石紅昌 蘇蘭 黃安明

(德陽(yáng)天元重工股份有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

索鞍是懸索橋的重要受力部件，傳統(tǒng)的索鞍有多種結(jié)構(gòu)形式[1-2]。其中結(jié)合全焊和全鑄結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的鑄焊式結(jié)構(gòu)相對(duì)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)鑄造成型的鞍頭與鋼板組合的底座結(jié)合焊接成一個(gè)整體[3-4]。然而，隨著懸索橋的設(shè)計(jì)、建設(shè)正朝著大跨度的方向發(fā)展，南京仙新路過(guò)江通道跨江大橋主跨為1760 m，由于索鞍是懸索橋主纜體系的主要受力部件，結(jié)構(gòu)不可更換，要求應(yīng)用于懸索橋的索鞍材料的綜合性能指標(biāo)更高。

鑄焊結(jié)構(gòu)索鞍所用的ZG270-480H與Q345R的焊接目前已相當(dāng)成熟[5-7]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)懸索橋的鑄焊結(jié)構(gòu)索鞍進(jìn)一步的開(kāi)始采用ZG300-500H和Q345R材料的焊接，前期主要通過(guò)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)來(lái)研究焊接工藝的可行性，而焊接工藝評(píng)定主要重點(diǎn)放在了力學(xué)性能上面，對(duì)于接頭的抗斷裂性能以及焊縫的微觀(guān)組織研究較少[8-9]。本文圍繞索鞍用高強(qiáng)度鑄鋼ZG300-500H和Q345R鋼的對(duì)接焊縫開(kāi)展材料焊接性能分析，針對(duì)焊接接頭微觀(guān)組織、抗斷裂性能及焊縫韌性進(jìn)行研究。針對(duì)主索鞍體主縱肋，采用ZG300-500H鑄鋼(板厚200 mm)和Q345R鋼板(板厚180 mm)組合焊接技術(shù)，創(chuàng)造了懸索橋單縱肋主索鞍結(jié)構(gòu)焊接接頭板厚及材料強(qiáng)度的國(guó)內(nèi)紀(jì)錄。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用母材為鑄鋼ZG300-500H和Q345R鋼，厚度為100 mm。焊材采用ER50-G焊絲，所用材料的相關(guān)性能指標(biāo)見(jiàn)表1和表2。

表1 所用母材和焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 母材的力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

鑄鋼ZG300-500H和Q345R鋼試板的焊接按照焊接工藝規(guī)程的參數(shù)采用半自動(dòng)化CO2氣體保護(hù)焊接進(jìn)行，Q345R鋼板側(cè)開(kāi)雙面單邊V型坡口，坡口形式如圖1所示，焊接過(guò)程中根據(jù)焊接變形多次翻面焊接成型，焊后進(jìn)行540℃保溫消除應(yīng)力處理。

圖1 坡口形式示意圖

使用Leica DMi8顯微鏡和SU8010場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)焊接接頭進(jìn)行顯微組織觀(guān)察，樣品取樣如圖2所示。使用MHVD-1000IS型顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試。

參照GB/T 21143—2014《金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》要求[10-11]，采用三點(diǎn)彎曲測(cè)試方法分別對(duì)ZG300-500H(鑄鋼側(cè))熱影響區(qū)、Q345R(鋼板側(cè))熱影響區(qū)和焊縫(本體焊縫)進(jìn)行CTOD測(cè)試。測(cè)試樣品示意圖如圖3所示。

圖2 組織觀(guān)察取樣示意圖

圖3 三點(diǎn)彎曲CTOD測(cè)試樣品示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顯微組織

圖4為焊縫區(qū)的微觀(guān)組織照片。焊縫區(qū)低倍微觀(guān)組織如圖4(a)所示，存在大量粗大的柱狀晶，柱狀晶下方的組織非常細(xì)密，隨著位置向焊縫中心移動(dòng)，組織越來(lái)越粗大。柱狀晶區(qū)域的微觀(guān)組織如圖4(b)所示，主要是鐵素體和針狀鐵素體?？拷缚p中間區(qū)域組織如圖4(c)所示，由柱狀晶區(qū)向焊縫中間靠近，等軸晶尺寸逐漸增大，此區(qū)域的鐵素體整體呈等軸網(wǎng)狀分布。焊縫區(qū)微觀(guān)組織的SEM圖如圖4(d)所示。主要由鐵素體及在其內(nèi)部分布的島狀馬氏體/奧氏體構(gòu)成。針狀鐵素體的形態(tài)較為復(fù)雜。在不同的冷速下，會(huì)呈現(xiàn)不同的形貌。當(dāng)冷速較低時(shí)，針狀鐵素體會(huì)以塊狀鐵素體(針狀鐵素體的一種)的形態(tài)出現(xiàn)。這時(shí)其顏色和鐵素體接近，但邊界不清晰，且內(nèi)部分布有馬氏體/奧氏體。

