲的化學(xué)成分

表4 焊劑的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

圖2 焊接試板坡口圖

試板施焊24 h 后，對(duì)焊接接頭進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)（non destructive testing，NDT)，檢測(cè)合格后，從焊接試板下料，加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸、彎曲及沖擊試樣，借助萬(wàn)能拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)、彎曲試驗(yàn)機(jī)、擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)分別開展典型對(duì)接接頭的抗拉強(qiáng)度、側(cè)彎性能及低溫沖擊韌性測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)

針對(duì)工業(yè)流程生產(chǎn)的MnNb 鋼與Q355 鋼，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 4675.5—1984《焊接性試驗(yàn) 焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)方法》進(jìn)行焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)，以熔合線切點(diǎn)為中心，檢測(cè)切點(diǎn)及兩側(cè)各7個(gè)點(diǎn)（相鄰點(diǎn)之間相隔0.5 mm）的顯微硬度（HV10），如圖3 所示。焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)結(jié)果，如圖4 所示。無(wú)論預(yù)熱與否，MnNb 鋼和Q355 鋼焊接熱影響區(qū)硬度均呈現(xiàn)出相近的變化趨勢(shì)，即隨距切點(diǎn)距離絕對(duì)值的減小，焊接熱影響區(qū)的硬度先升高后降低，且在距切點(diǎn)±0.5 mm 處獲得焊接熱影響區(qū)最高硬度。

圖3 顯微硬度測(cè)試點(diǎn)示意圖

圖4 焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)結(jié)果

在不預(yù)熱條件下，MnNb 鋼和Q355 鋼焊接熱影響區(qū)最高硬度分別為300 HV10 和423 HV10，表明MnNb 鋼淬硬傾向較低，而Q355 鋼淬硬傾向較為嚴(yán)重。當(dāng)預(yù)熱70 ℃時(shí)，MnNb 鋼和Q355 鋼焊接熱影響區(qū)最高硬度分別為298 HV10 和295 HV10,說(shuō)明此時(shí)兩種鋼板均無(wú)焊接淬硬傾向，焊接性良好。

在金相顯微鏡下觀察不預(yù)熱條件下MnNb 鋼和Q355 鋼焊接熱影響區(qū)最高硬度位置的微觀組織，如圖5 所示，可知Q355 鋼焊接熱影響區(qū)最高硬度位置的組織為馬氏體和板條貝氏體混合組織，具有較高的顯微硬度；而MnNb 鋼焊接熱影響區(qū)最高硬度位置的組織由板條貝氏體和粒狀貝氏體構(gòu)成，該組織硬度較低。

圖5 最高硬度位置的微觀組織

2.2 斜Y 形坡口焊接裂紋試驗(yàn)

針對(duì)工業(yè)流程生產(chǎn)的MnNb 鋼與Q355 鋼，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32260.2—2015《金屬材料焊縫的破壞性試驗(yàn) 焊件的冷裂紋試驗(yàn) 弧焊方法 第2 部分：自拘束試驗(yàn)》，采用埋弧自動(dòng)焊和藥芯焊絲二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊方法，進(jìn)行不預(yù)熱條件下的斜Y 形坡口焊接裂紋試驗(yàn)，MnNb 鋼和Q355 鋼的焊縫表面、焊根、斷面均未發(fā)現(xiàn)裂紋，說(shuō)明二者都具備優(yōu)良的防止焊接冷裂紋性能。

2.3 典型對(duì)接接頭性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)

