NB对低碳钢焊接区组织和性能的影响

牟世超　马新新　于腾飞

【摘 要】介绍了冷金属过渡+脉冲（CMT+P）焊接的焊接方法和特点.采用CMT+P焊接工艺对低碳钢板进行了对接焊接试验，并对比分析了低碳钢的CMT+P焊接工艺与TIG打底+SMAW填充焊焊接工艺的焊接接头组织和性能.结果表明，两种工艺的焊接接头经热处理后均为回火马氏体组织，且CMT+P的马氏体板条间距较小，热影响区为等轴晶且较窄，高温蠕变性能相对较好；CMT+P焊接接头抗拉强度优于母材，且冲击韧性与TIG打底+SMAW填充焊焊接头冲击韧性水平相当.进而证实了CMT+P可作为低碳钢焊接工艺的一种新选择.

【关键词】低碳钢；冷金属过渡+脉冲焊；焊接接头；金相组织；力学性能

中图分类号：TG444 文献标识码：A

引言

低碳钢是一种新型马氏体耐热钢，具有高温强度高、导热性好、热膨胀系数低和蠕变性能好等优点.低碳钢主要用于超超临界机组的高温、高压主蒸气管道等部件，其焊接接头的性能对机组的安全运行至关重要.目前，工程应用中低碳钢的焊接工艺是TIG打底、SMAW焊填充、盖面.TIG打底焊虽然焊接接头强韧性好，但焊接速度不高，焊丝熔敷率低，影响焊接效率.SMAW焊接效率虽高，但焊接热输入大，焊缝组织晶粒粗大，焊接热影响区较宽.而且其电弧穿透力差，焊缝熔深小.所以，SMAW焊接接头力学性能不够优异.CMT是一种新型焊接方法，它是在MIG/MAG焊的基础上通过焊丝回抽使熔滴在短路过渡电流接近于零的情况下实现短路过渡.CMT既能降低焊接热输入，又能提高焊接效率.但由于CMT热输入低，不适合3mm以上厚板的焊接.而CMT+P是在CMT基础上开发的能够更大范围控制热输入的焊接方法，可用于厚铝板的焊接.文中为了探索CMT+P是否可以替代TIG打底+SMAW填充的焊接方法用于P92钢焊接以提高焊接效率获得组织性能优异的焊接接头，采用CMT+P对15mm厚低碳钢板进行了对接试验，并研究了对接接头的组织性能，进一步促进低碳钢在工业中进一步的应用.

1、试验方法

试验焊机为FroniusCMTAdvanced4000，焊接机器人为FANUCRobotM-10iA，用NIUSB−6361数据采集卡采集焊接电流电压信号.焊丝直径为φ1.2mm的OerlikonCarbofilCrMo92实芯焊丝.平板对接母材规格为150mm×85mm×15mm，坡口形式及尺寸如图1所示.焊接过程采用Ar+2.5%CO2混合气体保护，气流量15L/min.

2、结果及讨论

2.1强化处理对焊接接头抗拉性能的影响

图2所示。由图2可知：未处理的回火钢板焊接件的抗拉强度为840Mpa左右，相對于回火钢母材（1720Mpa）降低了约900MPa，强度损失严重。机械旋压焊接件抗拉力达到940Mpa左右，相对未处理的焊接件提高了约100MPa，增强效果也比较理想，这是因为机械旋压有助于拉长组织结构，这一过程使材料的拉伸强度增加了。

2.2淬火钢焊接接头组织特征分析

低碳钢钢焊接头的显微组织如图3所示，由图可以看出：低碳钢钢焊接头位置，金相组织均主要为晶粒粗大的板条状基体组织；而在焊接热影响区，在焊接头附近的完全回火区出现了晶粒严重重大的现象，该区域主要以粗大的马氏体组织为主体，并且随着距离焊接接头的距离的增大，会出现细小的马氏体，该区域相当于正火区；而在焊接热影响区的不完全火区，根据焊接温度场理，该区域被加热到温度为AC1～AC3，在焊接热过程中，只有很少的铁质体会溶解到奥氏体中。，大部分光体等会转变为奥氏体，焊接完成后冷却过程中，由于速度较快，奥氏体转变为马氏体，但该区域原的铁素体却保持不变，并且铁素体会有不同程度的长度，因此该区域多以马氏体-铁素体组织为主；在不完全着火区，通过图3（e）（f）可以可见，照片中的马氏体含量非常少，说明在该区域存在着回火软化的现象，因为该区域正处于AC1附近的温度区间，此时的奥氏体成分远未达到发生相应变化的平衡温度，因此导致该区域的铁素体和碳化合物未完全溶解，而在冷却过程中，奥氏体组织会发生分解，分了解铁元素，从而造成该区域的机械性能较低。