圖5為ZG300-500H原始區(qū)域的微觀(guān)組織金相照片。由于ZG300-500H為鑄鋼，因此在鑄造過(guò)程中存在一定程度的成分偏析形成深色網(wǎng)狀組織，主要為鐵素體、索氏體/珠光體，其中索氏體/珠光體整體呈網(wǎng)狀分布。索氏體和珠光體同屬于珠光體類(lèi)組織，其中含有滲碳體，即深色網(wǎng)狀區(qū)的碳含量較其它地方高。

(a)焊縫區(qū) (b)柱狀晶 (c)靠近焊縫中間區(qū)域 (d)SEM

圖5 ZG300-500H原始組織金相照片

圖6(a)、(b)分別為ZG300-500H側(cè)熱影響區(qū)的粗晶區(qū)及細(xì)晶區(qū)金相組織照片?？梢猿醪脚袛嘣谏鲜鰠^(qū)域并不存在索氏體及珠光體。由此可以看出，經(jīng)過(guò)焊接熱循環(huán)后，熱影響區(qū)的組織發(fā)生了明顯變化。此外，深色的網(wǎng)狀組織依然存在。圖6(c)是ZG300-500H熱影響區(qū)的粗晶區(qū)微觀(guān)組織SEM照片。主要由貝氏體鐵素體和少量馬氏體構(gòu)成。貝氏體鐵素體和馬氏體轉(zhuǎn)變均不會(huì)破壞原奧氏體晶界，可以清楚地觀(guān)察到原奧氏體晶界，可以大致判斷奧氏體的晶粒尺寸約為40 μm。

ZG300-500H熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)的微觀(guān)組織如圖7(a)所示，該區(qū)域組織明顯細(xì)化，主要為針狀鐵素體。在臨近不完全正火區(qū)的區(qū)域，除了針狀鐵素體外，還存在少量的多邊形鐵素體，其尺寸不足10 μm，遠(yuǎn)低于母材正常區(qū)域的鐵素體晶粒尺寸。圖7(b)存在部分不完全正火區(qū)的組織，其中除了鐵素體外，還存在著大量的“墨菊”狀組織。圖7(c)為其SEM圖，該組織為托氏體，由鐵素體和滲碳體構(gòu)成，其片層間距平均小于0.1 μm。在不完全正火區(qū)，原來(lái)的珠光體在加熱過(guò)程中發(fā)生相變，轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。由于在焊接熱循環(huán)過(guò)程中，冷卻速度較高，因此過(guò)冷奧氏體在轉(zhuǎn)變過(guò)程中，并沒(méi)有重新形成珠光體，而是轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮榧?xì)密的托氏體。

(a)粗晶區(qū) (b)細(xì)晶區(qū) (c)粗晶區(qū)SEM

(a)細(xì)晶區(qū) (b)不完全正火區(qū) (c)SEM

圖8 Q345R基體微觀(guān)組織

Q345R基體微觀(guān)組織如圖8所示，可以看到明顯的灰色帶狀組織，由多邊形鐵素體、塊狀鐵素體和珠光體類(lèi)組織(珠光體和索氏體)構(gòu)成。

圖9(a)為熔合區(qū)及其兩側(cè)的微觀(guān)組織金相照片。熔合線(xiàn)左下角為焊縫區(qū)，右上方為Q345R熱影響區(qū)。從左及右依次為粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)和不完全正火區(qū)。該區(qū)域的SEM照片如圖9(b)、(c)所示，粗晶區(qū)的微觀(guān)組織主要為貝氏體鐵素體。隨著區(qū)域向母材基體處移動(dòng)，塊狀鐵素體出現(xiàn)，且數(shù)量逐漸增多，同時(shí)微觀(guān)組織明顯細(xì)化。到達(dá)不完全正火區(qū)后，晶粒尺寸開(kāi)始明顯增大，同時(shí)多邊形鐵素體和珠光體類(lèi)組織也開(kāi)始出現(xiàn)。