針對(duì)MnNb 鋼與Q355 鋼，采用埋弧自動(dòng)焊和藥芯焊絲二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊方法，分別進(jìn)行典型對(duì)接焊縫性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)。施焊24 h 后，經(jīng)外觀檢測(cè)（visual testing，VT）和超聲檢測(cè)（ultrasonic testing，UT）均合格。典型對(duì)接接頭的拉伸、彎曲及沖擊性能測(cè)試結(jié)果見表5。由表5 可知，在不同焊接工藝下，MnNb 鋼與Q355 鋼對(duì)接接頭的抗拉強(qiáng)度均符合母材標(biāo)準(zhǔn)值（470～630 MPa）要求，MnNb 鋼對(duì)接接頭的抗拉強(qiáng)度稍低于Q355 鋼對(duì)接接頭，且二者的斷口位置均主要在母材。經(jīng)彎曲試驗(yàn)（d=3a，180° ）檢測(cè)，其中d表示壓頭直徑，a表示試件厚度，180° 表示彎曲角度。MnNb鋼與Q355 鋼對(duì)接接頭均無(wú)裂紋產(chǎn)生全部合格。在不同焊接工藝下，兩種鋼對(duì)接接頭的焊縫中心、熱影響區(qū)沖擊吸收能量符合母材標(biāo)準(zhǔn)值（≥34 J）要求，且MnNb鋼對(duì)接接頭焊縫中心的沖擊吸收能量略低于Q355 鋼接頭，而MnNb 鋼對(duì)接接頭熱影響區(qū)的沖擊吸收能量明顯整體高于Q355 鋼接頭。

表5 典型對(duì)接接頭性能測(cè)試結(jié)果

選擇典型焊接工藝為埋弧自動(dòng)焊的MnNb 鋼與Q355 鋼焊接試板，切取二者對(duì)接接頭宏觀斷面，經(jīng)研磨、拋光、腐蝕，在金相顯微鏡下獲得二者焊縫、粗晶區(qū)及正火區(qū)的微觀組織，如圖6 所示。MnNb 鋼和Q355 鋼的焊縫組織均為典型的柱狀晶組織，主要由較大尺寸的晶界鐵素體和細(xì)小的針狀鐵素體構(gòu)成。

MnNb 鋼和Q355 鋼對(duì)接接頭的粗晶區(qū)微觀組織主要為晶界鐵素體、粒狀貝氏體以及針狀鐵素體，在Q355 鋼的粗晶區(qū)中存在一些側(cè)邊條鐵素體組織。由圖6 可知，相比于MnNb 鋼，Q355 鋼粗晶區(qū)的原始奧氏體晶粒尺寸較大，表明其γ→α 相轉(zhuǎn)變開始溫度Ar3較低，相變過(guò)冷度大，貝氏體相變形核率提高[18]，所以在晶粒內(nèi)部形成了大量細(xì)小的粒狀貝氏體組織，并且粒狀貝氏體組織內(nèi)部的鐵素體板條邊界通常為小角度晶界[19]，可以起到強(qiáng)化作用[20]，所以Q355 鋼接頭的抗拉強(qiáng)度高于MnNb 鋼接頭；但是小角度晶界不能起到阻礙微裂紋擴(kuò)展的作用，對(duì)于低溫沖擊韌性影響不大[21]。此外，Q355 鋼粗晶區(qū)存在側(cè)板條鐵素體組織，側(cè)板條鐵素體在晶粒內(nèi)部易造成局部脆化[22]，從而引起Q355 鋼粗晶區(qū)低溫韌性的惡化。MnNb 鋼粗晶區(qū)的原始奧氏體晶粒尺寸較小，相變溫度Ar3較高，相變過(guò)冷度小，相變形核率低，形成了較粗的晶內(nèi)組織，但同時(shí)在晶內(nèi)產(chǎn)生了大量的針狀鐵素體組織；小尺寸原始奧氏體晶界和眾多針狀鐵素體晶界為MnNb 鋼粗晶區(qū)提供了大量的大角度晶界，而大角度晶界能夠有效阻礙微裂紋的擴(kuò)展[23]，顯著改善低溫沖擊韌性。由于距離焊接熱源較遠(yuǎn)，晶粒長(zhǎng)大緩慢，MnNb 鋼和Q355 鋼的正火區(qū)均形成細(xì)小均勻的鐵素體和珠光體混合組織，是整個(gè)熱影響區(qū)中綜合力學(xué)性能最佳的區(qū)域。

圖6 典型焊接工藝（121）對(duì)接接頭微觀組織

2.4 典型對(duì)接接頭疲勞性能試驗(yàn)

