不同热输入Q450NQR1钢焊接过热区组织、硬度和冲击韧性的研究

黄显峰　赵娇玉　黄君辉　金鹏

摘要：通过焊接热模拟技术对Q450NQR1高强度耐候钢在不同的焊接热输入下过热区的组织、硬度和冲击性能进行了工艺研究。结果表明：随着焊接热输入的增加，显微组织先共析铁素体由针状向块状转变，粒状贝氏体含量逐渐增多，硬度整体逐渐降低，低温冲击功整体差别不大，冲击断口均为解理断裂，边缘为大小不一的韧窝形态。

关键词：Q450NQR1高强度耐候钢;焊接热输入;粗晶区;显微组织;冲击性能

中图分类号：TG457.11文献标志码：A文章编号：1001-2303（2020）04-0107-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.19

0 前言

Q450NQRI高强度耐候钢是钢铁公司为满足铁路货车高速、重载需要而研制的新型耐候钢，具有低P、强度高及低温冲击韧性高的特点，已广泛应用于铁路货车车体的制造中[1]。Q450NQR1高强度耐候钢是我国铁路货车车体常用材质，一般采用MAG焊，对于厚板（板厚≥10 mm）长直对接焊缝和角接焊缝，为保证焊接质量、提高生产效率，通常采用埋弧自动焊进行焊接[2-3]。但是在实际生产中发现，埋弧焊接头的低温冲击性能较低，尤其随着焊接热输入的增加，其接头的低温冲击性能降低更为明显[4]。因此，为确保铁路货车车体的焊接质量，有必要对埋弧焊焊接热输入对Q450NQR1高强度耐候钢接头性能的影响进行深入的工艺研究。热模拟技术可以通过精确地显示热加工过程中材料或部件的组织和性能变化来预测材料制备或热加工过程中的问题[5]。本文采用热模拟技术、显微组织分析技术、硬度试验和夏比冲击试验，对Q450NQRI高强度耐候钢在不同焊接热输入下过热区的组织和冲击性能进行了研究，为获得合理的工艺提供理论指导和技术支持。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为Q450NQR1高强度耐候钢。其化学成分及力学性能分别如表1、表2所示。

1.2 试验方法

在 Gleeble3800热模拟试验机上完成热模拟焊接试验，模拟过热区温度，其峰值温度设定为1 300 ℃，加热速度为200 ℃/s，模拟热输入分别为1.35、1.75、2.23、2.68、3.06 kJ/mm，热模拟试样尺寸为11 mm×11 mm×100 mm。

热模拟试验后，对试件进行研磨、抛光、选用4%硝酸酒精溶液腐蚀试样，并在金相显微镜下观察其显微组织。然后利用HV-50A型显微维氏硬度仪测量不同焊接热输入下的维氏硬度。

参照GB/T 2650-2008《焊接接頭冲击试验方法》在JB-300B 300/150型冲击试验机进行-40 ℃冲击试验，冲击试件具体尺寸如图1所示。

2 试验结果及分析

2.1 金相组织

母材和不同焊接热输入Q450NQR1高强度耐候钢热模拟显微组织（1 000倍）如图2所示。母材室温下基体组织为铁素体及细小块状分布的片状珠光体。由图1可知，当焊接热输入为1.35 kJ/mm时，显微组织为先共析铁素体+珠光体和粒状贝氏体;当焊接热输入1.75 kJ/mm时，组织为先共析铁素体+珠光体和粒状贝氏体，在晶内出现针状铁素体;当焊接热输入由2.23 kJ/mm增大至3.06 kJ/mm时，显微组织为块状先共析铁素体+珠光体和粒状贝氏体，且粒状贝氏体含量增多。即随着焊接热输入的增大，先共析铁素体由针状向块状转变，粒状贝氏体含量逐渐增多。

