低合金高強鋼的焊接工藝與組織性能研究

張翠紅,李暢

(1. 安徽汽車職業(yè)技術學院汽車工程系,安徽合肥,230600;2. 安徽理工大學機械工程學院,安徽淮南,232001)

S700MC 鋼由于具有強度高、低溫沖擊性能好等特性,在裝配式鋼結(jié)構工程中有著廣泛應用,尤其是隨著近年來大跨度、高層和超高層鋼結(jié)構建筑的興起,S700MC 鋼被越來越多地應用于裝配式鋼結(jié)構建筑[1],其相對傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構建筑,具有抗震性能優(yōu)越、整體結(jié)構延性好等優(yōu)點,且施工更加便捷、施工效率高,符合低碳環(huán)保和節(jié)能減排的發(fā)展需求。作為裝配式鋼結(jié)構建筑中必不可少的環(huán)節(jié),不同型號、不同尺寸的S700MC 鋼或多或少都需要進行焊接,而由于裝配式鋼結(jié)構獨特的結(jié)構特征和受力特征[2–3],需要對焊接接頭的性能提高要求。尤其是對于具有高強度的S700MC 鋼,傳統(tǒng)電弧焊過程中由于整體構件的受熱不均,構件還可能發(fā)生熱變形,建筑鋼結(jié)構施工焊接可根據(jù)鋼結(jié)構施工工程平面和立面形狀、結(jié)構形式等進行擇優(yōu)選擇,采用氣體保護焊有望解決傳統(tǒng)電弧焊存在的弊端,并應用于建筑鋼結(jié)構施工焊接[4–7]。本文以裝配式鋼結(jié)構用S700MC 低合金高強鋼為焊接對象,在“等強匹配”原則下,研究了焊接熱輸入對裝配式鋼結(jié)構用S700MC 鋼焊接接頭宏觀形貌、硬度、拉伸性能、沖擊性能和冷彎性能的影響,優(yōu)化了S700MC 鋼的連接工藝,并分析了其對焊接接頭力學性能影響的作用機理,結(jié)果將有助于提升裝配式鋼結(jié)構用鋼的焊接工藝及其安全儲備能力。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本文選用裝配式鋼結(jié)構用S700MC 低合金高強鋼為焊接對象,其抗拉強度為845 MPa、屈服強度為728 MPa、斷后伸長率為18.9%;所選用的焊絲為直徑1.2 mm 的低合金鋼焊絲。測得選材的化學成分及質(zhì)量分數(shù)如表1。焊接前,將裝配式鋼結(jié)構用S700MC 低合金高強鋼加工成380 mm×200 mm×6 mm,中間開V型坡口(鈍邊2.5 mm,角度60°),表面清洗后烘干備用。

表1 S700MC 低合金高強鋼和焊絲的化學成分及質(zhì)量分數(shù)

1.2 焊接加工

采用NBM–5000 型逆變?nèi)珨?shù)字脈沖氣體保護焊機對S700MC低合金高強鋼進行焊接,保護氣為高純氬氣(99.99%)[8],焊接工藝參數(shù)如表2。為便于區(qū)分焊接熱輸入對S700MC 低合金高強鋼焊接組織與性能的影響,文中的焊接熱輸入指第3 道次焊接的線能量。

表2 S700MC 鋼的焊接工藝參數(shù)

1.3 測試方法

采用徠卡DM6M 型光學顯微鏡和日本電子IT500 型鎢燈絲掃描電子顯微鏡觀察4%硝酸酒精溶液腐蝕后的形貌; 硬度測試采用Wilson5530 型顯微硬度計進行測試,荷載和保持荷載時間分別為0.5 kg、15 s,測量位置為從母材貫穿焊縫至另一側(cè)母材,間隔0.3 mm 打點[9]; 參照GB/T 2650—2008 標準測試V 型沖擊性能[10],試樣尺寸為55 mm× 10 mm× 5 mm,測試結(jié)果取6 根試樣平均值; 參照GB/T 2651—2008 標準測試拉伸性能[11],拉伸速率為1.5 mm/min,測試結(jié)果取6 根試樣平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖1 為S700MC 鋼焊接接頭的宏觀形貌,分別列出了在焊接工藝Ⅰ～Ⅳ焊接條件下的宏觀形貌,圖中畫出了焊接道次并用數(shù)字進行區(qū)分。由圖1 可知,4 種不同焊接工藝下焊接接頭都成形良好,在焊接道次1、焊接道次2 和焊接道次3 的各個區(qū)域都沒有發(fā)現(xiàn)焊接缺陷存在,如未發(fā)現(xiàn)焊接氣孔、未發(fā)現(xiàn)焊接裂紋,以及未發(fā)現(xiàn)其他未熔合等現(xiàn)象。相較而言,4 種焊接工藝下焊接道次1 和焊接道次2 的焊接接頭形狀相似,而焊接道次3 對應區(qū)域存在明顯差異,主要體現(xiàn)在隨著焊接線能量增加,焊接道次3 對應區(qū)域的焊縫熔深和熔寬會逐漸增大。此外,還可以發(fā)現(xiàn)較低焊接熱輸入下,焊接道次間的界限較為清晰,而當焊接熱輸入增加至18.24 和21.25 kJ/cm 時,焊接道次間的界限逐漸變得模糊。

