縱向磁場(chǎng)對(duì)WQ960鋼焊接接頭組織和性能的影響*

劉政軍， 蘆延鵬， 蘇允海， 馬大海， 陳思含

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870)

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縱向磁場(chǎng)對(duì)WQ960鋼焊接接頭組織和性能的影響*

劉政軍， 蘆延鵬， 蘇允海， 馬大海， 陳思含

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870)

為了研究縱向磁場(chǎng)對(duì)焊接接頭的顯微組織、沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度的影響，利用縱向磁場(chǎng)輔助MAG焊焊接WQ960高強(qiáng)鋼.縱向磁場(chǎng)的施加提高了焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、沖擊吸收功和沖擊韌性，改善了焊接接頭的顯微組織，且焊接接頭的顯微組織主要由細(xì)小的針狀鐵素體構(gòu)成.結(jié)果表明，當(dāng)勵(lì)磁電流達(dá)到2.5 A且磁場(chǎng)頻率為20 Hz時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和低溫沖擊功均可達(dá)到最大值，分別為839 MPa和72 J，且分別提高了17.01%和24.14%；先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體數(shù)量相應(yīng)減少，因而形成了更多的針狀鐵素體.

低合金高強(qiáng)鋼； 縱向磁場(chǎng)； 力學(xué)性能； 先共析鐵素體； 針狀鐵素體； 側(cè)板條鐵素體； 沖擊韌性； 抗拉強(qiáng)度

作為一種高強(qiáng)度、高韌性的鋼材，低合金高強(qiáng)鋼廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、橋梁和汽車(chē)船舶等領(lǐng)域.相比其他鋼材，低合金高強(qiáng)鋼在節(jié)能減排、降低能耗和可持續(xù)發(fā)展等方面優(yōu)勢(shì)明顯，因而受到越來(lái)越多的關(guān)注[1].然而，在焊接狀態(tài)下，低合金高強(qiáng)鋼因受到熱循環(huán)作用，其組織和性能會(huì)發(fā)生變化，因而限制了其使用范圍.因此，解決低合金高強(qiáng)鋼在焊接過(guò)程中的相關(guān)問(wèn)題，提高焊接接頭的質(zhì)量，對(duì)于進(jìn)一步擴(kuò)大低合金高強(qiáng)鋼的使用范圍而言顯得十分重要.

相比傳統(tǒng)焊接方法，磁控焊接法能更好地控制焊接接頭的質(zhì)量，因而享有“無(wú)損焊接”的美譽(yù).利用外加磁場(chǎng)對(duì)焊接中的熔滴過(guò)渡、熔池金屬流動(dòng)、熔池結(jié)晶形核及結(jié)晶生長(zhǎng)等過(guò)程進(jìn)行有效地干預(yù)，能夠使焊縫金屬的一次結(jié)晶組織得到細(xì)化，減小化學(xué)不均勻性，提高焊縫金屬的塑性和韌性，降低結(jié)晶裂紋和氣孔的敏感性，從而提高焊縫金屬的性能，全面改善焊接接頭的質(zhì)量[2].外加縱向磁場(chǎng)焊接技術(shù)因具有附加裝置簡(jiǎn)單、投入成本低、效益高、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在冶金、化工、壓力容器、電力、航空和航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3-4].本文通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)與分析，研究了在縱向磁場(chǎng)作用下，低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭性能及組織的變化與機(jī)理.

1　材料與方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑閃Q960，其抗拉強(qiáng)度為980 MPa，且規(guī)格為200 mm×60 mm×6 mm.選用JM-100為填充焊絲，其抗拉強(qiáng)度為715 MPa，直徑為1.2 mm.母材和焊絲的化學(xué)成分分別如表1、2所示.

表1　母材的化學(xué)成分(w)Tab.1　Chemical composition of base metal(w)　%

表2　焊絲的化學(xué)成分(w)Tab.2　Chemical composition of welding wire(w)　%

焊接接頭采用V形坡口平板形式對(duì)接，板材試樣尺寸如圖1所示(單位：mm).其中，坡口角度為60°；鈍邊寬度為2 mm；板間距為3 mm.坡口采用機(jī)械加工方法制備，焊前需要對(duì)坡口進(jìn)行除銹打磨.為了減小熱輸入對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，試板焊前不需要進(jìn)行預(yù)熱處理，采用單層單道焊的焊接方法.保護(hù)氣體選用Ar與CO2的混合氣體(Ar與CO2的體積分?jǐn)?shù)比為4∶1)，氣體流量為16～17 L/min，焊接電壓為24 V，焊接電流為220 A，焊接速度為4 mm/s.焊接時(shí)施加的磁場(chǎng)電流分別為1、1.5、2、2.5和3 A，施加的磁場(chǎng)頻率分別為5、10、15、20和25 Hz.

