(1. 中國(guó)人民解放軍63926部隊(duì)； 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

Q345B厚鋼板對(duì)接接頭顯微組織分析及力學(xué)性能測(cè)試

張?bào)努|1李宏佳2馮忠志1方洪淵2

(1. 中國(guó)人民解放軍63926部隊(duì)； 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

為評(píng)價(jià)Q345B厚鋼板焊接接頭的力學(xué)性能，使用MAG焊和埋弧焊工藝對(duì)67 mm厚的試板進(jìn)行焊接，并對(duì)焊接接頭各區(qū)域進(jìn)行金相組織分析及力學(xué)性能測(cè)試，包含拉伸、彎曲、常溫沖擊和低溫沖擊測(cè)試。結(jié)果表明，焊接工藝得到的焊接接頭成形良好，缺陷較少，其中埋弧焊焊縫呈現(xiàn)粗大的柱狀晶，為先共析鐵素體和針狀鐵素體，MAG焊焊縫為先共析鐵素體和針狀珠光體，埋弧焊層間組織晶粒較均勻，為片狀珠光體及鐵素體；焊接接頭屈服強(qiáng)度平均值為349 MPa，抗拉強(qiáng)度平均值為440 MPa，斷后伸長(zhǎng)率平均為29.3%；彎曲角90°時(shí)，不同位置的彎曲試樣均未出現(xiàn)裂紋；除存在氣孔的試樣外，常溫沖擊吸收功大于100 J，低溫沖擊吸收能量大于65 J?？傮w來(lái)看，該工藝得到的焊接接頭力學(xué)性能良好，能夠滿足技術(shù)要求。

Q345B鋼多層多道焊顯微組織力學(xué)性能

0 序 言

Q345B鋼屬于低碳合金鋼，其綜合力學(xué)性能良好，具有優(yōu)良的焊接性，廣泛應(yīng)用于中低壓容器、車輛、起重機(jī)和橋梁等焊接結(jié)構(gòu)中[1-2]。

厚鋼板的焊接多采用多層多道焊，文中Q345B厚鋼板應(yīng)用于大尺寸平臺(tái)結(jié)構(gòu)，采用MAG焊和埋弧焊相結(jié)合的方式拼焊而成。文中根據(jù)實(shí)際焊接工藝制備了67 mm厚鋼板對(duì)接接頭，并進(jìn)行了金相組織分析及拉伸、彎曲、常溫和低溫沖擊等試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)該種工藝下焊接接頭的力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)板由兩塊300 mm×300 mm×67 mm的Q345B厚鋼板拼焊而成，開不對(duì)稱X形坡口，上坡口占板厚的2/3,下坡口占板厚的1/3，坡口角度為45°，鈍邊和裝配間隙均為2 mm。

焊接過(guò)程使用MAG焊和埋弧焊兩種焊接方法，其中MAG焊絲型號(hào)為ER50-6，采用Ar+CO2混合氣體保護(hù)，埋弧焊絲型號(hào)為H10Mn2，選用CHF101氟堿型燒結(jié)焊劑。MAG焊和埋弧焊的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

焊接方案為：①正面MAG焊打底，打底厚度約為4 mm，之后采用MAG焊填充3道，4道焊接總厚度約為18 mm。②將鋼板翻轉(zhuǎn)，焊接前先進(jìn)行氣刨清根處理，坡口填滿。③試板再次翻轉(zhuǎn)，采用埋弧焊進(jìn)行填充和蓋面，埋弧焊共計(jì)焊接17道6層，其中蓋面焊接一共4道。焊縫橫截面輪廓如圖1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

圖1 焊縫橫截面宏觀形貌

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 金相組織分析

在圖1所示的焊縫橫截面宏觀試樣上分別切下包含埋弧焊道和MAG焊道的金相試樣，分別采用200號(hào),400號(hào),800號(hào),1 500號(hào)的水砂紙進(jìn)行打磨，并使用金剛石磨料拋光，然后采用2%～4%的硝酸酒精溶液腐蝕待觀察表面，最后使用金相顯微鏡觀察焊接接頭各位置的微觀組織。

圖2為焊接接頭各區(qū)域的顯微組織，包含母材、焊縫金屬和焊道層間組織。其中，母材(圖2a)為細(xì)小塊狀分布的珠光體及鐵素體組織，晶粒細(xì)?。宦窕『负缚p區(qū)域(圖2b)則是粗大的柱狀晶組織，為先共析鐵素體和針狀鐵素體；MAG焊焊縫(圖2c)為柱狀先共析鐵素體和針狀珠光體，晶粒大小比埋弧焊焊縫小，但比母材大；焊道層間組織(圖2d)為塊狀分布的片狀珠光體及鐵素體組織，晶粒較小，但大于母材原始組織，這是由于在多層多道焊中，后一道焊道焊接會(huì)對(duì)前一道重新加熱，相當(dāng)于做了一次正火處理，細(xì)化了晶粒[3]。

圖2 埋弧焊焊縫及母材金相照片

2.2 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)按照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》，并且參考GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》，制備了如圖3的拉伸試樣。試樣總長(zhǎng)250 mm，平行長(zhǎng)度110 mm，平行區(qū)寬度25 mm，接頭最大寬度50 mm，過(guò)渡半徑25 mm，厚度8.5 mm，在厚度方向上共制作8個(gè)試件，8個(gè)試樣之間互相重疊，將整個(gè)焊接接頭的厚度全部覆蓋。拉伸試驗(yàn)所用設(shè)備為AG-X Plus 250 kN/50 kN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

