劉永剛，韋加利，張 武，洪永昌，尹孝輝，鄭棟材

(1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司 汽車板推進(jìn)處，安徽 馬鞍山 243000;2.安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

0 前言

低合金高強(qiáng)度鋼HSLA(High Strength Low Alloy Steel)強(qiáng)度高，焊接性能良好，被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、壓力容器和車輛制造等國(guó)民經(jīng)濟(jì)等各個(gè)領(lǐng)域［1－2］。當(dāng)?shù)秃辖鸶邚?qiáng)鋼的屈服強(qiáng)度大于400 MPa時(shí)，隨著強(qiáng)度級(jí)別的不斷提高，其焊接接頭的強(qiáng)韌性將會(huì)逐漸下降，同時(shí)裂紋敏感性逐漸增大，使得焊接工藝窗口變窄，因此在進(jìn)行高強(qiáng)度級(jí)別的HSLA焊接加工時(shí)有必要研究其焊接性，有關(guān)這方面已有不少研究成果。武漢海軍工程大學(xué)的曹雷運(yùn)用蒙特卡洛方法研究了焊接接頭強(qiáng)度匹配分布系數(shù)，提出了等強(qiáng)匹配焊接接頭的界定方法［3］;哈爾濱工業(yè)大學(xué)的趙洪運(yùn)研究了800 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼在不同焊接熱輸入作用下熱影響區(qū)組織和性能，結(jié)果表明，隨著焊接熱輸入的增大，焊接熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大的趨勢(shì)越顯著［4］。鋼鐵研究總院的馬成勇研究了焊接熱輸入對(duì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼的焊接接頭及力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明焊接接頭低溫韌性在焊接熱輸入為20 kJ/cm時(shí)最高，這時(shí)焊縫組織為細(xì)小密集的針狀鐵素體組織［5］。

本研究通過(guò)在不預(yù)熱的條件下，選用了強(qiáng)度級(jí)別與試驗(yàn)鋼強(qiáng)度相當(dāng)?shù)暮附z，采用熔化極氣體保護(hù)焊方法(GMAW)對(duì)屈服強(qiáng)度700 MPa級(jí)試驗(yàn)鋼進(jìn)行焊接性試驗(yàn)，重點(diǎn)研究在“等強(qiáng)匹配”設(shè)計(jì)原則下焊接接頭的組織和性能，為試驗(yàn)鋼在實(shí)際焊接生產(chǎn)中應(yīng)用提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)鋼選用8 mm厚屈服強(qiáng)度700 MPa級(jí)低合金高強(qiáng)熱軋鋼板，焊絲采用抗拉強(qiáng)度800 MPa級(jí)的WH80－G焊絲，直徑φ1.2 mm。試驗(yàn)材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1所示。試板尺寸為500 mm×250 mm×8 mm，接頭形式為V形坡口對(duì)接，坡口角60°，鈍邊2 mm，板間距2 mm。試板焊前不預(yù)熱。焊接設(shè)備為CPDP－35型數(shù)字脈沖氣體保護(hù)焊機(jī)，保護(hù)氣體為φ(Ar)80%+φ(CO2)20%，環(huán)境溫度20℃。焊接方法采用單面多道焊，具體焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能

表2 焊接工藝參數(shù)

焊后沿焊接接頭的橫截面截取金相試樣，經(jīng)打磨拋光后，用4%硝酸酒精腐蝕，利用Olympus PME3型金相顯微鏡和JEOL JSM－6490LV型掃描電鏡觀察分析其顯微組織并照相。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2654－2008、GB/T2650 －2008、GB/T2651 －2008 分別對(duì)焊接接頭進(jìn)行顯微硬度、拉伸和沖擊試驗(yàn)。其中選擇20℃、0℃、－20℃、－40℃、－60℃五種沖擊試驗(yàn)溫度;拉伸試樣的軸線垂直于焊縫，在NANO SEM430場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下觀察分析拉伸斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 顯微組織

試驗(yàn)鋼焊接接頭的金相和電子顯微組織，如圖1、圖2所示。其中母材組織如圖1a所示，主要為較細(xì)小的鐵素體和少量珠光體，沿軋制方向呈方向性分布;圖1b為焊接接頭的熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)組織，經(jīng)觀察分析主要為細(xì)小多邊形鐵素體和極少量珠光體，但是晶粒尺寸大小不一，較母材有不同程度的長(zhǎng)大;圖1c為熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織，主要為等軸狀鐵素體和粒狀貝氏體組織，其晶粒不但粗大，進(jìn)一步觀察可知在晶內(nèi)分布大量細(xì)小的M－A組元(見圖2a);焊接接頭的焊縫組織如圖1d所示，主要為晶內(nèi)針狀鐵素體，以及少量的先共析鐵素體與粒狀貝氏體。先共析鐵素體主要分布在晶界處，而晶粒內(nèi)部組織主要為細(xì)小針狀鐵素體和少量粒狀貝氏體(見圖2b)，這種組織的形成有利于焊接接頭具有一定的強(qiáng)韌性。