試驗(yàn)中采用外加縱向磁場(chǎng)輔助MAG焊的焊接方法，試驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示.焊接磁控系統(tǒng)主要由磁場(chǎng)電源和勵(lì)磁線(xiàn)圈組成，且勵(lì)磁線(xiàn)圈套于焊槍上.在焊接過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)電源的電流和頻率，改變作用于焊接熔池的磁場(chǎng)參數(shù).

圖1　板材試樣的尺寸Fig.1　Size of plate specimen

圖2　試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2　Schematic test device

完成焊接后，將焊件制備成相應(yīng)的試件，并進(jìn)行拉伸和沖擊力學(xué)試驗(yàn).根據(jù)GB/T 2649-1989的規(guī)定，應(yīng)在垂直于焊縫方向獲取拉伸試件，且拉伸試件尺寸如圖3所示(單位：mm).利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，設(shè)定拉伸速率為5 mm/min，拉伸試驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行至試樣斷裂為止.結(jié)合計(jì)算機(jī)分析，可以得到焊接接頭的拉伸性能參數(shù).在相同條件下，對(duì)每組試驗(yàn)分別進(jìn)行3次，取其平均值作為該組試驗(yàn)的測(cè)定值.根據(jù)金屬材料力學(xué)性能取樣標(biāo)準(zhǔn)，在垂直于焊接方向上截取沖擊試件，去除焊縫余高后，制得尺寸為5 mm×10 mm×55 mm的非標(biāo)準(zhǔn)沖擊試件.沖擊試件的缺口深度為2 mm，V型角度為45°，試驗(yàn)溫度為-20 ℃.采用OLNMPUS BX-6型光學(xué)顯微鏡對(duì)焊接接頭進(jìn)行顯微組織觀察與分析.

圖3　拉伸試樣的尺寸Fig.3　Size of tensile specimen

2　結(jié)果與分析

2.1焊接接頭的組織與力學(xué)性能

圖4為焊接接頭的顯微組織.其中，Im為勵(lì)磁電流；f為磁場(chǎng)頻率.由圖4a可見(jiàn)，當(dāng)未施加外磁場(chǎng)時(shí)，焊接接頭的顯微組織主要由針狀鐵素體(AF)、先共析鐵素體(PF)和側(cè)板條鐵素體(FSP)構(gòu)成.先共析鐵素體沿奧氏體晶界(AGB)析出，并完全將其覆蓋；側(cè)板條鐵素體由奧氏體晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng)；奧氏體晶內(nèi)主要由相互交織分布的針狀鐵素體構(gòu)成.由圖4b可知，當(dāng)勵(lì)磁電流為2 A、磁場(chǎng)頻率為20 Hz時(shí)，焊接接頭顯微組織中的針狀鐵素體數(shù)量明顯增加；奧氏體晶界上僅存在少量斷續(xù)分布的先共析鐵素體；側(cè)板條鐵素體數(shù)量也明顯減少，且與無(wú)磁場(chǎng)作用下焊縫的顯微組織相比，側(cè)板條鐵素體的晶粒尺寸大幅度減小.由圖4c可知，當(dāng)勵(lì)磁電流為2.5 A、磁場(chǎng)頻率為25 Hz時(shí)，焊接接頭顯微組織中的先共析鐵素體基本消失，與圖4b中焊縫的顯微組織相比，其奧氏體晶界處側(cè)板條鐵素體的尺寸和數(shù)量均有所增加.

圖4　焊接接頭的顯微組織Fig.4　Microstructures of welded joint

試驗(yàn)測(cè)得當(dāng)未施加縱向磁場(chǎng)時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和低溫(-20 ℃)沖擊功分別為717 MPa和58 J.焊接接頭的抗拉強(qiáng)度與低溫沖擊功隨磁場(chǎng)頻率的變化曲線(xiàn)分別如圖5、6所示.由圖5、6可知，當(dāng)勵(lì)磁電流小于2.5 A且磁場(chǎng)頻率小于20 Hz時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和低溫沖擊功均隨著勵(lì)磁電流和磁場(chǎng)頻率的增加而有所增加.當(dāng)勵(lì)磁電流達(dá)到2.5 A，磁場(chǎng)頻率達(dá)到20 Hz時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和低溫沖擊功均達(dá)到最大值，且分別為839 MPa和72 J，相比未施加縱向磁場(chǎng)時(shí)的數(shù)值分別提高了17.01%和24.14%.由圖5、6還可以觀察到，若繼續(xù)增加勵(lì)磁電流和磁場(chǎng)頻率，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和低溫沖擊功反而有所降低.

