低合金高强钢焊接接头组织性能研究

低合金高强钢焊接接头组织性能研究摘要：本文结合实际生产条件根据 “低强匹配”原则，选取JM-100焊丝搭配WQ960高强钢的Ar(80%+CO(20%混合气体保护焊工艺，在无预热、层间温度小于 150C的条件下进行多层多道焊接。对 WQ960高强钢焊接接头进行了拉伸、冲击力学性能试验，并利用光学显微镜对WQ96C高强钢的焊接接头的微观组织及断口进行分析。 研究了焊接热输入对接头强度、 焊缝和冲击韧性的影响， 分析了微观组织对接头强韧性的影响以及该钢在实际生产条件下的焊接适应性。测试结果表明，在本试验条件下该钢力学性能良好，接头最大抗拉强度为 865.3MPa,-20C条件下的冲击功为50〜66J，达到设计要求。关键词：低合金高强钢；低组配焊接；力学性能随着我国经济的快速发展，各行各业都在快速发展，而作为一个钢材消耗大国，近几年，我国一直致力于可持续发展，以节约资源。低合金调质高强钢以其超高的强度、良好的塑韧性和较好的焊接性能广泛应用于工程机械、电力、压力容器、汽车等领域 [1]，随着全球对高强钢的需求不断增大，高强钢以其良好的性能优势得到了世界范围的认可，必将获得越来越广泛的应用。为了加速该类材料在实际生产中的应用进程， 解决其焊接过程中存在的主要问题(强度和韧性的匹配)[2],我们必需对其焊接性能进行深入的研究和分析， 制定出切实可行的焊接工艺，以满足产品的翻新换代和技术升级，从而提升产品的核心竞争力。WQ960高强度结构钢的合金元素含量低， 碳当量低，理论上可采用一般的电弧焊方法。就接头焊缝金属而言，强度越高，可达到的接头韧性往往越低，甚至低于母材金属的韧性水平。因此，在特殊情况下，对焊缝金属的强度要求可低于母材，以保证其韧性水平；对于刚度很大的焊接结构，为了减少焊接冷裂纹倾向，也选择比母材强度低一些的焊接材料。1试验方法试验所用的母材为 WQ960低合金高强钢，板厚10mm交货状态：调质态(Q+T交货，其抗拉强度为980MPaWQ960高强钢焊接材料的选择应在首先满足焊缝韧性的前提下，尽量提高焊材的强度，同时考虑经济效益，以及现有的焊接设备、施工条件等，故选用Ar(80%)+CQ(20%)混合气体保护焊，焊接材料选用型号为JM-100、规格为直径1.2mm的药芯焊丝。这样焊接材料与钢板构成了低强度匹配。接头型式采用V型坡口平板对接，坡口角度为60°,钝边2mm板间距2mm打底焊接采用手工MAG焊，参数为：电压为22〜23V,电流为160〜170A;盖面焊接采用半自动MAG旱，参数为：电压为24〜28V,电流为180〜240A,其中焊接速度为4mm/so焊后主要对焊接接头进行拉伸、冲击力学试验，采用蔡司光镜对焊缝的显微组织进行分析。2试验结果与分析2.1焊接接头的力学性能图1为不同热输入条件下的抗拉强度， 从图1可以看出，随着热输入的增大，焊接接头的抗拉强度呈现先增加后减小的趋势，并在焊接电流为 220A时，焊接接头的抗拉强度达到最佳值为 865.3MPa,这一强度值已经超过母材的抗拉强度的 80%固溶强化和细晶强化是焊缝金属主要的强化机制，而热输入对这两方面因素有直接影响。一方面，母材中合金元素含量要高于焊丝中合金元素的含量。当热输入的增加，母材与焊丝熔滴金属的融合稀释程度会增强，使焊缝金属中合金元素浓度提高，增强焊缝金属固溶强化效果增大。另一方面，由于热输入的增加，焊缝金属高温停留时间增加，导致焊缝金属组织晶粒尺寸增加，粗大晶粒数量增加。晶粒变粗会使得晶界数量减小，导致强化效果减弱。综合以上两方面因素，焊接接头的强度呈现先增加后减小的趋势。图1焊接接头的抗拉强度焊接接头的断面收缩率的变化规律和图 1相似，随着焊接电流即热输入的改变，断面收缩率有明显的改变。在180〜220A范围内，电流越大，断面收缩率越大。在焊接电流为220A时，断面收缩率为42.96%，其塑性最佳。但当电流过大，大于 220A时，电流越大，断面收缩率减小。从图2以看出，随着热输入的增加，焊缝金属的冲击功表现出先增加后减小的趋势。这是因为焊缝组织中各相比例和晶粒尺寸在其他条件一定时主要取决于热输入的大小。在 180〜220A，焊接接头的冲击韧性随着电流增大而变好。