Weldox700E高強度鋼焊接性探討

張　颯　王　攀　莊　園

1.廈門大學(xué)福建省特種先進材料重點實驗室，廈門,3610052.廈工機械股份有限公司，廈門,361023

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Weldox700E高強度鋼焊接性探討

張颯1王攀2莊園2

1.廈門大學(xué)福建省特種先進材料重點實驗室，廈門,3610052.廈工機械股份有限公司，廈門,361023

摘要：對瑞典威達Weldox700E高強度鋼的焊接性能進行研究，測試了焊接區(qū)域顯微組織結(jié)構(gòu)和物理性能，分析了熱影響區(qū)顯微組織與韌性下降的關(guān)聯(lián)問題。結(jié)果表明，Weldox700E高強度鋼焊接性能良好，其組織結(jié)構(gòu)與沖擊韌性之間存在一定的線性關(guān)系。研究結(jié)果為企業(yè)在焊接工藝評定中確定中高強度鋼組織結(jié)構(gòu)和物理性能之間的關(guān)系提供了一定的理論參考。

關(guān)鍵詞：高強度鋼；焊接性；組織結(jié)構(gòu)；沖擊韌性

0引言

高強度鋼由于具備優(yōu)良的可成形性以及較低的制造成本，將作為主要的工程材料發(fā)揮越來越重要的作用[1]，然而高強鋼焊接時有淬硬傾向，容易產(chǎn)生冷裂紋，同時伴有熱影響區(qū)韌性下降的現(xiàn)象[2-7]，其焊接區(qū)域的組織結(jié)構(gòu)對其物理性能尤其是沖擊韌性至關(guān)重要[8-11]。本文對Weldox700E高強度鋼焊接接頭不同區(qū)域的顯微組織和性能進行了系統(tǒng)測試和分析，建立起兩者之間的線性關(guān)聯(lián)，從而為企業(yè)中高強度鋼的焊接工藝評定工作提供參考。

1試驗材料與方法

1.1試驗材料

試驗用廈工機械股份有限公司提供的瑞典SSAB公司生產(chǎn)的Weldox700E高強鋼，其化學(xué)成分如表1所示。

表1　試驗用鋼的化學(xué)成分

1.2焊接工藝

在Aristo Mig U500i型伊薩焊機上采用Ar和CO2混合氣體保護焊接方法。焊件采用銑床加工成標準夏比V形坡口(無鈍邊)，焊件清理通過角磨機打磨處理將鋼板坡口及距坡口50 mm區(qū)域內(nèi)打磨光亮呈現(xiàn)金屬光澤，焊絲清理是將拆封下來的焊絲外圍整圈焊絲剪除。在Weldox700E高強鋼試板反面實施兩端定位焊，預(yù)留間隙3 mm，定位完成后預(yù)置反變形8 mm，平行于焊縫間隙50 mm兩側(cè)區(qū)域采用氧乙炔氣割炬進行火焰預(yù)熱，預(yù)熱溫度為80 ℃，預(yù)熱完成后立即進行打底焊接，焊接層數(shù)為12層，同時焊后進行消氫熱處理。具體焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表2　焊接工藝參數(shù)

1.3金相組織與成分測試

焊接后在兩塊試板上分別取金相試樣，然后依次用目數(shù)為80、200、400、600和800的金相砂紙磨制，經(jīng)機械拋光之后用4%(質(zhì)量分數(shù))的硝酸酒精腐蝕出焊接接頭的顯微組織。在圖1的標準夏比V形缺口上，分別以接頭上表面的焊縫中心、焊縫中心1 mm處、焊縫中心根部，以及距離熔合線0、2 mm、5 mm的熱影響區(qū)為觀測目標，在廈門大學(xué)材料學(xué)院日立SU-70型熱場發(fā)射掃描電鏡上進行金相顯微觀察和元素能譜測試及分析。

A.焊縫中心　B.焊縫中心1 mm處　C.熔合線處　D.熔合線2 mm處　E.熔合線5 mm處　F.底部焊縫中心　G.母材處圖1　試驗材料V形缺口及焊接接頭不同觀測部位示意圖

