低碳貝氏體高強鋼焊接工藝研究

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摘要：對Q690E低碳貝氏體高強鋼進行80%CO2+20%Ar混合氣體保護焊接試驗，并檢測母材、焊接接頭金相組織和力學性能，通過SEM手段觀察母材和焊接接頭沖擊試樣斷口形貌。結果表明:Q690E鋼母材沖擊斷口形貌表現為韌性斷裂，焊接后熱影響區(HAZ)沖擊斷口形貌表現為解理斷裂;經過微觀組織分析，HAZ沖擊韌性下降，主要原因是HAZ區貝氏體組織中出現大量的M－A組元。HS－70焊絲低強匹配及熔合區貝氏體片層粗化導致焊接接頭強度明顯低于母材。

關鍵詞：低碳貝氏體高強鋼；氣體保護焊接；沖擊韌性；焊接工藝

隨著我國裝備制造業的迅猛發展，工程機械用鋼市場需求增大，發展前景廣闊。高強度機械用鋼由于具有超高強度、加工成型性良好、沖擊韌性高等優點，可廣泛應用于起重機、機動車底盤、推土機附件等重型裝備高強度、可撓性部件的制造，并能降低成本、減輕質量和增加有效負載［1－2］。傳統的600MPa以上屈服強度級別高強度鋼板主要通過固溶強化、析出強化提高強度，且合金元素含量較高，大多采用淬火加回火的調質熱處理工藝生產［2－3］。近年來，隨著工程機械用高強度鋼的發展，對降低成本和提高性能的要求越來越高，通過合理成分設計、充分利用控軋控冷技術開發的Q690E低碳貝氏體高強度鋼應運而生［1］。低碳貝氏體鋼是國際上新發展的一類高強度、高韌性多用型鋼種，其組織類型復雜多樣，一般為準多邊形鐵素體、針狀鐵素體、粒狀貝氏體、板條狀貝氏體以及M－A島等幾種非平衡組織的混合組織［4－5］，低碳貝氏體鋼在連續冷卻下的最終組織受鋼種成分、相變前奧氏體晶粒狀態、奧氏體在非再結晶區的畸變、冷卻條件以及其他生產工藝的影響很大［6］。為了保證Q690E鋼的強韌性，通過不同加速冷卻工藝，盡可能地細化晶粒、獲得低溫組織，這卻給焊接帶來熱影響區晶粒長大、焊接接頭強度低、韌性惡化等嚴重問題［7－10］。本文針對某鋼廠生產的20mm厚Q690E低碳貝氏體高強鋼板進行80%CO2+20%Ar混合氣體保護焊接試驗，并檢測母材、焊接接頭金相組織和拉伸、沖擊性能，通過SEM觀察母材和焊接接頭沖擊試樣斷口形貌，研究了Q690E低碳貝氏體高強鋼板母材與焊接接頭組織性能特征，為Q690E低碳貝氏體高強鋼的開發提供參考依據。

1試驗方法

試驗鋼為控軋控冷工藝生產的20mm厚Q690E低碳貝氏體鋼，利用Ti、Nb、B、Cr、Mo等微合金元素進行沉淀強化，其熔煉成分見表1。鋼的抗拉強度810MPa，屈服強度732MPa，室溫延伸率17%，－40℃的平均沖擊吸收功為143J。對上述Q690E鋼進行焊接試驗，焊接試板尺寸為(20×l50×500)mm，開X形坡口，試件坡口形式及尺寸見圖1。焊接前將試板坡口附近油污、鐵銹、雜質等清理干凈。采用松下KR－500型半自動焊機、80%CO2+20%Ar混合氣體作為保護氣體和直流反極性接法對焊接試板進行多層多道焊接，正反面均使用直徑1．2mm的HS－70型號焊條。從表1中成分可知，Q690E試驗鋼的碳當量Ceq=0．55%，熱影響區淬硬傾向增大，使焊接接頭的熔合性能降低，且易產生冷裂紋，因此焊接之前采取預熱措施，焊后保溫緩冷。試板焊后進行250℃、保溫2h消氫處理。對接接頭焊接試驗的焊接工藝見表2。試板焊接24h后進行超聲波探傷檢驗。焊后分別截取母材及焊接接頭制備拉伸、沖擊、金相試樣，在CSS－44100型電子萬能拉伸試驗機上進行拉伸試驗，在JB－300型擺錘式沖擊試驗機上進行沖擊試驗。將金相試樣研磨、拋光及4%濃度硝酸酒精溶液腐蝕后，用Leica光學顯微鏡觀察其微觀組織;通過JSM－6700F型掃描電鏡觀察分析母材和焊接接頭HAZ沖擊斷口形貌。

2試驗結果及分析

2．1母材組織分析

Q690E鋼母材金相組織為低碳下貝氏體，如圖2所示。奧氏體晶粒沿原鋼板的軋制方向被拉長，細小板條貝氏體組織分布于被拉長的原始奧氏體晶粒內。這種貝氏體板條內存在大量高密度的位錯，鋼板在軋態時強度較高。

