許 冰 陳春煥 陳增有 馬清波 謝 明

(①大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連 116028;②中國(guó)北車(chē)集團(tuán)齊齊哈爾車(chē)輛(集團(tuán))有限責(zé)任公司，黑龍江齊齊哈爾 161002)

WELDOX960E高強(qiáng)鋼是新一代低合金高強(qiáng)度鋼中的一種，其晶粒細(xì)小均勻、潔凈度高，具有屈服強(qiáng)度高、沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于對(duì)低重量且有較高要求的承重結(jié)構(gòu)［1］。但是，WELDOX960E高強(qiáng)鋼的開(kāi)發(fā)時(shí)間不長(zhǎng)，對(duì)其焊接性的系統(tǒng)研究不多。因此，為了進(jìn)一步提高我國(guó)鐵路起重機(jī)吊臂的焊接質(zhì)量，保證我國(guó)鐵路起重機(jī)的安全運(yùn)行，對(duì)吊臂用WELDOX960E高強(qiáng)鋼的焊接工藝進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究是十分必要的。本文分別對(duì)WELDOX960E高強(qiáng)鋼焊接接頭進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊等力學(xué)性能試驗(yàn)和焊接接頭硬度試驗(yàn)，并利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡等分析手段對(duì)WELDOX960E高強(qiáng)鋼接頭的熔合區(qū)、焊縫金屬和熱影響區(qū)的微觀組織及斷口進(jìn)行分析，為WELDOX960E高強(qiáng)鋼的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為WELDOX960E高強(qiáng)鋼;為了減少焊接冷裂紋，提高焊縫韌性，所以遵循“低強(qiáng)匹配”原則［2］，選用了 φ1.2 mm 的 Union X90實(shí)芯焊絲;采用混合氣體為80%Ar+20%CO2的熔化極混合氣體保護(hù)焊;接頭形式為對(duì)接，試樣板厚為10 mm，焊縫形式為60°V形坡口;試驗(yàn)材料和焊接材料的化學(xué)成分與力學(xué)性能見(jiàn)表1和表2，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表1 WELDOX960E高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分與力學(xué)性能

表2 Union X90焊絲的化學(xué)成分與力學(xué)性能

表3 焊接工藝參數(shù)

表4 WELDOX960E高強(qiáng)鋼焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析討論

2.1 拉伸試驗(yàn)

室溫拉伸試驗(yàn)按GB/T2651－2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》和GB/T228.1－2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行。拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表4所示:焊接接頭的抗拉強(qiáng)度平均值為1 015 MPa，其斷裂位置為熔合線(xiàn)，同時(shí)，熱影響區(qū)有明顯的頸縮現(xiàn)象，斷口中心和邊緣由細(xì)小的韌窩群組成(見(jiàn)圖1)。因此，其焊接接頭具有良好的拉伸性能。

2.2 彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)按GB2653－2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》和GB/T232－2010《金屬材料彎曲試驗(yàn)方法》進(jìn)行。彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表5所示:不論面彎還是背彎180°，均沒(méi)有裂紋，合格。說(shuō)明焊接接頭的彎曲性能良好。

表5 WELDOX960E高強(qiáng)鋼焊接接頭彎曲試驗(yàn)結(jié)果

2.3 沖擊試驗(yàn)

低溫沖擊試驗(yàn)按GB/T229－2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》和GB/T2650－2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行。沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6:－40℃時(shí)，焊縫、熱影響區(qū)和母材的沖擊功平均值為31 J、15 J和58 J，熱影響區(qū)沖擊功值較低，是因?yàn)榇志^(qū)產(chǎn)生MA組元，使熱影響區(qū)韌性下降［3］。試驗(yàn)采用的沖擊試樣為半試樣，試驗(yàn)所測(cè)得沖擊功平均值均高于沖擊功標(biāo)準(zhǔn)值27 J。試件斷口形貌為淺韌窩，說(shuō)明其焊接接頭具有良好的沖擊性能。

