龍也，趙炯，宋剛

(1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海200092；2.上海三一重機(jī)有限公司，上海201413)

0 引言

隨著工程機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)件向大型化、復(fù)雜化、輕量化發(fā)展的趨勢，應(yīng)用高強(qiáng)度鋼板替代當(dāng)前Q235、Q345級(jí)別普通鋼材，實(shí)現(xiàn)設(shè)備減重、高效、節(jié)能的目的具有廣闊的前景。高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板應(yīng)用的關(guān)鍵是其焊接性能——高效的焊接工藝和可靠穩(wěn)定的焊接區(qū)域力學(xué)性能。工程機(jī)械設(shè)備，工況苛刻受力大且復(fù)雜，沖擊和疲勞載荷共存，要求結(jié)構(gòu)鋼及其焊接區(qū)域具有較高的韌塑性和強(qiáng)度性能匹配來保證結(jié)構(gòu)的安全性和壽命指標(biāo)。

國內(nèi)鋼鐵企業(yè)開發(fā)了一系列的低碳微合金焊接鋼板，如Q550、HG70等低碳貝氏體鋼。這類鋼的碳當(dāng)量和焊接冷裂紋敏感系數(shù)較低，具有良好強(qiáng)韌性配合和可焊性。但對焊接熱存在一定的熱敏感性，熔合線和HAZ區(qū)域存在明顯晶粒粗大組織，力學(xué)性能存在不同程度降低。焊接高強(qiáng)鋼焊接區(qū)域的性能波動(dòng)較大，破壞了結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳遞的連續(xù)性，結(jié)構(gòu)的失效基本發(fā)生在焊接區(qū)域。以HG70鋼為例，其C含量典型值為0.06% ～0.1%，碳當(dāng)量典型值約0.43%、冷裂紋敏感系數(shù)Pcm值約0.21%。實(shí)際允許的焊接線能量范圍為10～15kJ/cm，且焊接區(qū)域性能起伏較大，如圖1所示。焊接工藝參數(shù)，如電流、電壓被限制在較窄的范圍內(nèi)，增加了對焊接人員的操作要求。在當(dāng)前國內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)現(xiàn)有的制造水平下，很難保證焊接結(jié)構(gòu)件品質(zhì)。

圖1 HG70C焊接區(qū)域的硬度分布

綜上所述，對于高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼必須解決如下兩個(gè)關(guān)鍵問題:1)保持良好的可焊性，具有較寬的工藝參數(shù)范圍，提高施工工藝的容錯(cuò)能力，降低施工人員的要求，以較少焊接故障；2)穩(wěn)定焊接區(qū)域力學(xué)性能保證，減小焊接熱對鋼板的影響。

我公司在現(xiàn)有700MPa級(jí)別低碳貝氏體結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了一種易焊接的低碳貝氏體鋼。化學(xué)成分中選用Mo、B等元素保證鋼板的強(qiáng)度級(jí)別；選用Nb、V、Ti等晶粒細(xì)化元素提升鋼板的韌塑性，并抑制焊接過程中鋼板受熱導(dǎo)致的晶粒長大過程，以減小鋼板對焊接熱的影響。本文對新開發(fā)的700MPa級(jí)別鋼板的焊接工藝和性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

相關(guān)測試試樣均按照國家標(biāo)準(zhǔn)加工。沖擊試驗(yàn)在ZBC750G型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行；拉伸試驗(yàn)在WAW-Y500型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行；在MH-6型顯微硬度儀上進(jìn)行硬度測試；微觀組織觀察采用PHILIPS公司生產(chǎn)的XL-30掃描電鏡以及ZEISS公司生產(chǎn)的Observer-A1m型體視顯微鏡。

1.2 試驗(yàn)材料

表1 試驗(yàn)鋼板的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(典型值，%)

表2 試驗(yàn)鋼板的力學(xué)性能(典型值)