2．2焊接接頭組織分析

焊后對焊接件進行外觀檢查和超聲波探傷檢測。結果表明，焊接件無氣孔、夾雜、裂紋等超標缺陷存在。在金相顯微鏡下觀察焊接接頭焊縫、熔合區、粗晶區、混晶區以及細晶區的組織形貌，見圖3。從圖3(a)可以看出，焊縫組織主要為針狀鐵素體+貝氏體。整個焊縫區金屬的顯微組織變化較大，組織分布不均勻。焊縫組織中的針狀鐵素體因呈大角度晶界，微裂紋解理跨越針狀鐵素體需要消耗較高的能量，提高焊縫強度及低溫沖擊韌性。但整個焊縫區組織變化大、分布不均，易導致焊接接頭沖擊韌性下降。從圖3(b)中可以看出，熔合區主要組織為貝氏體及滲碳體。貝氏體片層較為粗大，滲碳體顆粒球化，抗裂紋擴展能力較低，惡化了焊接接頭的強度與低溫沖擊韌性。圖3(c)～(e)所示為焊接接頭熱影響區(HAZ)金相組織。圖3(c)粗晶區組織主要為板條狀貝氏體，由圖可見，粗晶區原始奧氏體晶粒粗大，平均晶粒尺寸可達193μm。這是因為焊接熱循環時的峰值溫度超過Q690E鋼的奧氏體再結晶溫度，奧氏體晶粒充分長大。在圖3(d)所示的混晶區中，因峰值溫度超過鐵素體奧氏體平衡相變開始轉變溫度(Ac1)，加熱時發生部分再結晶，部分原始奧氏體晶粒明顯比母材的粗大。冷卻時組織中出現大量富C第二相組織，即M－A組元［10］，形成典型的粒狀貝氏體和M－A組元混合組織，此時的平均晶粒尺寸為58．2μm。在圖3(e)所示的細晶區內，峰值溫度未超過Ac1，加熱時不發生再結晶，高溫停留時間短，奧氏體晶粒來不及長大，冷卻過程中形成細小而均勻的板條貝氏體組織，與混晶區組織一樣，出現大量的M－A組元，且保留了清晰的原始奧氏體晶界，平均奧氏體晶粒尺寸約為8．5μm。當M－A組元的形態從高冷卻速度下的薄膜/細小晶界型位錯M－A組元轉變成低冷卻速率下的大塊狀位錯或孿晶M－A組元后，裂紋形核功將明顯降低。隨著M－A組元尺寸的增加，所占體積百分數的增多，裂紋擴展吸收功也降低。

2．3焊接接頭力學性能分析

在拉伸試驗中，焊接接頭斷于熔合區，抗拉強度為735MPa，低于母材抗拉強度810MPa，其原因在于:(1)焊接試驗采用HS－70型號70kg級焊絲，強度略低于母材，屬于低強匹配。(2)焊接過程中熔合區溫度高，有利于碳的擴散，在促進貝氏體相變形核的同時，也促進了貝氏體片層的長大，熔合區貝氏體片層較為粗大是焊接接頭強度下降的主要原因。HAZ區的平均沖擊吸收功約為17．3J，大大低于母材的平均沖擊吸收功143J。焊接接頭的拉伸性能、HAZ區的沖擊性能如表3所示。為了進一步分析焊接接頭韌性下降的原因，進行母材與焊接接頭HAZ區沖擊斷口SEM形貌比較分析，結果如圖4所示。圖4(a)中顯示母材沖擊試樣斷口，該斷口呈等軸韌窩特征，韌窩尺寸略小，深度較淺，屬于韌性斷裂，試樣的韌窩干凈、清晰、基本上都是等軸形狀。圖4(b)為HAZ區沖擊試樣斷口形貌，從中可發現明顯的河流花樣及解理臺階，屬于典型的解理斷裂，表現為脆性斷裂。20mm厚度低碳貝氏體Q690E材料碳當量較大，Ceq=0．55%，80%CO2+20%Ar混合氣體保護焊接接頭在高溫驟冷情況下，HAZ組織中出現大量的M－A組元，且尺寸較大，如圖3所示，導致焊縫HAZ區韌性下降明顯。

3結論

(1)Q690E低碳貝氏體高強鋼母材組織為下貝氏體，經過80%CO2+20%Ar混合氣體保護焊接后，焊縫熱影響區組織為典型的粒狀貝氏體和M－A組元混合組織，大量的M－A組元惡化了焊接接頭沖擊韌性。(2)采用HS－70焊絲低強匹配焊接Q690E低碳貝氏體高強鋼，焊接后拉伸斷于焊縫熔合區，強度略低于母材，與熔合區貝氏體片層粗化有關。

作者：劉朝霞 劉俊 孟羽 寧康康 許曉紅 單位：江陰興澄特種鋼鐵有限公司研究院