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        細(xì)晶Q345低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭組織性能研究

        2015-12-22 06:20:58陳尹澤李娜溫斌夏志升
        河南冶金 2015年2期
        關(guān)鍵詞:細(xì)晶珠光體鐵素體

        陳尹澤 李娜 溫斌 夏志升

        (安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司)

        0 前言

        焊接是鋼結(jié)構(gòu)制造中最為重要的加工方式之一,而焊接接頭的性能直接影響整體構(gòu)件的使用性能。埋弧焊是電弧在焊劑層下燃燒,用機(jī)械自動(dòng)引燃電弧并進(jìn)行控制,自動(dòng)完成焊絲的送進(jìn)和電弧移動(dòng)的一種電弧焊方法。具有生產(chǎn)率高、機(jī)械化程度高、焊接質(zhì)量好且穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。安鋼爐卷機(jī)組通過(guò)優(yōu)化軋制工藝和控制軋后冷卻速率,研制開(kāi)發(fā)了表層細(xì)晶Q345 低合金高強(qiáng)鋼,由于鋼板厚度的不同和層流冷卻強(qiáng)度的不同,表面細(xì)晶組織的種類和厚度也不同[1]。細(xì)晶粒鋼晶粒尺寸較為細(xì)小,強(qiáng)度和韌性較高,但是焊接時(shí)HAZ(熱影響區(qū),Heat Affect-ed Zone)晶粒在焊接熱作用下易長(zhǎng)大,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使母材優(yōu)良的性能喪失[2]。因此對(duì)埋弧焊條件下獲得的焊接接頭組織與性能進(jìn)行研究具有重要的工程價(jià)值。對(duì)細(xì)晶Q345 低合金高強(qiáng)鋼進(jìn)行了埋弧焊焊接,分析表征了焊接接頭的顯微組織,并對(duì)接頭硬度、拉伸、彎曲、沖擊性能進(jìn)行了研究,以期對(duì)細(xì)晶高強(qiáng)鋼的焊接應(yīng)用提供參考。

        1 試驗(yàn)材料與方法

        1.1 試驗(yàn)用母材

        試驗(yàn)用母材為安鋼爐卷機(jī)組生產(chǎn)的30 mm 厚細(xì)晶Q345C 鋼板,鋼板采用控制軋制+控制冷卻工藝生產(chǎn),其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

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

        從表1 可知,碳當(dāng)量CE =0.36%,裂紋敏感指數(shù)Pcm=0.23%。

        試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能見(jiàn)表2。試驗(yàn)鋼的母材金相組織如圖1 所示。

        表2 試驗(yàn)鋼力學(xué)性能

        圖1 母材金相組織

        從圖1 可以看出,鋼板表面組織為針狀鐵素體(AF)+準(zhǔn)多邊形鐵素體(QF)+退化珠光體(P')+少量粒狀貝氏體(GB),心部為F +P,晶粒細(xì)小均勻。

        1.2 試驗(yàn)方法

        焊接試驗(yàn)在安鋼建安公司焊接實(shí)驗(yàn)室焊接,焊接采用埋弧自動(dòng)焊,依據(jù)“等強(qiáng)匹配”原則,選擇采用H08MnSiA 焊絲,直徑Φ =4.0 mm,接頭形式參照GB/T985. 1 - 2008 設(shè)計(jì),試板尺寸500 mm ×200 mm×30 mm,焊接試板采用機(jī)械加工的方法開(kāi)V 形坡口,單邊坡口角度為30 °。焊接過(guò)程中通過(guò)反變形和在試板背面焊接拘束焊縫來(lái)控制變形。焊接電流350 A ~560 A,電壓35 V ~38 V,具體工藝見(jiàn)表4。

        焊接完成后,對(duì)焊接接頭進(jìn)行X 射線探傷,經(jīng)無(wú)損探傷檢測(cè)Ⅱ級(jí)合格。

        表4 焊接工藝參數(shù)

        2 焊接接頭組織及性能檢測(cè)分析

        2.1 焊接接頭彎曲性能檢驗(yàn)

        彎曲試驗(yàn)按GB/T2653 -2008 規(guī)定進(jìn)行,試樣經(jīng)180 °冷彎后,接頭部位完好,并未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷存在,由此可以證明焊接接頭具有良好的塑性變形能力。

        2.2 焊接接頭拉伸試驗(yàn)

        拉伸試驗(yàn)按GB/T265l-2008 規(guī)定進(jìn)行,對(duì)3 組焊接接頭進(jìn)行了拉伸試驗(yàn),焊接后的拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

        表5 焊接接頭拉伸性能

        從表5 可以看出,焊接后平均屈服強(qiáng)度為379 MPa,抗拉強(qiáng)度為525 MPa,延伸率為23.5%,焊接接頭的強(qiáng)度變化不大,均保持在較高的水平上,滿足強(qiáng)度性能指標(biāo)要求。延伸率焊接后呈下降趨勢(shì),但是滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

        2.3 焊接接頭沖擊性能

        根據(jù)GB/T2650 -2008 制備了V 型缺口沖擊試樣。沖擊試樣大小為10 mm×10 mm×55 mm,沖擊試樣在開(kāi)夏比V 形缺口前,先腐蝕試樣,清楚顯示出焊縫及熱影響區(qū)后再開(kāi)缺口。缺口方向垂直于焊縫表面,分別開(kāi)在焊縫、熔合線和熔合線外2 mm。焊接接頭的沖擊韌性反映出其對(duì)外界沖擊載荷的抵抗能力,能夠表征焊接接頭不同區(qū)域顯微組織的變化。對(duì)2 組焊接接頭進(jìn)行了沖擊試驗(yàn),沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。沖擊試樣全部采用橫向。