2.2 顯微硬度

焊接接頭橫截面顯微硬度測(cè)定如圖3所示。曲線1距焊縫上表面2 mm，曲線2距焊縫下表面2 mm。從顯微硬度曲線分布可知:采用WH80－G焊絲獲得的焊接接頭的焊縫區(qū)顯微硬度與母材區(qū)基本相當(dāng);而熱影響粗晶區(qū)的顯微硬度低于焊縫區(qū)和母材區(qū)，為整個(gè)焊接接頭中硬度最低的區(qū)域，說(shuō)明由于受到焊接熱循環(huán)作用，使得熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象明顯。其主要原因是此區(qū)域形成的組織為粗大晶粒的貝氏體組織。進(jìn)一步對(duì)比分析硬度分布曲線1和曲線2，曲線1的熱影響區(qū)寬度比曲線2較窄，這是由于焊接接頭的底部熱影響區(qū)受到后續(xù)較大線能量的多次焊接熱循環(huán)影響的緣故。

2.3 沖擊韌性

圖1 焊接接頭金相顯微組織

圖2 焊接接頭電子顯微組織

圖3 焊接接頭橫截面顯微硬度測(cè)定

焊接接頭的焊縫區(qū)沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，經(jīng)分析比較可知，在－20℃～20℃的溫度范圍內(nèi)，焊縫區(qū)的沖擊功值較大;當(dāng)試驗(yàn)溫度在－40℃時(shí)，沖擊功值依然可達(dá)到較高的數(shù)值即38 J，當(dāng)試驗(yàn)溫度降低到－60℃時(shí)，沖擊功為14 J，下降幅度較大。說(shuō)明采用等強(qiáng)匹配設(shè)計(jì)得到的焊接接頭其焊縫區(qū)在常溫下表現(xiàn)出較高的沖擊韌性，同時(shí)在低溫條件下同樣表現(xiàn)出良好的低溫沖擊韌性。由焊縫區(qū)組織分析可知，其主要為晶內(nèi)針狀鐵素體，以及少量的先共析鐵素體與粒狀貝氏體。而晶內(nèi)大量形成的細(xì)小針狀鐵素體方向雜亂，互相交錯(cuò)，成大角度分布，當(dāng)裂紋通過(guò)時(shí)，傳播路徑曲折，傳播時(shí)需要更多的能量，這種特定的組織形態(tài)有效地阻礙了裂紋的擴(kuò)展［6－7］。針狀鐵素體組織是保證焊縫金屬?zèng)_擊韌性較好的優(yōu)良組織，針狀鐵素體的數(shù)量越多，焊縫金屬的沖擊韌性就越好。圖4為兩種低溫條件下焊接接頭的沖擊斷口形貌。在－40℃時(shí)斷口形貌為均勻分布的細(xì)小韌窩狀表現(xiàn)出是一種韌性斷裂，在－60℃時(shí)斷口形貌表現(xiàn)為是一種脆性斷裂。

表3 焊縫區(qū)的沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖4 焊接接頭的沖擊斷口形貌

2.4 拉伸性能與斷口形貌

焊接接頭的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。經(jīng)觀察，焊接接頭的斷裂位置發(fā)生在熱影響區(qū)粗晶區(qū)，同時(shí)存在明顯的頸縮現(xiàn)象，而焊縫金屬區(qū)和母材的變形量卻很小。經(jīng)測(cè)定焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為815 MPa，達(dá)到了母材強(qiáng)度的97.1%，略超過(guò)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)JB4708－2005中評(píng)定焊接接頭抗拉強(qiáng)度的要求，為母材強(qiáng)度的95%。