(a)金相 (b)粗晶區(qū) (c)不完全正火區(qū)

圖10為焊縫區(qū)域EBSD測(cè)試結(jié)果。圖10(a)為L(zhǎng)ocal Misorientation圖，從圖中可以確定該區(qū)域存在殘余應(yīng)力，藍(lán)色區(qū)域?yàn)闊o(wú)應(yīng)力區(qū)域，綠色、黃色和紅色區(qū)域應(yīng)力依次增加。兩側(cè)應(yīng)力較低，中間區(qū)域應(yīng)力較大。受力方向與晶面及其法線(xiàn)夾角為θ和φ，那么該晶面受的分應(yīng)力系數(shù)為取向因子或施密特因子(cosθcosφ)，以SF表示。以(001)為施密特基面，該區(qū)域SF分布如圖10(b)所示。SF數(shù)值主要分布在0.43～0.5之間，且分布均勻。圖10(c)IPF圖中并無(wú)明顯的織構(gòu)存在，局部存在帶狀取向分布近似區(qū)域，整體取向分布隨機(jī)。圖10(d)為晶界角度與極圖，相鄰晶界角度主要分布在兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)是小角度晶界，晶界錯(cuò)配度在10°以?xún)?nèi)；另一個(gè)是大角度晶界，晶界錯(cuò)配度在50°～60°。晶粒度主要集中在10～20 μm，占比為70%，另外30%晶粒度為20～40 μm，整體晶粒度較為均勻分布在10～40 μm范圍內(nèi)。晶向和晶面的取向一致性(織構(gòu))強(qiáng)度不超過(guò)2，晶向織構(gòu)強(qiáng)度最高為1.36，晶面織構(gòu)強(qiáng)度最高為1.72。

圖10 焊縫區(qū)域EBSD結(jié)果

圖11為ZG300-500H熱影響區(qū)EBSD測(cè)試分析結(jié)果。圖11(a)為L(zhǎng)ocal Misorientation圖，從圖中可以確定該區(qū)域存在殘余應(yīng)力，藍(lán)色區(qū)域?yàn)闊o(wú)應(yīng)力區(qū)域，綠色、黃色和紅色區(qū)域應(yīng)力依次增加。兩側(cè)應(yīng)力較低，中間區(qū)域應(yīng)力較大。以(001)為施密特基面，該區(qū)域SF分布如圖11(b)所示。SF數(shù)值主要分布在0.43～0.5之間，且分布均勻。圖11(c)IPF圖中并無(wú)明顯的織構(gòu)存在，整體取向分布隨機(jī)。圖11(d)為晶界角度與極圖，相鄰晶界角度在小角度區(qū)域集中于2°附近，小角度晶界整體比例為60%，大角度晶界均勻分布，占40%。晶粒度主要集中在10～30 μm，占比為90%，另外10%晶粒度為30～40 μm，整體晶粒度較為均勻分布在10～30 μm范圍內(nèi)。晶向和晶面的取向一致性(織構(gòu))強(qiáng)度不超過(guò)3，晶向織構(gòu)強(qiáng)度最高為1.63，晶面織構(gòu)強(qiáng)度最高為2.11。

圖11 ZG300-500H熱影響區(qū)EBSD結(jié)果

圖12為Q345R熱影響區(qū)EBSD測(cè)試分析結(jié)果。圖12(a)為L(zhǎng)ocal Misorientation圖，從圖中可以確定該區(qū)域存在殘余應(yīng)力，藍(lán)色區(qū)域?yàn)闊o(wú)應(yīng)力區(qū)域，綠色彌散分布的為低應(yīng)力區(qū)，無(wú)明顯高應(yīng)力區(qū)域。(001)為施密特基面，該區(qū)域SF分布如圖12(b)所示。SF數(shù)值主要分布在0.43～0.5之間，且分布均勻。圖12(c)IPF圖中并無(wú)明顯的織構(gòu)存在，整體取向分布隨機(jī)。圖12(d)為晶界角度與極圖，相鄰晶界角度在小角度區(qū)域集中于2°附近，小角度晶界整體比例為30%，大角度晶界均勻分布，占70%。晶粒度主要集中在10～30 μm，占比為90%，另外10%晶粒度為30～40 μm，整體晶粒度較為均勻分布在10～30 μm范圍內(nèi)。晶向和晶面的取向一致性(織構(gòu))強(qiáng)度不超過(guò)1.5，晶向織構(gòu)強(qiáng)度最高為1.24，晶面織構(gòu)強(qiáng)度最高為1.47。因此，結(jié)合圖12(c)和圖12(d)可以確定該區(qū)域并無(wú)明顯織構(gòu)形成。