表6 WELDOX960E高強(qiáng)鋼焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.4 金相分析試驗(yàn)

WELDOX960E高強(qiáng)鋼焊接接頭經(jīng)加工、打磨、拋光后，用4%硝酸酒精溶液腐蝕，在BX51M型光學(xué)顯微鏡下觀察焊縫、熱影響區(qū)和母材的顯微組織形態(tài)(圖2)?？梢?jiàn)WELDOX960E高強(qiáng)鋼焊接接頭焊縫顯微組織(圖2a)為針狀鐵素體與少量粒狀貝氏體的混合分布，在低合金高強(qiáng)鋼鋼組織中，以針狀鐵素體形態(tài)存在的組織韌性較高，是焊縫熔敷金屬最適宜的金相組織［4－5］;熔合區(qū)顯微組織(圖2b)為板條馬氏體和少量白色M－A塊區(qū)，且晶粒粗大，這是焊接熱輸入過(guò)大造成的;正火區(qū)顯微組織(圖2c)為塊狀鐵素體、粒狀貝氏體和珠光體，正火區(qū)由于發(fā)生了重結(jié)晶，該區(qū)域的組織與晶粒得到了細(xì)化，往往是焊接接頭性能最佳的區(qū)域［6］;母材顯微組織(圖2d)為回火索氏體。

2.5 硬度試驗(yàn)

WELDOX960E高強(qiáng)鋼焊接接頭硬度試驗(yàn)按GB/T4340.1－2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)》進(jìn)行。焊接接頭硬度分布曲線(xiàn)如圖3所示。

焊接接頭各區(qū)域的硬度值是由焊接熱輸入與母材組織成分共同決定的。高強(qiáng)鋼焊接接頭硬度值在270～370 HV之間，粗晶區(qū)硬度最高，最高硬度為367HV，這是因?yàn)榇志^(qū)板條馬氏體與M－A組元硬度高。熱影響區(qū)存在輕微的軟化，軟化發(fā)生在不完全相變區(qū)。造成WELDOX960E高強(qiáng)鋼焊接接頭軟化的原因主要是由于焊后焊接接頭熱影響區(qū)的局部區(qū)域出現(xiàn)了沿晶界呈顆粒狀或塊狀分布的組織(主要是鐵的碳化物)，這些組織在晶界的聚集使得原本均勻細(xì)小的回火索氏體組織不再均勻一致，從而使得該區(qū)域的組織發(fā)生軟化［7－8］。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)WELDOX960E高強(qiáng)鋼強(qiáng)度級(jí)別高，碳當(dāng)量較高，具有較高的冷裂敏感性，焊前必須進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度應(yīng)為200℃左右。

(2)采用Union X90焊絲焊接WELDOX960E高強(qiáng)鋼，可獲得拉伸、彎曲和沖擊性能均良好的焊接接頭。

(3)WELDOX960E高強(qiáng)鋼焊接接頭焊縫顯微組織為針狀鐵素體與少量粒狀貝氏體的混合分布;熔合區(qū)顯微組織為板條馬氏體和少量白色M－A塊區(qū);正火區(qū)顯微組織為塊狀鐵素體、粒狀貝氏體和珠光體;母材顯微組織為回火索氏體。

(4)WELDOX960E高強(qiáng)鋼焊接接頭焊縫顯微硬度在300～330 HV之間。熱影響區(qū)顯微硬度最高，熱影響區(qū)存在輕微的軟化。

［1］付榮柏.起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)制造工藝［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1991.

［2］中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［3］于啟湛.鋼的焊接脆化［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

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［5］馬成勇，田志凌，杜則裕，等.熱輸入對(duì)800MPa級(jí)鋼接頭組織及性能的影響［J］.焊接學(xué)報(bào)，2004，25(2):23 －27.

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［7］李亞江，鄒增大，陳祝年.HQ130高強(qiáng)鋼熱影響區(qū)組織及韌性［J］.焊接學(xué)報(bào)，1997，18(1):27 －32.

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