焊接熱輸入對焊接接頭金相組織的影響*

許科華， 朱 飛

(江蘇法爾勝泓昇集團(tuán)有限公司/材料分析測試有限公司，江蘇 江陰 214446)

焊接熱輸入對焊接接頭金相組織的影響*

許科華， 朱 飛

(江蘇法爾勝泓昇集團(tuán)有限公司/材料分析測試有限公司，江蘇 江陰 214446)

為了優(yōu)化焊接接頭的綜合力學(xué)性能以及研究裂紋在焊接接頭附近的擴(kuò)展問題，進(jìn)行了三種不同焊接工藝參數(shù)的焊接試驗(yàn)，并針對這三種焊接工藝參數(shù)的焊接接頭顯微組織進(jìn)行了分析。

焊接工藝； 焊接接頭； 顯微組織

引 言

焊接是將結(jié)構(gòu)件連接處加熱至熔化狀態(tài)，連接處的金屬經(jīng)歷一個(gè)熔合-冷卻-結(jié)晶的過程，形成焊縫，成為一體。在熔合過程中，高溫的熔池金屬在與母材的交界處生成非均質(zhì)形核并向熔池內(nèi)部生長，形成柱狀晶[2]。柱狀晶的生長程度與焊接的熱輸入量有直接的關(guān)系。因此研究熱輸入量對焊縫組織的影響，對于焊接接頭的最終性能來說，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 概述

在國家的基礎(chǔ)建設(shè)中，橋梁是不可或缺的一個(gè)重要組成部分，在建設(shè)過程中，對質(zhì)量的把控程度直接影響整座橋梁的施工質(zhì)量，對社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也起到很大作用。2005年以來，江蘇法爾勝泓昇集團(tuán)有限公司承接了大量的橋梁檢測業(yè)務(wù)，如表1所示。

表1 公司參與檢測橋梁概況

2 焊接試驗(yàn)

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的成型往往是通過各種焊接而成的，大型橋梁也不例外，它們都是通過多個(gè)板單元焊接成鋼箱梁，在橋位上再把鋼箱梁組裝成橋，因此，焊接質(zhì)量的好壞直接影響到整座橋梁的質(zhì)量和壽命。

一般材料的焊接性可以分為兩種：工藝焊接性以及使用焊接性[1]。橋梁鋼的工藝焊接性指的是在焊接的過程中焊接微裂紋是否容易產(chǎn)生，也就是焊接裂紋的敏感性；而橋梁鋼的使用焊接性指的是橋梁鋼焊接接頭的強(qiáng)度、韌性、宏觀、顯微硬度等指標(biāo)是否滿足使用的要求，其中強(qiáng)度和韌性的指標(biāo)最為關(guān)鍵。

通過研究不同焊接工藝參數(shù)對Q345qD鋼焊接接頭的宏觀金相和顯微金相組織的影響，可對不同焊接工藝參數(shù)的焊接性進(jìn)行評價(jià)。

2.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用板材為200 mm×500 mm×20 mm的Q345qD，屬于橋梁用低合金結(jié)構(gòu)鋼，這種材料具有強(qiáng)度高、塑性好、沖擊韌性高等特點(diǎn)；焊接材料為H08MnMoA，具有焊接性能良好的特點(diǎn)。它們的化學(xué)成分如表2所示，力學(xué)性能如表3所示。Q345qD材料的原始組織主要以塊狀的鐵素體和層片狀的珠光體為主，具體如圖1所示。

表2 Q345qD鋼和焊絲化學(xué)成分/%

表3 Q345qD鋼和焊絲力學(xué)性能

圖1 原材料顯微組織照片

2.2 不同焊接參數(shù)試驗(yàn)

本試驗(yàn)分別設(shè)計(jì)了焊接熱輸入為16、 20和36 kJ·cm-1的三種焊接工藝參數(shù)，進(jìn)行了焊接試驗(yàn)。

3 焊接工藝參數(shù)對焊接接頭金相組織的影響

3.1 宏觀金相組織分析

三種焊接接頭試樣的宏觀金相組織如圖2所示。焊接接頭在金相打磨機(jī)上進(jìn)行打磨，并經(jīng)過初步拋光后用10%的硝酸水進(jìn)行腐蝕。從圖2中可以清晰地看出整個(gè)焊縫的形態(tài)，焊縫區(qū)、熔合線和熱影響區(qū)區(qū)分非常的明顯。圖2中，焊接接頭的焊縫區(qū)域有明顯的粗大的樹枝狀和柱狀的形態(tài)，整個(gè)焊接接頭都沒有發(fā)現(xiàn)夾渣、未焊透、未熔合等宏觀缺陷。