鋼材的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示，板厚14mm。C含量較低，同時(shí)含有Nb、Ti、V、B等元素。在低碳鋼中，B元素有利于鋼材在較寬冷卻速度范圍內(nèi)獲得以貝氏體為主的金相組織，通常含量小于0.003%。鋼材中適量的Nb可以阻止奧氏體晶界沉淀析出Fe23(CB)，從而顯著提高B的強(qiáng)化效果；V產(chǎn)生中等程度的沉淀強(qiáng)化和比較弱的晶粒細(xì)化；而鋼中非常細(xì)小的TiN顆粒在受熱狀態(tài)下仍能保持穩(wěn)定，達(dá)到細(xì)化奧氏體晶粒的效果。鋼材具備良好的塑韌性，延伸率高于GB1591-2008規(guī)定的16%，-20℃沖擊功達(dá)到202J，-50℃沖擊功達(dá)到195J，力學(xué)性能見表2。

母材基體組織以板條貝氏體為主，含有少量的針狀鐵素體，晶粒內(nèi)部有彌散分布的合金元素碳、氮化物析出。平均晶粒直徑約11 μm，組織細(xì)小，晶粒度為9～10.5級(jí)。

1.3 試驗(yàn)方法

焊接樣采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊制備，對接焊縫。焊絲和鋼板采用等強(qiáng)匹配原則，選用AWS ER69-1級(jí)別低氫焊絲。焊絲d1.2mm，焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能見表3所示。

表3 焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能

焊接板尺寸為14mm×300mm×480mm，V型坡口，具體尺寸設(shè)計(jì)如圖2所示。焊接設(shè)備為奧地利產(chǎn)Fronius焊機(jī)，保護(hù)氣體選用80%Ar+20%CO2，試驗(yàn)中采用三種線能量焊接條件:15.7、21.8和28.8kJ/cm，具體焊接工藝參數(shù)見表4。試板焊接前不預(yù)熱，焊后靜置24h后加工測試試樣。

圖2 坡口尺寸示意圖

表4 焊接工藝參數(shù)(注：線能量計(jì)算中電弧功率系數(shù)取0.8)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊縫與過熱區(qū)顯微組織

焊接樣熔合線附近受熱最嚴(yán)重，存在一個(gè)明顯的過熱區(qū)。焊接過程中該區(qū)域?yàn)榘肴廴趹B(tài)，溫度場峰值大幅超出Ac3溫度，接近熔點(diǎn)。焊后冷卻過程中，由于初始奧氏體晶粒粗大，導(dǎo)致過熱區(qū)最終金相組織粗大。該區(qū)域力學(xué)性能較差，同時(shí)該區(qū)域是結(jié)構(gòu)尺寸突變區(qū)域，本身就存在一定程度的應(yīng)力集中，是高強(qiáng)鋼焊接結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)。保證熱影響區(qū)的力學(xué)性能對于確保整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)件的使用安全起著重要的作用。

圖3為鋼材在三種線能量焊接條件下的熱影響區(qū)中過熱區(qū)的金相組織。過熱區(qū)組織主要以下貝氏體為主，少量的粒狀貝氏體、鐵素體。隨著線能量的增大，鐵素體的含量增加。金相中能清晰的觀察到初始奧氏體晶界，隨著線能量加大，初始奧氏體晶粒尺寸增大明顯。

圖3 三種線能量下過熱區(qū)的金相組織：)15.7 kJ/cm；(b)21.8 kJ/cm；(c)28.8 kJ/cm

圖4 為三種線能量焊接條件下焊縫的金相組織。焊縫組織主要由針狀鐵素體、貝氏體、先共析鐵素體組成。三種焊接工藝條件下，焊縫組織主要有兩方面的差異:1)隨著焊接線能量的增大，晶粒的大小變得不均勻，組織的不均勻性會(huì)造成晶格中的各種微觀缺陷，降低接頭的沖擊性能。熱輸入增大使得冷卻速度的減慢，焊縫組織發(fā)生一定程度的重結(jié)晶［1］，晶界逐漸變得模糊。2)隨著焊接線能量的增大，過冷奧氏體在相對更為緩慢的冷卻條件下轉(zhuǎn)變并更易獲得近平衡態(tài)的組織。焊縫組織中的針狀鐵素體含量有所增加。針狀鐵素體實(shí)質(zhì)是晶內(nèi)形核的貝氏體，針狀鐵素體的位錯(cuò)密度達(dá)到1.2×1010cm-2，是先共析鐵素體的2倍左右，這樣的組織特點(diǎn)使得它可以改善焊縫的沖擊韌性。以上兩方面的綜合作用，使得焊縫性能的相對穩(wěn)定，波動(dòng)幅度不明顯。