在 220A时，冲击韧性最好，吸收的冲击功达到61J。但是当电流过大，增大到240A时，焊接接头的冲击韧性又有所下降。由于针状铁素体的晶界为大角度晶界，当发生断裂时，需要不断地改变方向和途径［3］。当随着焊接热输入增加，针状铁素体的含量相应增加时，焊缝的冲击功也相应增加。当焊接电流为220A时，焊缝组织以针状铁素体为主，而且此时的针状铁素体尺寸也较小，所以焊缝的冲击功最高。当热输入继续增加时，焊缝金属的冷却速度降低，使得先共析铁素体含量增加，同时组织变得粗大。相比针状铁素体，先共析铁素体为小角度晶界，抗裂纹扩展能力较弱，因此焊缝的冲击功又开始降低。图2焊接接头的冲击性能图3为不同焊接电流下冲击断口照片。由图 3可知，当电流为180A时，焊缝为不均匀韧窝，塑性较差如图3中a）中所示。当电流逐渐增大时，随着热输入的增大，断口逐渐表现为韧窝的形貌特征，焊缝塑性变好。当电流为220A时，此时断口为韧窝明显较前面细化如b）所示，此时材料塑性最好。图 c）当电流为180A时冲击断口发射区图片，断口存在解理台阶、撕裂脊、河流花样和扇形花样等脆性断裂的典型断口形貌，说明此时材料冲击韧性较差。随着焊接电流的增大，热输入变大，可以在 220A电流冲击断口的图片d）中看到，断口已出现了由韧窝组成的撕裂脊。延性韧窝的出现说明此时材料的冲击韧性已明显变好。2.2焊接接头的显微组织图4为不同焊接电流下焊缝的显微组织。从金相组织图片中先共析铁素体沿着晶界析出，沿着先共析铁素体的形态可以推出柱状晶的形态。从图 4还可以看出，随着焊接电流的增大，柱状晶的含量在逐渐减小，宽度在增加。这是因为首先，焊接电流的增大，使热输入增加，熔池停留在高温的时间增大，冷却减慢，与周围的温度梯度减小，导致过热区液态金属枝晶重熔，对于柱状晶的增长有很明显的阻碍作用。其次，柱状晶沿着冷却速度最快的方向生长变慢，而其它方向变化不大，相对的柱状晶宽度有了增长的趋势［4］。随着电流的变大，焊缝组织中针状铁素体的含量为先增加后减少。这是因为，电流的增大使得热输入增大，熔池内温度升高，高温停留时间变长，冷却速(a)180A纤维区(b)220A纤维区(c)180A放射区（d）220A放射区图3焊接接头的冲击断口度变慢，熔池与周围的温度差减小，先共析铁素体增多。先共析铁素体为小角度晶界，尺寸较大，当裂纹扩展到它时，遇到阻力小，容易沿着晶界发展裂纹，其抗裂纹扩展能力较差。而针状铁素体沿晶界分布，细小而分布密，当裂纹扩展时，针状铁素体阻碍其发展，迫使其多次改变扩展方向，能起到很好的抗裂纹扩展作用。粒粗大，裂纹扩展时改变方向的次数少，阻力小，致使裂纹容易扩展。而且先共析铁素体多沿原奥氏体晶界分布，先共析铁素体组织增多的焊缝塑韧性差。(a)180A焊接线能量大时，焊缝中有较粗大的先共析铁素体组织，抵抗裂纹力差，冲击韧性低。控制焊接线能量使之获得细小、均匀的焊缝组织，增加铁素体含量，减少和细化先共析铁素体组织，有利于提高焊缝韧性。采用Ar+CQ(a)180A3结束语3.1据“低强匹配”原则所选用的焊材JM-100与母材WQ96C高强钢进行焊接，无焊前预热、无焊后热处理。低合金高强钢的焊接接头满足设计要求。3.2在焊接电流220A时，焊接接头的力学性能最好，抗拉强度为865.3MPa，断面收缩率为 42.96%,冲击功为61J。参考文献(d)240A图4不同焊接电流下焊缝的显微组织李亚江，王娟，刘鹏(d)240A图4不同焊接电流下焊缝的显微组织R.J.MOAT,D.J.HUGHES,A.STEUWER.Residualstressesininertia-friction-welded[J].Metallurgicalandmaterialstransactions,2009.李晓刚，董超芳，杜翠薇，等.断口形貌学[M].北京：科学出版社.2009.刍収栋，黄长辉，欧阳小琴.合金韧窝断口微观形貌的扫描白光干涉三维检测重构及Motif表征[N].机械工程学报，2011,47(10):8 〜13.焊缝的冷却速度由热输入决定，热输入大则焊缝金属的冷却速度小，热输入小，焊缝金属的冷却速度则相应增大。随着热输入的增加，熔池内液态金属高温停留时间增加，高温停留较长，冷却较慢，生成的先共析铁素