在焊接热影响区的完全回火区，由于受热温度较高，温度高于AC3以上，因此在焊接过程中，原始状态钢的铁素体和光亮体会向奥氏体转变，回火状态钢的马氏体组织也被奥氏体化。焊接完成后，在冷却过程中，由于冷却速度较快，所以奥氏体大批量转变为马氏体。.通过原始状态钢焊接件金相图（见图3（g））和焊接状态钢焊接件金相图（见图3（c）（d））可以看出，组织中有大量的板状马氏体存在，这些马氏体会使该区域的拉伸强度和硬度均有所增加；焊接接头的焊缝区域，与焊接热影响的完全回火区域状态基本一致，通过图3（b）可以看出，里面有大量的板条状马氏体存在。

2.3强化处理焊接接头金相组织

焊接过程中，经机械旋压后获得热影响区纵断面的明显微观组织如图4所示。由于机械旋压作用，材料结构发生了塑性变形，所以以金相试样比较好以制备。由图4可以看出：对于低碳钢钢板焊接接头，经机械旋压处理后，在焊接件表面形成了一层塑性变形层。其中的晶粒在压头旋压作用下被压扁拉长，使其分布更加均匀致密，加之旋压作用在焊接件表面形成压力应力层，这不仅能提高焊接件表面硬度，还能改善焊接件表面的微观缺陷和应力分布，使获得焊接件的拉伸强度、硬度的机械性能得到一定程度的提高。

2.4强化对焊接接头显微硬度的影响

对低碳钢火烧钢板焊接件进行机械旋压强化处理后，对焊接接头的表面进行硬度测试。图5为火烧钢板焊接件经旋压强化处理后焊接接头的表面硬度分布曲线。由图5可知：经机械旋压处理的低碳钢火烧钢板焊接件的焊接接头表面硬度在焊接接头金属属部。分比较小，平均约为380hv，在完全着火区靠近焊接接头处达到峰值，约为420hv，但随后硬度值立即降至最低值（约为280hv）。此后，随着焊接接头距离增大而逐渐升高，由于旋压的不均而波动起。焊接后旋压能在表面形成一层塑性。变形层，使组织被拉长，同时还可以使组织更细致，均匀一致，所相对于未处理的焊接，最低硬度值有所增加。

3、实验结论

本文通过研究低碳钢超高强度钢淬火与为淬火状态下焊接接头的组织与性能，使用金相显微镜与扫描电子显微来观测淬火与未淬火焊接接头处各个区域的组织，使用显微硬度计和万能试验机来测量焊接接头的力学性能，并将淬火与未淬火试样以及其各个区域的组织与性能进行对比分析，得出以下结论。1）低碳钢超高强度钢的焊接接头可分为3个区域：焊缝区、热影响区与母材区。焊缝区显微组织为板条马氏体组织；热影响区可以分为两个区域：淬火区与软化区，淬火区组织为马氏体组织，软化区是马氏体组织与铁素体组织并存；母材区组织是铁素体组织与珠光体组织并存，但母材区域的珠光体组织含量比软化区低。2）焊接接头的焊缝区与热影响区的硬度和抗拉强度均高于母材区域，并且母材区域发生的拉伸断裂为韧性断裂。3）焊接接头在热影响区靠近母材的一端存在软化区域，该区域为拉伸断裂区域。焊接接头软化区硬度最低值为284.1HV，焊接接头除母材区外硬度最高值为466.5HV。

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（作者单位：中车青岛四方机车车辆股份有限公司）