圖2 焊接接頭的宏觀金相組織圖

3.2 焊縫區(qū)顯微金相組織分析

3.2.1 顯微金相組織形貌

不同焊接工藝參數(shù)下焊接接頭焊縫區(qū)的顯微金相組織分別如圖3～5 所示。

現(xiàn)實(shí)中觀察到的組織都是常溫狀態(tài)下的，焊縫區(qū)的金相組織也不例外，它們是由高溫奧氏體組織在不同的冷卻速度下得到的常溫組織[3]。根據(jù)鐵-碳相圖我們可以知道，高溫奧氏體在連續(xù)的冷卻過程中，一般都是在原奧氏體的晶界首先析出先共析鐵素體。先共析鐵素體析出后，由于原始的晶粒內(nèi)部存在合金元素以及一些微小顆粒，其中一些顆粒，成為形核的核心，無序狀的針狀組織就在這些顆粒上形核并逐漸的長大。由于先共析鐵素體析出時(shí)是沿著原奧氏體晶粒的晶界的，所以在常溫下的形態(tài)所呈現(xiàn)出的輪廓就是焊縫金屬柱狀晶的形狀[4]，因此，可以明顯的看到焊縫區(qū)金相組織的情況，為研究提供了便捷的條件。

圖3 16 kJ·cm-1試樣焊縫區(qū)金相組織

圖4 20 kJ·cm-1試樣焊縫區(qū)金相組織

圖5 36 kJ·cm-1試樣焊縫區(qū)金相組織

通過分析認(rèn)為，不同的焊接熱輸入量，在焊縫區(qū)必然會導(dǎo)致不同狀態(tài)、不同比例的柱狀晶：在較小的熱輸入量條件下，柱狀晶非常的發(fā)達(dá)，見16 kJ·cm-1試樣的金相圖；而在較大的熱輸入量條件下，焊縫中的柱狀晶比例相應(yīng)減小，但其寬度卻增加了，見36 kJ·cm-1試樣的金相圖。可以看出，在焊接接頭中，隨著焊接熱輸入量的增加，柱狀晶逐漸消失，在組織中所占比例大幅度減少，而且，因?yàn)楹附訜彷斎肓康脑黾?，?dǎo)致熔池金屬中的過冷度減小，使得柱狀晶向熔池內(nèi)部長大的動力減小，柱狀晶沿橫向長大，寬度增加。

從圖3～5中還可以看出，在原奧氏體晶界析出了晶界鐵素體和少量的塊狀鐵素體，它們呈直線規(guī)則的排列。還有一些在晶界鐵素體的基礎(chǔ)上向晶內(nèi)平行生長的板條鐵素體，它們所占的比例就非常少，有些根本就看不見。而在原奧氏體的晶粒內(nèi)部，則析出了細(xì)小的無序的針狀組織，并且，該部分針狀組織還隨著熱輸入量的增加顯示出先增加后減少的趨勢。

3.2.2 原因分析

焊縫金屬中呈現(xiàn)不同金相組織的原因是多方面的。一方面，隨著焊接熱輸入量的增加，焊縫熔池金屬的溫度就越高，使得奧氏體比較容易在液態(tài)金屬中形核，高溫奧氏體的原始晶粒尺寸就較小，而且，由于熔池金屬的溫度過高，向熔池金屬內(nèi)部生長的枝狀晶可能被高溫的熔池金屬所熔化，成為奧氏體晶粒新的形核核心，從而導(dǎo)致了奧氏體晶粒的形核比例增加，所以在過熱的熔池金屬中心部位，有更多的機(jī)會出現(xiàn)等軸晶，它的比例也會相應(yīng)的增加。由于在熔池金屬的冷卻過程中，柱狀晶向晶粒內(nèi)部生長需要一定的溫度梯度和過冷度，但熱輸入量的增加卻提高了熔池金屬的溫度，使得熔池金屬的溫度梯度減小，過冷度也減小，從而導(dǎo)致柱狀晶向奧氏體晶粒內(nèi)部生長的動力不足，而在沒有溫度梯度的橫向位置，卻比較容易長大，這樣就得到了比較寬大的柱狀晶組織。另一方面，隨著熱輸入量的增加，焊縫金屬在完全凝固成固態(tài)金屬后的溫度也越高，隨后的冷卻速度就越小，這就使得奧氏體轉(zhuǎn)變在較高的溫度下進(jìn)行，這對先共析鐵素體的析出是有利的。但由于溫度的偏高，奧氏體的原始晶粒長大嚴(yán)重，奧氏體顆粒的變大導(dǎo)致的結(jié)果是晶界尺寸減少，晶界鐵素體形核的位置減少，析出量減少，同時(shí)依附于晶界鐵素體的側(cè)板條鐵素體的量也相應(yīng)的減少。

而對于原始奧氏體內(nèi)部形核的無序的針狀組織則與晶粒內(nèi)的夾雜物多少有關(guān)，隨著熱輸入量增加，熔池金屬溫度升高，在高溫下停留時(shí)間變長，由于枝狀晶等熔入以及合金元素的關(guān)系，夾雜物含量增加，針狀組織形核量增加，含量也隨之增加，隨著熱輸入量的進(jìn)一步增加，焊縫金屬中的合金元素急劇燒損，使得夾雜物含量減少，針狀組織的含量也隨之減小。