圖3 拉伸試樣尺寸

由于試驗(yàn)所用鋼板厚度達(dá)到67 mm，根據(jù)GB/T 2651—2008標(biāo)準(zhǔn)，厚度超過(guò)30 mm的試樣做全厚度拉伸試驗(yàn)時(shí)，可從接頭截取若干試樣并覆蓋整個(gè)厚度。根據(jù)這一要求，文中試驗(yàn)在接頭處截取8個(gè)厚度為8.5 mm的試樣，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

試樣拉斷后整體形貌如圖4所示，可以清晰地看到，材料在斷裂處發(fā)生了頸縮，材料有較大的塑性變形，較大的斷后伸長(zhǎng)率。從表2中可以看到，斷后伸長(zhǎng)率最小值為27.1%，最大值達(dá)到31.4%，平均值達(dá)29.3%。另外，各試件屈服強(qiáng)度存在一定差異，在300～400 MPa之間，平均值為349 MPa；抗拉強(qiáng)度處于440～455 MPa之間，平均值為447 MPa。焊接接頭的綜合拉伸性能與Q345B母材同等級(jí)，達(dá)到使用要求。

圖4 斷裂后的拉伸試樣

試件屈服強(qiáng)度ReL/MPa抗拉強(qiáng)度Rm/MPa斷后伸長(zhǎng)率A(%)137445527.4234644931.5330444630.3433544829.6536144727.1631044329.7740144430.5836444628.3平均值34944729.3

2.3 彎曲試驗(yàn)

按照GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》，進(jìn)行了焊接接頭彎曲試驗(yàn)。與拉伸試驗(yàn)類似，在板厚方向截取3個(gè)正彎試樣，焊縫位于彎曲試件的中心位置，試樣截取位置如圖5a所示，試樣尺寸為400 mm×30 mm×20 mm。彎曲試驗(yàn)的壓頭直徑為20 mm，輥筒間距離為120 mm，彎曲角為90°，3個(gè)試樣均未出現(xiàn)裂紋。

圖5 彎曲試樣截取位置

2.4 沖擊試驗(yàn)

按照GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》，制備了如圖6所示的夏比落錘沖擊試樣，即試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，開U形缺口，缺口寬度2 mm，槽深2 mm，底部為半徑為1 mm的過(guò)渡圓弧。沖擊試樣取樣位置如圖6c所示，分別編號(hào)①②③④⑤，缺口位置分別對(duì)應(yīng)埋弧焊熔合線、埋弧焊焊縫、MAG焊熔合線、MAG焊焊縫和上下坡口交叉處。

采用Instron-9250HV型儀器化落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行常溫和低溫兩組沖擊試驗(yàn)。常溫(20 ℃)和低溫(-40 ℃)沖擊試驗(yàn)，各包含5個(gè)測(cè)試位置，每個(gè)位置取3個(gè)試樣。低溫沖擊試驗(yàn)將試件置于液氮中降溫，使其維持在-44～-46 ℃，保證試件在進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，溫度能夠達(dá)到-40 ℃。

圖6 沖擊試樣尺寸及取樣位置

試樣沖斷后的整體形貌如圖7所示。表3為常溫沖擊試樣的沖擊吸收能量。由表3可以看到，5個(gè)位置試樣的沖擊吸收能量較高，除位置⑤(X形坡口交叉處)外均高于100 J，位置⑤的平均沖擊吸收能量為57 J，其原因?yàn)樵撐恢迷嚇拥腢形槽處存在細(xì)小的圓形孔洞，可能為氣刨清根工藝不當(dāng)產(chǎn)生的氣孔，因而其抗沖擊性能較差。焊接過(guò)程中應(yīng)當(dāng)避免該位置氣孔的產(chǎn)生，必要時(shí)應(yīng)輔以無(wú)損檢測(cè)工序。

圖7 沖擊試樣斷后形貌

表3 常溫沖擊試樣沖擊吸收能量 J

表4為低溫沖擊試樣的沖擊吸收能量?？梢钥吹?，低溫沖擊吸收能量的數(shù)值比常溫有明顯的下降，同樣由于氣孔的存在，位置⑤(X形坡口交叉處)試樣沖擊吸收能量最低，平均為45 J，其余位置的低溫平均沖擊吸收能量均大于65 J。

表4 低溫沖擊試樣沖擊吸收能量 J

3 結(jié) 論

(1)埋弧焊焊縫中為粗大柱狀晶，主要為先共析鐵素體和針狀鐵素體，MAG焊焊縫為柱狀先共析鐵素體和針狀珠光體，焊道層間為片狀珠光體及鐵素體組織，母材為細(xì)小塊狀分布的珠光體及鐵素體組織；并且晶粒依次變小。

(2)焊接接頭的拉伸、彎曲和抗沖擊(常溫和低溫)性能均較為優(yōu)異，能夠滿足使用要求，但焊接接頭上下坡口交叉位置存在的氣孔對(duì)沖擊性能存在一定的影響，該位置試樣的沖擊吸收能量低于其他位置。

[1] 王秀琴,田 川,郭 旭. Q345B轉(zhuǎn)向架焊接及焊后熱處理工藝[J]. 焊接,2011(7):69-71.

[2] 楊永建, 張緒平, 祁曉乾,等. Q345鋼的MAG焊接接頭組織及力學(xué)性能分析[J]. 焊接技術(shù), 2011, 40(12):6-8.

[3] 劉會(huì)杰. 焊接冶金與焊接性[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.

TG407

2017-05-31

張?bào)努|，1979年出生，博士，高級(jí)工程師。主要從事特種工程技術(shù)研究，已發(fā)表論文9篇。

李宏佳，1994年出生，碩士研究生。主要從事焊接力學(xué)及可靠性評(píng)估方面的研究。