1.4硬度和沖擊韌性測試

對焊接接頭不同區(qū)域分別進行硬度和沖擊韌性測試。在特定區(qū)域針對不同金相組織，制作V形缺口進行夏比V形沖擊試驗。在焊接接頭上表面1～2 mm的焊縫中心、焊縫中心1 mm處、焊縫中心根部，以及距離熔合線0、2 mm、5 mm的熱影響區(qū)分別選取沖擊試樣，沖擊試樣溫度采用-40 ℃。沖擊試樣的尺寸規(guī)格為55 mm×10 mm×10 mm，V形缺口夾角是45°，底部曲率半徑為0.25 mm。

2試驗結(jié)果與分析

2.1焊接區(qū)域顯微組織與成分

(a)焊縫中心(A處)　　　(b)焊縫中心1 mm處(B處)

(c)熔合線處(C處)(d)熔合線2 mm處(D處)

(e)熔合線5 mm處(E處)(f)底部焊縫中心(F處)

(g)母材處(G處)圖2　焊接接頭不同觀測部位金相組織

圖2所示為焊接接頭不同區(qū)域的金相顯微組織。圖2a和圖2b是焊縫中心金屬顯微組織，焊縫金屬由熔化金屬凝固結(jié)晶而成，焊縫金屬組織是平行于傳熱方向的鑄態(tài)樹枝晶，圖中可見主要是白色針狀、塊狀和月牙狀鐵素體，細小黑色團狀珠光體，以及少量粒狀貝氏體；針狀鐵素體對焊縫來說是比較好的組織，因為這種組織不僅能提高其強度，而且能顯著提高其低溫沖擊韌度。因此，使焊縫中出現(xiàn)足夠數(shù)量的針狀鐵素體是提高強韌性的關(guān)鍵。圖2c～圖2e是熔合線熱影響區(qū)顯微組織，這個區(qū)域靠近熔化金屬而受到焊接熱作用發(fā)生組織和性能變化，圖中可見主要是比較粗大的針狀鐵素體、珠光體與過冷奧氏體轉(zhuǎn)變組織(小白塊及淺灰色塊)，組織晶粒相對比較粗大并呈帶狀分布；尤其是圖2c為焊接熱影響區(qū)中的熔合區(qū)，這個地方的金屬處于局部熔化狀態(tài)，由于奧氏體晶粒長得粗大，這種粗大的奧氏體在較快的冷卻速度下會形成一種特殊的過熱組織，其組織特征為在一個粗大的奧氏體晶粒內(nèi)會形成許多平行的鐵素體(滲碳體)針片，在鐵素體針片之間的剩余奧氏體最后轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，即所謂的魏氏組織，魏氏組織的生成會使金屬的韌性下降，從而導(dǎo)致焊接接頭變脆。圖2f是底部焊縫中心金屬顯微組織，珠光體和貝氏體相對減少，主要是白色塊狀鐵素體。圖2g是遠離焊接區(qū)域的母材區(qū)，保持了母材原有組織，圖中可見主要是長板條狀貝氏體和被板條貝氏體分開的貝氏體團，同時團粒晶界處分布少量薄膜狀的馬氏體和殘余奧氏體M-A組元，在針狀貝氏體間隙也分布少量這樣的M-A組元，而且這些低碳馬氏體之間呈一定的角度相交。

低碳高強度鋼的化學(xué)成分區(qū)別于高強度鋼的突出特點是含碳量很低，但是為了獲得較高的強度，鋼中通常加入Mn、Cr、Mo等微量元素，同時對S、P等有害雜質(zhì)的控制非常嚴格。表3列出了圖2中不同區(qū)域的元素能譜測試結(jié)果，可以看到各區(qū)域較低的含碳量保證了材料較高的強度和焊接性能，Mn、Cr、Mo及Ni等合金元素的加入，提高了材料的韌性和塑性，確保鋼材具有較好的綜合力學(xué)性能，同時熔融金屬中這些微量元素可以抑制高溫奧氏體晶粒長大，促使針狀鐵素體的形成和增多，細化了焊縫金屬組織，從而能提高焊縫金屬的韌性。