圖1 S700MC 鋼焊接接頭的宏觀形貌

圖2 為S700MC 鋼焊接接頭焊縫區(qū)的顯微形貌,分別列出了焊接道次3 對應區(qū)域的焊接接頭焊縫區(qū)形貌。由圖2 可知,焊接工藝Ⅰ和焊接工藝Ⅱ下的焊縫區(qū)組織都為貝氏體(B)和針狀鐵素體(AF),且焊接熱輸入較大的焊接工藝Ⅱ中的AF 含量較大; 隨著焊接熱輸入進一步增加,焊接工藝Ⅲ的顯微組織轉(zhuǎn)變?yōu)锳F 和少量先共析鐵素體(PF),而B 組織基本消失; 繼續(xù)增加焊接熱輸入,焊接工藝Ⅳ的焊接接頭焊縫區(qū)AF 組織含量減小,轉(zhuǎn)而以PF 為主,晶內(nèi)可見塊狀鐵素體。從焊接熱輸入對焊接接頭焊縫區(qū)顯微組織的影響上看,焊接道次3 對應區(qū)域的焊接接頭焊縫區(qū)中的AF 含量會隨著焊接熱輸入增大而先增加后減小,在較高焊接熱輸入下還會出現(xiàn)塊狀鐵素體。

圖2 多道次焊接S700MC 鋼焊接接頭焊縫區(qū)的顯微形貌

圖3 為多道次焊接S700MC 鋼焊接接頭粗晶區(qū)的顯微形貌,分別列出了焊接道次3 對應區(qū)域的焊接接頭粗晶區(qū)形貌。焊接工藝Ⅰ和焊接工藝Ⅱ下焊接道次3 對應區(qū)域的焊接接頭粗晶區(qū)中可見明顯上貝氏體(上B)組織,晶粒較為粗大,且焊接熱輸入更高的焊接工藝Ⅱ的晶粒由于在高溫下停留時間更長而更大; 焊接工藝Ⅲ下粗晶區(qū)的組織為細小上B,而焊接工藝Ⅳ的粗晶區(qū)組織為板條B。

圖3 多道次焊接S700MC 鋼焊接接頭粗晶區(qū)的顯微形貌

圖4 為多道次焊接S700MC 鋼焊接接頭細晶區(qū)的顯微形貌,分別列出了焊接道次3 對應區(qū)域的焊接接頭細晶區(qū)形貌。焊接工藝Ⅰ和焊接工藝Ⅱ下焊接道次3 對應區(qū)域的焊接接頭細晶區(qū)中可見明顯多邊形AF 組織,且對比分析圖4(a)、4(b)可知,焊接工藝Ⅱ的AF 更大; 焊接工藝Ⅲ下細晶區(qū)的組織仍然為多邊形鐵素體,且多邊形鐵素體尺寸不均勻性增加,繼續(xù)增加焊接熱輸入時,焊接工藝Ⅳ的細晶區(qū)組織也為多邊形鐵素體,且此時多邊形鐵素體數(shù)量減小,尺寸增大。

