不同热输入下低碳贝氏体高强钢焊接接头的组织与性能

张迎春，宁艳平，张红英，全波

1.湖南财经工业职业技术学院机电工程系 湖南衡阳 421002

2.新邵思源实验学校 湖南邵阳 422900

1 序言

采用薄板坯连铸连轧技术与控轧控冷工艺可以制备600MPa级低碳贝氏体高强度钢[1]。低碳贝氏体高强度钢由于严格控制碳含量（wC≤0.05%），故碳对该钢种冲击性能的损伤大幅度降低[2]。由于该钢种常采用控轧控冷工艺生产，其晶粒细小、组织均匀，强度和韧性均较高，故其焊接性能和抗氢致开裂性能优良，是公认的21世纪绿色环保钢种[3-7]。其组织类型通常是粒状贝氏体、板条贝氏体和多边形铁素体的一种或几种复合组织，在大型电铲、推土机、液压支架及刮板运输机等工程机械和煤炭综采机械上得到大量应用[2-5]。钢板在应用过程中通常采用焊接方法加工成产品，其焊接性能的好坏直接影响钢板的施工质量和使用效果[7]。因此，非常有必要对钢板焊接接头的组织与性能进行深入研究，以期为后续600MPa级低碳贝氏体高强钢选择合适的焊接参数提供试验数据。

2 试验材料及过程

2.1 试验材料

试验所用母材为采用控轧控冷工艺生产的厚度为8mm的600MPa级低碳贝氏体高强度钢，其化学成分与拉伸性能见表1、表2，其组织主要为粒状贝氏体、针状铁素体和多边形铁素体。

表1 试验用低碳贝氏体高强度钢的化学成分（质量分数） （%）

表2 试验用低碳贝氏体高强度钢的拉伸性能

2.2 试验过程

试件尺寸为400mm×150mm×8mm，开V形坡口，坡口角度60°，钝边1mm，装配间隙2mm。焊前打磨试样，去除表面油污和铁锈，使其露出金属光泽，焊前不预热。采用φ1.2mm的YS800焊丝，其熔敷金属力学性能见表3。采用80%Ar+20%CO2混合保护气体，松下KR-500焊机，在3种不同热输入下对试件进行直流反极性、多层多道焊。正面焊完后清根再进行反面焊，焊接方向与母材的轧制方向一致。3组试件焊接参数见表4。焊道分布如图1所示，焊接接头的宏观形貌如图2所示。

表3 YS800焊丝熔敷金属的力学性能

表4 气体保护焊焊接参数

图1 焊道分布

图2 焊接接头宏观形貌

焊后将焊接接头制备成金相试样，经粗磨、细磨及抛光后，采用体积分数为4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀，用Neophot-3型光学显微镜和JSM-6369扫描电镜观察焊接接头各区的金相组织。

按照GB/T 2654—2008《焊接接头硬度试验方法》测定焊接接头的硬度，所用设备为HX-1000型显微硬度计，试验力为0.5kg（4.9N），压力保持时间为20s。硬度测试沿着图3中黑线进行。

图3 硬度测试位置

焊接接头拉伸试样的取样、加工等参考GB/T 2651—2008《焊接接头拉伸试验方法》规定。试样从焊接接头垂直于焊缝轴线方向截取，采用全厚度拉伸试样，拉伸试验在 DNS-300 型电子万能拉伸试验机上进行，拉伸速率为5mm/min。

冲击试样按GB/T 2650—2008《焊接接头冲击试验方法》加工成非标准V型缺口试样，其尺寸为55mm×10mm×5mm，取样位置在钢板中心，在JBN-300型摆锤冲击试验机上进行焊接接头冲击试验，试验温度为－40℃。每个试样均进行3次试验，结果取其平均值。

3 试验结果与分析

3.1 热输入对焊接接头组织的影响

（1）金相显微组织 不同热输入下试件焊缝、热影响区粗晶区的金相显微组织如图4、图5所示。从图4可看出，焊接热输入的改变对焊缝组织几乎没有影响，焊缝组织均为巨大的柱状晶，原奥氏体晶界上形成了大量的先共析铁素体及少量的魏氏铁素体组织；原奥氏体晶粒内则为大量相互交错的针状铁素体与贝氏体，其中针状铁素体以Al2O3夹杂物为核心多维形核，呈放射状生长[8]。