圖4 三種線能量下焊縫的金相組織：(a)15.7 kJ/cm；(b)21.8 kJ/cm；(c)28.8 kJ/cm

2.2 焊接接頭拉伸、彎曲與沖擊性能

焊接樣的拉伸試驗(yàn)與沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。三種焊接條件下焊接接頭的抗拉強(qiáng)度(平均值)分別為714MPa、727MPa、713MPa，比母材與焊絲的強(qiáng)度低 6%～7%。從圖3中看，焊縫區(qū)的晶粒尺寸均比較細(xì)小，焊接線能量的提高沒有導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度的明顯下降。

表5 焊接接頭力學(xué)性能

在15.7、21.8、28.8kJ/cm焊接線能量條件下，熱影響區(qū)的-20℃沖擊功與母材相比，下降并不明顯。三種線能量的焊接接頭中，熱影響區(qū)的沖擊功均高于焊縫區(qū)，也是因?yàn)樵冀M織中鋼材的沖擊功大于焊絲，焊接熱對鋼材的影響較小。

結(jié)合圖2，熱影響區(qū)中過熱區(qū)的貝氏體組織晶粒尺寸基本穩(wěn)定，同時(shí)晶粒處于較為細(xì)小的水平，可以增加有效晶界面積，每個(gè)晶粒中塞積的位錯(cuò)數(shù)目減少，應(yīng)力集中減輕，推遲微裂紋的萌生，增大斷裂應(yīng)變的臨界值，使得熱影響區(qū)的沖擊功仍保持在較理想的水平。

2.3 焊接接頭維氏硬度

按照GB/T2654-2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》測定接頭的維氏硬度，測量點(diǎn)間距約為1mm，測量線與焊縫表面距離為1.5mm，以熔合線處為參考標(biāo)記，測試結(jié)果見圖5所示。

圖5 焊接接頭硬度測試曲線

鋼板焊接接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果表明，三種焊接條件下，焊縫區(qū)和母材區(qū)的硬度波動(dòng)不大，接頭硬度最高值為260(HV0.5)。熱影響區(qū)存在一個(gè)軟化區(qū)，但硬度也都在220(HV0.5)以上。焊接接頭各區(qū)域的硬度都遠(yuǎn)低于350HV，焊接接頭的淬硬傾向不明顯，而且性能比較均勻，說明該鋼焊接性良好。因此在一般焊接情況下，無需考慮預(yù)熱或后熱。

熱影響區(qū)的軟化區(qū)域約為2mm，較HG70C鋼材的4mm熱影響區(qū)軟化區(qū)域要窄，硬度的降幅僅在10%左右，優(yōu)于同級(jí)別的鋼材。

測試結(jié)果顯示該700MPa級(jí)別鋼材在保證強(qiáng)韌性提高的前提下，具有良好的塑性和焊接性。Pcm值和Ceq較低，能夠?qū)崿F(xiàn)不預(yù)熱焊接，并且焊接接頭的組織、成分與性能不存在較大起伏，在較高焊接線能量條件下能夠保證焊接接頭的性能達(dá)到使用要求。

3 結(jié)論

1)通過合理成分設(shè)計(jì)和工藝生產(chǎn)的該700MPa級(jí)別鋼材具備良好的塑韌性、焊接性。

2)該鋼材在28.8kJ/cm較大線能量的焊接條件下，焊縫與熱影響區(qū)-20℃低溫韌性仍保持在100J以上，韌性良好。

3)15.7～28.8kJ/cm區(qū)間均屬于該鋼材合適的線能量范圍，此焊接條件范圍內(nèi)焊接接頭性能變化不大。較寬的線能量范圍降低了對焊接施工人員的要求，有利批量推廣應(yīng)用。

［1］蔣慶磊，李亞江，王娟，等.Q550高強(qiáng)鋼焊接接頭強(qiáng)韌性匹配［J］.焊接學(xué)報(bào)，2010，31(10):65-68.

［2］尹士科.焊接材料實(shí)用基礎(chǔ)知識(shí)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004，3-5.

［3］李少華，尹士科，劉奇凡.焊接接頭強(qiáng)度匹配和焊縫韌性指標(biāo)綜述［J］.焊接，2008，(1):24-25.

［4］楊秀芹，楊海林，姚連登.超低碳貝氏體WDB620鋼及其焊接性［J］.機(jī)械工程材料，2003，27(9):42-45.