圖4 多道次焊接S700MC 鋼焊接接頭細晶區(qū)的顯微形貌

2.2 力學性能

圖5為焊接接頭位置1處的截面從母材一側(cè)貫穿焊縫至另一側(cè)母材的顯微硬度測試結(jié)果,其中位置1 指焊接道次3 對應區(qū)域。由圖5 可知,4 種焊接工藝下焊接接頭區(qū)域都存在2 個軟化區(qū),且軟化區(qū)都在焊縫兩側(cè)[12],呈對稱分布; 雖然不同焊接工藝下焊縫區(qū)的顯微硬度都存在明顯波動,但是基本都高于母材; 此外,從焊接工藝Ⅰ增加至焊接工藝Ⅳ,焊縫區(qū)寬度和焊縫區(qū)兩側(cè)軟化區(qū)寬度都會隨著焊接熱輸入的增加而增大。

圖5 焊接接頭位置1 處的顯微硬度分布

圖6 為焊接接頭位置2 處的截面硬度測試結(jié)果,其中位置2 指焊接道次1 對應區(qū)域。對比分析圖6可知,與位置1 處的焊縫硬度分布規(guī)律相似,位置2 處焊縫區(qū)的硬度仍然有一定程度波動,但是焊縫區(qū)硬度仍然高于母材區(qū); 此外,隨著焊接熱輸入增大,焊縫兩側(cè)的軟化區(qū)寬度有逐漸增大的趨勢。這主要是因為焊接熱輸入越大,焊接接頭熔體在高溫停留的時間會越長[13],元素的擴散效果也會越好[14],晶粒長大就愈發(fā)明顯[15],相應地造成軟化區(qū)域增大。

圖6 焊接接頭位置2 處的顯微硬度

表3 為焊接接頭的拉伸和沖擊功測試結(jié)果,拉伸性能測試溫度為室溫,沖擊功測試溫度為-20 ℃,強塑積是指抗拉強度與斷后伸長率的乘積,其單位為GPa·%。由表3 可知,當焊接熱輸入從焊接工藝Ⅰ增加至焊接工藝Ⅳ,焊接接頭的屈服強度從748 MPa 逐漸減小至649 MPa,抗拉強度從838 MPa 逐漸減小至785 MPa,斷后伸長率從6.30%逐漸增加至13.80%,即隨著焊接熱輸入的增加,低合金高強度鋼的焊接接頭抗拉強度和屈服強度逐漸增小,斷后伸長率逐漸增大,焊接接頭抗拉強度與母材抗拉強度比從99.17%減小至92.57%,而強塑積則先增大后減小,在焊接熱輸入為18.24 KJ/cm 時取得最大值,約為10.918 GPa·%。此外,4 種焊接工藝下焊接接頭的拉伸斷裂位置都處于熱影響區(qū),這主要與焊接接頭的成形質(zhì)量較好,薄弱區(qū)在熱影響區(qū)有關[16–18]。由表3 中-20 ℃沖擊功測試結(jié)果可知,使用焊接工藝Ⅰ～Ⅳ時對應的沖擊功隨著焊接熱輸入的增加先增大后減小,在焊接熱輸入為18.24 KJ/cm 時取得最大值,這主要是因為此時焊接接頭焊縫區(qū)組織為AF+PF,在保持焊接接頭具有較高強度的同時,又具有較好的韌性[19],在沖擊載荷作用下可以更好地協(xié)調(diào)變形,抑制裂紋擴展[20],獲得更好的沖擊韌性。

表3 焊接接頭的拉伸和沖擊功測試結(jié)果

3 結(jié)論

(1)4 種焊接工藝下焊接道次1 和焊接道次2 的焊接接頭形狀相似,而焊接道次3 對應區(qū)域的焊縫熔深和熔寬有隨著焊接線能量增加而增大的趨勢; 較低焊接熱輸入下,焊接道次間的界限較為清晰,而當焊接熱輸入增加至18.24、21.25 KJ/cm 時,焊接道次間的界限逐漸變得模糊。

(2)焊接工藝Ⅰ和焊接工藝Ⅱ下焊接道次3 對應區(qū)域的焊接接頭粗晶區(qū)中可見明顯上貝氏體(上B)組織,晶粒較為粗大; 焊接工藝Ⅲ下粗晶區(qū)的組織為細小上B,焊接工藝Ⅳ的粗晶區(qū)組織為板條B。

(3)隨著焊接熱輸入的增加,焊接接頭抗拉強度與母材抗拉強度比從99.17%減小至92.57%,而強塑積則先增大后減小; 不同焊接工藝下焊接接頭的拉伸斷裂位置都處于熱影響區(qū)。使用焊接工藝Ⅰ～Ⅳ時對應的沖擊功分別為39.9、46.9、73.2 和33.5 J。