表4 拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5a為掃描電鏡低倍下裂紋源區(qū)位置A，可見裂紋源位于接頭中間，呈一條直線形態(tài)，把斷口的快速擴(kuò)展區(qū)分為B區(qū)域和C區(qū)域兩部分。其中B區(qū)域位于接頭的上部，C區(qū)域位于接頭的下部。進(jìn)一步高倍觀察裂紋源區(qū)位置A的形貌，如圖5b所示。其斷口形貌呈現(xiàn)出韌窩和解理臺(tái)階，斷裂類型為混合型斷裂，并且解理斷裂面與韌窩斷裂面互成較大的角度。然而快速拓展區(qū)B區(qū)域的高倍斷口形貌，其表現(xiàn)為韌窩狀，但韌窩的大小不一，大韌窩尺寸較大且較深，在韌窩的底部明顯可見析出物粒子存在，并且小韌窩分布在大韌窩周邊，韌窩軸線與斷裂面垂直，如圖5c所示;對(duì)于快速拓展區(qū)C區(qū)域的高倍斷口形貌，其表現(xiàn)為典型的解理斷裂狀，解理臺(tái)階明顯，并且解理臺(tái)階方向雜亂且層次不平，如圖5d所示。焊接接頭在拉伸過(guò)程中，裂紋一旦形成在擴(kuò)展的過(guò)程中其路徑曲折，宏觀上表現(xiàn)出材料的抗裂紋能力較強(qiáng);而呈現(xiàn)出這些層次不平的撕裂臺(tái)階和大小不一的韌窩，進(jìn)一步說(shuō)明材料的抗塑性變形能力較好，綜合表現(xiàn)為強(qiáng)韌性較高。

焊接接頭橫截面組織分析如圖6所示。圖6a為V型坡口根部的裂紋源位置宏觀組織分析圖，分析表明在拉伸斷裂過(guò)程中裂紋通過(guò)第三道焊縫的熱影響區(qū)時(shí)，形成韌窩型斷裂;通過(guò)底部焊縫熱影響區(qū)時(shí)，形成解理型斷裂。V型坡口根部的裂紋源區(qū)為第二道焊縫、第三道焊縫和母材三者的交界處，此位置受焊接熱循環(huán)的影響不但復(fù)雜而且由于組織變化產(chǎn)生的殘余應(yīng)力疊加量也較大，導(dǎo)致此處成為整個(gè)接頭的裂紋源［7］。對(duì)V型坡口根部進(jìn)行金相顯微組織觀察和分析，發(fā)現(xiàn)在局部形成一定數(shù)量的細(xì)小針狀馬氏體組織，是導(dǎo)致斷口形貌存在部分脆性斷裂特征的主要原因，如圖6b所示。

3 結(jié)論

(1)焊接接頭的焊縫組織主要為晶內(nèi)針狀鐵素體，以及少量先共析鐵素體和粒狀貝氏體;熱影響區(qū)粗晶區(qū)的組織為等軸狀鐵素體和粒狀貝氏體組織，細(xì)晶區(qū)的組織為細(xì)小多邊形鐵素體和極少量珠光體。

圖5 焊接接頭的拉伸斷口形貌

圖6 焊接接頭橫截面組織分析圖

(2)焊接接頭的焊縫區(qū)顯微硬度與母材相當(dāng);焊縫區(qū)的沖擊韌性在20℃時(shí)為95 J，在－40℃時(shí)為38 J，表現(xiàn)為良好的沖擊韌性。

(3)焊接接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到了母材強(qiáng)度的97.1%，其斷口形貌為韌窩與解理臺(tái)階的混合型斷口;采用等強(qiáng)匹配設(shè)計(jì)的焊接接頭獲得了較高的強(qiáng)韌性，綜合力學(xué)性能良好。

［1］李亞江，王 娟，劉 鵬.低合金鋼焊接及工程應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［2］Prasad K，Dwivedi D K.Some investigations on microstructure and mechanical properties of submerged arc welded HSLA steel joints［J］.The international journal of advanced manufacturing technology，2008，36(5 － 6):475－483.

［3］曹 雷，孫 謙，宗 培，等.等強(qiáng)匹配焊接接頭的特征及界定方法［J］.焊接學(xué)報(bào)，2006，27(7):81 －84.

［4］趙洪運(yùn).焊接熱輸入對(duì)800 MPa級(jí)超級(jí)鋼焊接接頭組織性能的影響［J］.焊接學(xué)報(bào)，2011，32(8):5 －8.

［5］馬成勇，田志凌，杜則裕，等.熱輸入對(duì)800 MPa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.

［6］Basu B，Raman R.Microstructual Variations in a High －Strength Structural Steel Weld under Isoheat Input Conditions［J］.WELDING JOURNAL － NEW YORK － ，2002，81(11):239－S.

［7］Stadtaus M，Michailov V，Wohlfahrt H.Numerical calculation of the main factors on cold cracking［J］.Materialwis-senschaft und WerkstomechniL，2003，34(1):145 －151.