3.3 熱影響區(qū)顯微金相組織分析

3.3.1 顯微金相組織形貌

由于焊接接頭熱影響區(qū)處在與熔池金屬距離不同的區(qū)域，其溫度不相同：在熔池金屬附近的區(qū)域峰值溫度高于AC3溫度，而在遠(yuǎn)離熔池金屬的區(qū)域峰值溫度卻在AC1～AC3之間。在隨后的連續(xù)的冷卻過程中，隨著距離熔池金屬的遠(yuǎn)近不同所形成的組織也是不相同的，這就造成了整個(gè)熱影響區(qū)組織的極度不均勻。一般情況下，熱影響區(qū)的組織由三個(gè)部分組成：距離熔池金屬最近的即熔合線附近的粗晶區(qū)域、峰值溫度剛剛達(dá)到AC3溫度的相變重結(jié)晶區(qū)域和峰值溫度在AC1～AC3之間的不完全相變重結(jié)晶區(qū)域，它們之間的區(qū)別非常明顯，分別如圖6～8所示。

3.3.2 原因分析

當(dāng)熱輸入量比較小時(shí)，靠近焊縫區(qū)域的冷卻速度較快，使原始的奧氏體晶粒的晶界被保留了下來；但隨著熱輸入量的增加，粗晶區(qū)受高溫作用的時(shí)間變得更長，導(dǎo)致過冷度減小，冷卻速度也變慢，奧氏體晶粒在這種條件下不斷的長大，而且，由于整個(gè)過程在較高的溫度下進(jìn)行，在奧氏體的晶界逐漸有先共析鐵素體不斷的析出，并且隨著熱輸入量的增加，先共析鐵素體析出的趨勢也不斷上升。

對于粗晶區(qū)附近的相變重結(jié)晶區(qū)，由于其溫度較高，超過了鐵-碳相圖上的AC3線，母材的組織已經(jīng)完全的奧氏體化，在隨后的冷卻過程中，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的鐵素體和珠光體組織。

在相變重結(jié)晶區(qū)的外側(cè)，是晶粒大小很不均勻的不完全相變重結(jié)晶區(qū)，其溫度處在鐵-碳相圖上的AC1～AC3溫度之間，由于鐵素體的含碳量比較低，所以在這一區(qū)域，粗大而含碳量低的鐵素體組織沒有完全奧氏體化，所以體現(xiàn)為比較粗大的組織，而珠光體組織中含碳量比較高，它的奧氏體化溫度比較低，所以這一區(qū)域的珠光體組織得以完全的奧氏體化，并且在冷卻過程中轉(zhuǎn)變成了比較細(xì)小的珠光體和鐵素體，故該區(qū)域的晶粒是不均勻的。

圖6 16 kJ·cm-1試樣熱影響區(qū)金相組織

圖7 20 kJ·cm-1試樣熱影響區(qū)金相組織

圖8 36 kJ·cm-1試樣熱影響區(qū)金相組織

4 結(jié)論

(1) 隨著焊接熱輸入量的增加，柱狀晶比例逐漸變少、等軸晶比例卻有所增加，沿奧氏體晶界析出的先共析鐵素體的數(shù)量明顯增加、向晶內(nèi)生長的板條鐵素體數(shù)量降低，在奧氏體晶粒內(nèi)部，無序狀的針狀組織含量先增加后減少。

(2) 焊接接頭熱影響區(qū)組織分布極不均勻，靠近焊縫側(cè)晶粒粗大，相變重結(jié)晶區(qū)主要為珠光體組織、鐵素體組織，在不完全相變重結(jié)晶區(qū)，組織為粗大的鐵素體混合細(xì)小的鐵素體和珠光體。

(3) 隨著焊接工藝參數(shù)的變化，熱影響區(qū)的組織受其影響最大的是粗晶區(qū)，相變重結(jié)晶區(qū)和不完全相變重結(jié)晶區(qū)受焊接工藝參數(shù)的影響不是很大。

[1] 黃春林，李朝兵，華奕，等．埋弧焊線能量對Q345qD鋼焊接接頭性能的影響[J]．江蘇建筑，2014，02：78-80．

[2] 張建金，鞠志萍．鐵路橋梁用321-Q345q-D復(fù)合鋼板焊接工藝研究[J]．鋼結(jié)構(gòu)，2012，27(11)：48-53．

[3] 王坤茜，張?zhí)鞎?，陳運(yùn)春，等．焊接熱輸入對ADB610鋼焊接接頭組織性能的影響[J]．熱加工工藝，2012，41(19)：193-195．

[4] 張朋彥，高彩茹，朱伏先．大熱輸入焊接用鋼的組織與力學(xué)性能[J]．東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2012，33(01)：81-85．

2015-08-11

許科華(1979—)，工程師。電話：13912456465；E-mail:35505038@qq.com

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