針對(duì)MnNb 鋼與Q355 鋼，采用埋弧自動(dòng)焊對(duì)鋼板進(jìn)行焊接，焊后試板用于疲勞試驗(yàn)。對(duì)接接頭疲勞試驗(yàn)采用脈動(dòng)拉伸疲勞試驗(yàn)方法，試驗(yàn)過(guò)程在MTS Landmark 500KN 液壓疲勞試驗(yàn)機(jī)上完成，采用載荷控制，恒幅式正弦波形，加載比R為0，試驗(yàn)頻率15 Hz。試驗(yàn)過(guò)程連續(xù)進(jìn)行，指定條件疲勞極限壽命分別為2 × 106周次，應(yīng)力級(jí)為10～40 MPa。

MnNb 鋼與Q355 鋼對(duì)接接頭的應(yīng)力—壽命曲線（S-N曲線）如圖7 和圖8 所示，可知MnNb 鋼對(duì)接接頭的2 × 106周次對(duì)應(yīng)的條件疲勞極限強(qiáng)度為286 MPa，Q355 鋼對(duì)接接頭的2 × 106周次對(duì)應(yīng)的條件疲勞極限強(qiáng)度為229 MPa。相比于Q355 鋼對(duì)接接頭，MnNb 鋼對(duì)接接頭的條件疲勞極限強(qiáng)度提高57 MPa，增幅超過(guò)24%。借助數(shù)碼照相機(jī)和掃描電子顯微鏡觀察MnNb鋼與Q355 鋼對(duì)接接頭的宏觀試件與疲勞斷口形貌，可知兩種對(duì)接接頭均斷裂在接頭焊趾處。

圖7 Q355 鋼對(duì)接接頭的S-N 曲線

圖8 MnNb 鋼對(duì)接接頭的S-N 曲線

圖9 為典型對(duì)接接頭疲勞斷口形貌。MnNb 鋼與Q355 鋼對(duì)接接頭的疲勞裂紋均起源于宏觀應(yīng)力集中的焊趾處。疲勞裂紋在焊趾位置萌生后，呈放射狀向焊接接頭縱深擴(kuò)展，在兩種對(duì)接接頭疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)中出現(xiàn)大量疲勞輝紋。疲勞輝紋間距在一定程度上能夠反映疲勞裂紋擴(kuò)展的快慢程度，即疲勞輝紋的間距越大，疲勞裂紋擴(kuò)展速率越快[24]。對(duì)比圖9b 和圖9e，可知MnNb 鋼接頭疲勞輝紋間距明顯小于Q355 鋼接頭，表明在該接頭中疲勞裂紋擴(kuò)展較慢。隨著疲勞裂紋的進(jìn)一步傳播，交變載荷作用的有效截面面積持續(xù)減小，應(yīng)力不斷增大，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料屈服應(yīng)力時(shí)，將會(huì)引起強(qiáng)烈的塑性變形，試件發(fā)生瞬時(shí)斷裂。觀察圖9c 和圖9d，可知兩種接頭的斷口上均存在大量密集的等軸韌窩，這與塑性材料的拉伸斷裂行為相似。

圖9 典型對(duì)接接頭疲勞斷口形貌

3 結(jié)論

（1）在不預(yù)熱條件下，Q355 鋼淬硬傾向較為嚴(yán)重，而MnNb 鋼淬硬傾向較低；當(dāng)預(yù)熱70 ℃時(shí)，MnNb鋼和Q355 鋼兩種鋼板均無(wú)焊接淬硬傾向，焊接性良好。

（2）在不預(yù)熱條件下，MnNb 鋼和Q355 鋼均具備優(yōu)良的防止焊接冷裂紋性能。

（3）MnNb 鋼對(duì)接接頭抗拉強(qiáng)度稍低于Q355 鋼對(duì)接接頭，但其熱影響區(qū)的沖擊吸收能量明顯優(yōu)于Q355 鋼接頭。

（4）相比于Q355 鋼對(duì)接接頭，MnNb 鋼對(duì)接接頭的條件疲勞極限強(qiáng)度提高57 MPa；MnNb 鋼與Q355鋼對(duì)接接頭的疲勞裂紋均起源于宏觀應(yīng)力集中的焊趾處；MnNb 鋼接頭的疲勞輝紋間距更小，裂紋擴(kuò)展速度更慢，MnNb 鋼對(duì)接接頭的疲勞性能顯著優(yōu)于Q355 鋼對(duì)接接頭。