图4 不同热输入下焊缝的金相显微组织

从图5可看出，粗晶区的显微组织主要由贝氏体和针状铁素体组成，奥氏体晶界清晰。由于受到焊接热循环峰值温度的影响，因此使原奥氏体晶粒粗化。焊接热输入越大，则热循环峰值温度停留时间越长，粗晶区晶粒粗化也越严重[6]。但因为本次试验采用的焊接热输入均较小，所以粗化现象并不十分严重。

图5 不同热输入下热影响区粗晶区的金相显微组织

（2）扫描电镜组织 2#试件焊缝金属扫描电镜组织形貌如图6所示。从图6可观察到贝氏体及大量相互交错的针状铁素体组织。针状铁素体以夹杂物（见图6箭头）为结晶核心形核并呈放射状生长[8]。这些夹杂物呈球形，且直径为300～500nm。以焊缝中的微量元素形成的非金属夹杂物作为针状铁素体的形核核心，对提高针状铁素体的形核率起着重要的作用。同时，针状铁素体也可在已形成的针状铁素体上感生形核[8-10]。

图6 焊缝扫描电镜组织

不同热输入下热影响区的扫描电镜组织形貌如图7所示。从图7可观察到，粗晶区中有针状铁素体组织存在，这些针状铁素体以夹杂物为结晶核心形核，夹杂物大多呈方形。由面扫描分析可知，夹杂物核心为 Ca、Al的氧化物，核外主要是TiN[11-14]。有学者[11-15]认为，TiN能有效促进针状铁素体形核。

图7 焊接热影响区扫描电镜组织

3.2 热输入对焊接接头力学性能的影响

（1）热输入对接头硬度的影响 不同热输入下试件焊接接头的显微硬度分布如图8所示。从图8可看出，不同热输入下的3个试件焊接接头均出现粗晶区硬化、不完全正火区软化现象。随着热输入从11.2kJ/cm逐渐增大到19.4kJ/cm，试件的显微硬度呈逐渐减小趋势。

图8 不同热输入下试件焊接接头的显微硬度分布

（2）热输入对接头强度的影响 对不同热输入下试件进行拉伸试验，结果见表5。由表5可知，不同焊接热输入下，焊接接头的抗拉强度与母材相差不大。由断裂强度结合2号试件断裂处宏观组织（见图9）可知，断裂处为母材位置，且有缩颈现象产生，焊接接头得到有效强化。拉伸试样断口为典型的韧性断裂（见图10），韧窝内的夹杂物为Ti与Al的复合氧化物[16-22]。

图9 2#试件拉伸试样断裂处宏观组织

图10 2#试件拉伸试样断口扫描电镜组织

表5 不同焊接热输入下焊接接头拉伸性能

（3）热输入对接头低温冲击性能的影响 对不同热输入下焊接接头进行冲击试验，结果见表6，冲击试样断口的扫描电镜组织如11所示。由表6可知，不同热输入下焊接接头在－40℃时的冲击吸收能量平均值均为20J以上，说明热输入为10～20kJ/cm时，焊接接头均具有较好的抗冲击能力。随着热输入的增大，冲击吸收能量降低，但变化不大。由此可见，热输入的变化对其冲击性能的影响不大。由图11可知，当热输入较小（如1#试件）时，冲击断口纤维区具有韧窝特征，放射区有较大的撕裂台阶，为韧性与解理断裂的混合；当焊接热输入较大（如2#、3#试件）时，冲击断口纤维区具有滑移特征，韧窝数量少，放射区形成小的撕裂刻面，为解理断裂。

图11 冲击试样断口扫描电镜组织

表6 不同热输入下试件焊接接头－40℃冲击性能

4 结束语

1）3组试件经混合气体保护焊后，焊缝的显微组织由巨大的柱状晶组成，原奥氏体晶界上形成大量的先共析铁素体及少量的魏氏铁素体组织，原奥氏体晶粒内由大量相互交错的针状铁素体及贝氏体组成；热影响区的组织由贝氏体和针状铁素体组成，奥氏体晶界清晰。

2）不同热输入下试件焊接接头均出现粗晶区硬化，不完全正火区软化现象，而焊接接头的抗拉强度与母材相当，说明热输入对抗拉强度的影响不大。焊接接头－40℃冲击吸收能量随热输入的增大而逐渐减小。随着热输入的增大，冲击试样断口由解理与韧性断裂的混合逐步转变为解理断裂。

3）通过综合力学性能试验结果可得出，600MPa级低碳贝氏体高强度钢适合在不高于20kJ/cm的低热输入条件下进行焊接，此时可获得综合力学性能较好的焊接接头。