表3　焊接接頭不同區(qū)域元素成分

2.2焊接區(qū)域顯微硬度與沖擊韌性

首先以焊接接頭中心為零點，對母材至焊縫中的全區(qū)域每間隔1 mm進行系統(tǒng)的顯微硬度和沖擊韌性測試，測試結(jié)果如表4所示。然后在熔合區(qū)兩側(cè)(距離焊接中心3 mm處)每隔0.2 mm的不同組織進行系統(tǒng)的沖擊韌性測試，測試數(shù)據(jù)如表5所示。從表4和表5明顯可見，母材在從貝氏體鋼向奧氏體鋼轉(zhuǎn)化的過程中，沖擊韌性逐步緩慢增大，至熔合區(qū)(距中心點11～12 mm)達到最高峰值。然而在實際的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，焊材開裂區(qū)域多為熱影響區(qū)和熔合區(qū)，這是因為在實際焊接過程中，由于熱輸入量的影響，導(dǎo)致在熱影響區(qū)產(chǎn)生粗大晶粒而脆化，熔合區(qū)高溫極冷而淬硬脆化產(chǎn)生缺陷和冷裂紋，從而導(dǎo)致在熱影響區(qū)和熔合區(qū)容易出現(xiàn)開裂點。

表4　焊接接頭中心兩側(cè)不同組織性能測試結(jié)果

表5　熔合區(qū)兩側(cè)不同組織性能測試結(jié)果

2.3組織結(jié)構(gòu)與沖擊韌性的關(guān)聯(lián)

為進一步了解沖擊韌性與組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，分別采用多元一次線性模型和多元二次線性模型進行數(shù)據(jù)擬合。

多元一次線性回歸模型表示為

(1)

多元二次線性回歸模型表示為

(2)

式中，x1、x2、x3、x4分別為鐵素體、奧氏體、貝氏體和馬氏體的質(zhì)量分數(shù)；Y1、Y2為沖擊韌性平均值；A、B分別為多元一次線性回歸和多元二次線性回歸的回歸系數(shù)矩陣，其元素分別用ai、bij(i,j=1,2,3,4,5)表示，其中a5、b55為常數(shù)。

采用最小二乘法在誤差平方和最小的前提下對回歸系數(shù)矩陣A和B進行求解，得到：

B=

圖3　沖擊韌性線性擬合曲線

然后繪制擬合曲線，如圖3所示。圖3中星點表示使用多元一次線性回歸模型在回歸系數(shù)矩陣為A下得到的擬合值，空心點表示使用多元二次線性回歸模型在回歸系數(shù)矩陣為B下得到的擬合值。圖3中明顯看出多元一次線性回歸模型和多元二次線性回歸模型的擬合結(jié)果相似，在沖擊平均值較大的情況下，擬合模型的計算值與真實值相等，但在沖擊平均值較小時，擬合結(jié)果相對較差。

3結(jié)語

Weldox700E系列高強鋼是一種焊接性能良好的鋼種，采用Ar和CO2混合氣體保護焊接方法，在常規(guī)的焊接工藝下均可獲得良好的焊接接頭。通過對焊接接頭不同區(qū)域的顯微結(jié)構(gòu)和沖擊韌性進行測試分析，證實兩者之間存在一定的線性關(guān)系。

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(編輯王艷麗)

收稿日期：2015-07-24

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51302236)；福建省自然科學(xué)基金資助項目(2014J01205)

中圖分類號：TG457

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.13.021

作者簡介：張颯，女，1973年生。廈門大學(xué)材料學(xué)院高級工程師。主要研究方向為材料疲勞損傷機理。發(fā)表論文20余篇。王攀，男，1983年生。廈工機械股份有限公司工程師。莊園，男，1986年生。廈工機械股份有限公司助理工程師。

Research on Weldability of Weldox700E High Strength Steel

Zhang Sa1Wang Pan2Zhuang Yuan2

1.Fujian Provincial Key Laboratory of Advanced Materials,Xiamen University,Xiamen,Fujian,361005 2.XGMA Machinery Co.,Ltd.,Xiamen,Fujian,361023

Abstract:The welding performance of the Sweden Vivitar Weldox700E high strength steel was analyzed. The microstructure and physical properties of the materials were systematically tested, and the microstructure of the heat affected zone and the problem of decline in toughness were analyzed. The results show that Weldox700E steel has good weldability, and there is a linear correlation between the organizational structure and the impact toughness, which provides a theoretical guidance for enterprises to determine the relation among organizational structure and physical properties in the welding process evaluation.

Key words:high strength steel； weldability； organizational structure； impact toughness