圖12 Q345R熱影響區(qū)EBSD結(jié)果

圖13 焊接接頭顯微硬度

2.2 焊接接頭顯微硬度

圖13為焊接接頭處的顯微硬度分布圖。所測(cè)區(qū)域涵蓋整個(gè)焊縫和兩側(cè)熱影響區(qū)，并包括焊縫兩側(cè)的部分母材區(qū)域。從圖中可以看出在ZG300-500H一側(cè)，緊挨焊縫的熱影響區(qū)硬度較高，這是由于該區(qū)域?yàn)榇志^(qū)，以貝氏體鐵素體為主。該組織具有細(xì)密的板條結(jié)構(gòu)，因此硬度較高。隨著向母材繼續(xù)靠近，貝氏體鐵素體逐漸減少，針狀鐵素體開(kāi)始增加。此外顯微組織也逐漸粗化，從而導(dǎo)致硬度逐漸降低。但到達(dá)母材后，硬度值開(kāi)始出現(xiàn)較大的浮動(dòng)。這主要是因?yàn)閆G300-500H母材區(qū)的顯微組織為鐵素體和珠光體類(lèi)組織，兩者硬度值相差較大。焊縫區(qū)的硬度值雖然存在一定的浮動(dòng)，但從整體上呈左高右低的趨勢(shì)。這和組織不均勻以及焊縫兩側(cè)母材不一致等因素相關(guān)?？傊缚p兩側(cè)熱影響區(qū)的組織類(lèi)型接近，但ZG300-500H側(cè)硬度更高，這與該材質(zhì)具有相對(duì)高的碳含量有關(guān)。這也使得左側(cè)熔合區(qū)含有更多的碳，從而促進(jìn)了硬度的提升。

2.3 CTOD試驗(yàn)

CTOD試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果參見(jiàn)表3。CTOD值大小依次為ZG300-500H側(cè)熱影響區(qū)<焊縫

表3 焊接接頭的CTOD實(shí)測(cè)值

3 結(jié)論

(1)焊縫區(qū)的微觀(guān)組織主要是針狀鐵素體，越靠近焊縫中心，鐵素體含量越高。ZG300-500H母材區(qū)的組織為鐵素體和珠光體類(lèi)組織(珠光體和索氏體)。在其焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)微觀(guān)組織以貝氏體鐵素體為主，同時(shí)含有極少量的馬氏體。在細(xì)晶區(qū)主要是針狀鐵素體。而在不完全正

火區(qū)，以鐵素體和托氏體為主。Q345R母材區(qū)的組織為鐵素體、塊狀鐵素體和珠光體類(lèi)組織(珠光體和索氏體)。在其焊接熱影響區(qū)的部分粗晶區(qū)，貝氏體鐵素體是其主要組織。位置越靠近母材，塊狀鐵素體越多。但有部分熱影響區(qū)為塊狀鐵素體、針狀鐵素體和珠光體類(lèi)組織的混合組織。不論是粗晶區(qū)還是細(xì)晶區(qū)，其組織構(gòu)成基本不變。

(2)EBSD測(cè)試結(jié)果表明焊縫處存在較大的殘余應(yīng)力，主要集中于中間位置，同時(shí)存在條帶狀局部取向一致，整體無(wú)明顯織構(gòu)，晶粒度均勻分布在10～40 μm，晶界角度分布不均勻，分別集中在在10°以?xún)?nèi)和50°～60°兩個(gè)范圍。兩側(cè)熱影響區(qū)殘余應(yīng)力均較小，殘余應(yīng)力整體分布均勻，沒(méi)有明顯應(yīng)力集中。各部分晶粒取向隨機(jī)分布，無(wú)明顯織構(gòu)形成，晶粒度均勻分布在10～30 μm，晶界角度均勻分布在2°～60°。

(3)焊縫及兩側(cè)熱影響區(qū)硬度存在一定浮動(dòng)，ZG300-500H母材區(qū)至Q345R母材區(qū)硬度整體呈現(xiàn)連續(xù)過(guò)渡下降，硬度范圍為150～300HV。

(4)焊縫及雙側(cè)熱影響區(qū)三點(diǎn)彎曲CTOD值均較為穩(wěn)定，CTOD大小依次為ZG300-500H側(cè)熱影響區(qū)<焊縫