2.2 硬度试验结果及分析

不同焊接热输入下Q450NQR1高强度耐候钢热模拟试件的显微硬度如图3所示。由图3可知，不同焊接热输入下显微硬度范围为230～300 HV，随着焊接热输入的增大，试件的显微硬度整体逐渐降低。当焊接热输入为1.35～1.75 kJ/mm时，硬度变化不明显，因为此时组织变化不明显，主要为粒状贝氏体，且数量相差不多。当焊接热输入达2.23 kJ/mm时，硬度下降较为明显，出现块状铁素体，且粒状贝氏体较多。焊接热输入为2.68～3.06 kJ/mm时，组织变化不明显，主要为粒状贝氏体，因此硬度变化不明显。

2.3 冲击试验结果及分析

不同焊接热输入下Q450NQR1高强度耐候钢冲击试验结果（-40 ℃低温冲击功平均值）如图4所示。Q450NQR1高强度耐候钢热影响粗晶区低温冲击功平均值整体差别不大，材料的冲击韧性与组织密切相关。当焊接热输入为1.35 kJ/mm时，显微组织为先共析铁素体+珠光体+粒状贝氏体，当焊接热输入为1.75 kJ/mm时，冲击功显著升高，此时显微组织中出现冲击韧性好的针状铁素体，因此冲击韧性显著升高。当焊接热输入为2.23 kJ/mm时，冲击功突然降低，此时显微组织为共析铁素体由针状向块状转变，并伴随粒状贝氏体含量逐渐增多。

2.4 冲击断口形貌

不同焊接热输入下Q450NQR1高强度耐候钢断口试验结果（-40 ℃低温）如图5所示。由图5可知当焊接热输入为1.35 kJ/mm时，冲击值较小时，断口中间与边缘均无韧窝，并且有着明显的河流状脆断条纹，且存在二次裂纹，冲击试样均为解理断裂;冲击值较大时，断口中间与边缘均为较大的韧窝形态。当焊接热输入为1.75 kJ/mm时，断口中间与边缘均为浅韧窝断裂。当焊接热输入为2.23 kJ/mm时，断口形貌与焊接热输入为1.35 kJ/mm时相似。当焊接热输入为2.68 kJ/mm时，冲击值较小时断口中间与边均为解理断裂;冲击值较大时断口中间与边缘均为大小不一的韧窝形态。当焊接热输入为3.06 kJ/mm时，冲击值较小时断口中间与边缘可以看到明显的河流花样，均为解理断裂;冲击值较大时断口为解理断裂，边缘为大小不一的韧窝形态，小韧窝较多。

3 结论

（1）随着焊接热输入量的增加，显微组织为先共析铁素体+珠光体和粒状贝氏体逐渐转变为为块状先共析铁素体+珠光体和粒状贝氏体，并且粒状贝氏体含量增多。即随着焊接热输入的增大，先共析铁素体由针状向块状转变，粒状贝氏体含量逐渐增多。

（2）随着焊接热输入的增大，试件的显微硬度整体逐渐降低。当焊接热输入在1.35～1.75 kJ/mm时硬度变化不明显。当焊接热输入达到2.23 kJ/mm时硬度下降较为明显，出现块状铁素体，且粒状贝氏体较多。2.68～3.06 kJ/mm组织变化不明显，主要是粒状贝氏体，因此硬度变化不明显。

（3）不同焊接热输入下-40 ℃冲击功平均值均大于27 J。热影响粗晶区低温冲击功平均值整体差别不大，材料的冲击韧性与组织密切相关。当焊接热输入为1.75 kJ/mm时，冲击功突然升高，当显微组织中出现冲击韧性好的针状铁素体，因此冲击韧性显著升高。

参考文献：

[1] 朱广庆. Q450NQR1高强度耐候钢在铁路货车车辆的应用[D]. 黑龙江：哈尔滨理工大学，2005.

[2] 扁明亮. 埋弧自动焊在大厚板上的应用[J]. 山东工业技术，2018（10）：53.

[3] 李鹤岐，王新，蔡秀鹏，等. 国内外埋弧焊的发展状况[J].电焊机，2006，36（4）：1-6.

[4] 李俊琛，张亚森，杨新龙，等. 热输入对高钼Q420钢焊接接头组织和性能的影响[J]. 材料热处理学报，2018，39（7）：156-160.

[5] 莫春立，于少飞，钱百年，等. 焊接热源计算模式的研究进展[J]. 焊接学报，2001，22（3）：93-96.