        表6 焊接接頭沖擊性能

        由表6 可以看出,焊縫、熔合線、熱影響區(qū)、母材沖擊功分布比較均勻。30 mmQ345C 焊縫處沖擊功均值63 J,熔合線85 J,熱影響區(qū)100 J,母材109 J。熱影響區(qū)沖擊值稍微低于母材處沖擊功,但是大于焊縫和熔合線處沖擊功。這主要由于焊縫處晶粒較粗大,焊接接頭粗晶區(qū)晶粒并沒(méi)有嚴(yán)重長(zhǎng)大。這表明熱影響區(qū)具有良好的韌性。

        2.4 焊接接頭硬度

        焊接接頭硬度試驗(yàn)方法根據(jù)GB/T2654 -2008焊接接頭硬度試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)量,測(cè)點(diǎn)的數(shù)量和間距應(yīng)足以確定由于焊接導(dǎo)致的硬化和軟化區(qū)域。利用HV10 硬度計(jì)對(duì)母材及焊縫的硬度進(jìn)行測(cè)量,兩點(diǎn)之間間距取標(biāo)準(zhǔn)中推薦距離每隔1 mm 取點(diǎn),測(cè)試其顯微硬度。焊接接頭硬度是許多構(gòu)件制造中重要的考核指標(biāo),焊接接頭顯微硬度分布如圖2 所示。

        圖2 焊接接頭硬度

        圖3 Q345C 焊接接頭金相組織

        從圖2 可看出,焊縫、熱影響區(qū)、母材的硬度范圍在160 HV ~190 HV 之間。焊縫和熱影響區(qū)硬度變化不大,說(shuō)明未出現(xiàn)異常組織。

        2.5 焊接接頭金相組織

        所取試樣包括焊縫、熱影響區(qū)、母材三部分,對(duì)所取試樣進(jìn)行磨光、拋光、并用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕,其金相組織如圖3 所示。

        從圖3 可以看出,圖3(a)為焊縫處組織,焊縫區(qū)為柱狀晶組織,由圖可知其組織較粗大。圖3(b)為過(guò)熱區(qū)組織,過(guò)熱區(qū)與焊縫組織類似,組織比較粗大,組織為IAF+PF+F+P,本區(qū)域在焊接過(guò)程中雖處于過(guò)熱的狀態(tài),但并未發(fā)現(xiàn)奧氏體晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大現(xiàn)象的出現(xiàn)。圖3(c)為重結(jié)晶區(qū)組織,晶粒較細(xì)小,該區(qū)域?yàn)橹亟Y(jié)晶區(qū),組織為PF+F+P,焊接時(shí)由于母材受到熱的作用,當(dāng)其被加熱到Ac3以上溫度時(shí),鐵素體和珠光體會(huì)轉(zhuǎn)變成奧氏體組織,之后在空氣中冷卻,會(huì)得到細(xì)小而均勻的鐵素體和珠光體組織。圖3(d)為不完全相變區(qū)組織,回火區(qū)為熱影響區(qū)的部分重結(jié)晶區(qū),母材為鐵素體和呈明顯帶狀分布的珠光體,而在部分重結(jié)晶區(qū)由于溫度區(qū)間在Ac1~Ac3,部分鐵素體和珠光體發(fā)生了相變重結(jié)晶過(guò)程,轉(zhuǎn)化為晶粒細(xì)小的鐵素體和珠光體,而另一部分鐵素體未能溶入奧氏體,晶粒粗大。該區(qū)域晶粒大小不均勻,碳化物呈現(xiàn)不明顯的帶狀分布。

        3 結(jié)論

        1)細(xì)晶Q345C 鋼板焊接后屈服強(qiáng)度在380 MPa左右,抗拉強(qiáng)度在530 MPa 左右,焊接接頭的強(qiáng)度變化不大,均保持在較高的水平上,延伸率焊接后呈下降趨勢(shì),但是滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。焊接接頭經(jīng)180 °冷彎后無(wú)裂紋缺陷產(chǎn)生。

        2)焊縫、熔合線、熱影響區(qū)、母材沖擊功分布比較均勻。熱影響區(qū)沖擊值稍微低于母材處沖擊功,但是大于焊縫和熔合線處沖擊功,這表明熱影響區(qū)具有良好的韌性。

        3)焊縫處為柱狀晶組織,組織較粗大;粗晶區(qū)為IAF+PF+F+P,細(xì)晶區(qū)為PF +F +P,回火區(qū)為F+P,碳化物呈現(xiàn)不明顯帶狀分布,母材為F +P。焊縫、熱影響區(qū)、母材的硬度范圍在160 HV ~190 HV之間。焊縫和熱影響區(qū)硬度變化不大,說(shuō)明未出現(xiàn)異常組織。

        [1]陳尹澤,徐筱薌,于愛(ài)民,等. 層流冷卻工藝對(duì)表層超細(xì)晶C -Mn 鋼組織性能的影響[J].冶金叢刊,2015,215(1):4 -7.

        [2]王燕,周偉. 超細(xì)晶粒鋼普通CO2氣體保護(hù)焊HAZ 晶粒長(zhǎng)大行為研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(4):87 -90.

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