圖5　焊接接頭的抗拉強(qiáng)度隨磁場(chǎng)頻率的變化Fig.5　Change of ultimate tensile strength with magnetic field frequency for welded joint

圖6　焊接接頭的低溫沖擊功隨磁場(chǎng)頻率的變化Fig.6　Change of low temperature impact energy with magnetic field frequency for welded joint

結(jié)合焊接接頭的顯微組織分析可知，低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭抗拉強(qiáng)度的提高主要?dú)w因于磁場(chǎng)作用引發(fā)的晶粒細(xì)化現(xiàn)象.隨著勵(lì)磁電流的增加，當(dāng)電磁阻尼作用占據(jù)磁場(chǎng)作用的主導(dǎo)地位時(shí)，熔池的對(duì)流現(xiàn)象會(huì)受到抑制，同時(shí)熱量傳導(dǎo)也會(huì)受到抑制，使得熔池金屬的過(guò)冷度減小，針狀鐵素體的形核率下降，從而導(dǎo)致晶粒變得粗大.當(dāng)外加磁場(chǎng)頻率增大到一定程度時(shí)，由于磁場(chǎng)方向變化過(guò)快，熔池內(nèi)液態(tài)金屬的交替運(yùn)動(dòng)也隨之變快，導(dǎo)致液態(tài)金屬在未發(fā)生大范圍移動(dòng)時(shí)就會(huì)受到磁場(chǎng)方向改變所產(chǎn)生的反向電磁力的作用，使得液態(tài)金屬的移動(dòng)受到限制，并從某種程度上削弱了電磁攪拌作用.因此，焊接接頭組織又出現(xiàn)了粗化現(xiàn)象，且其抗拉強(qiáng)度也有所降低.雖然在磁場(chǎng)作用下，焊接接頭中夾雜物的數(shù)量、尺寸和分布也會(huì)發(fā)生變化，但抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度主要受其顯微組織的影響，而夾雜物的尺寸、分布和形態(tài)主要影響焊接接頭的塑性[5].

磁場(chǎng)對(duì)焊接接頭低溫沖擊功的影響較為復(fù)雜，需要結(jié)合斷口進(jìn)行進(jìn)一步分析.沖擊斷口通常由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇組成.其中，斷口的放射區(qū)屬于脆斷區(qū)，且該區(qū)所消耗的能量相比發(fā)生塑性斷裂的纖維區(qū)要少很多，這是因?yàn)榱鸭y擴(kuò)展功主要消耗在經(jīng)過(guò)塑性變形形成的韌窩上[6].因此，本文主要針對(duì)焊接接頭的纖維區(qū)進(jìn)行分析.

圖7為低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭的低溫沖擊斷口的微觀組織.由圖7可見(jiàn)，焊接接頭斷口形貌為典型的等軸韌窩，且韌窩底部為夾雜物或微孔，表明韌窩的產(chǎn)生機(jī)理為微孔聚集型斷裂.當(dāng)未施加縱向磁場(chǎng)時(shí)，焊接接頭斷口的韌窩較淺且尺寸較小(見(jiàn)圖7a).當(dāng)勵(lì)磁電流為2 A、磁場(chǎng)頻率為20 Hz時(shí)，焊接接頭斷口中大韌窩數(shù)量明顯增多，且韌窩深度也有所增加(見(jiàn)圖7b).

圖7　低溫沖擊斷口的SEM圖像Fig.7　SEM images of low temperature impact fracture surfaces

結(jié)合焊接接頭的顯微組織分析可知，在磁場(chǎng)作用下，低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭的針狀鐵素體明顯增加，而先共析鐵素體的生長(zhǎng)則受到了抑制.因?yàn)榱鸭y在晶界先共析鐵素體中的擴(kuò)展速度較快，其消耗的能量相對(duì)較少，因而所形成的韌窩相對(duì)小而淺.由于晶內(nèi)針狀鐵素體屬于大角度晶界，彼此之間可以形成相互交織的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展的路線(xiàn)增加，焊接接頭對(duì)裂紋擴(kuò)展的抵抗能力增強(qiáng)，使得裂紋擴(kuò)展所產(chǎn)生的塑性變形與所消耗的能量均較大，因而形成的韌窩相對(duì)大而深[7].此外，晶粒細(xì)化導(dǎo)致晶體中晶界的數(shù)量大量增加，晶界的存在也進(jìn)一步阻礙了裂紋的擴(kuò)展，使得焊縫金屬的沖擊功增大，且沖擊韌性得到了提高.

2.2縱向磁場(chǎng)對(duì)焊接接頭的影響

縱向磁場(chǎng)主要從冷卻速度和夾雜物兩個(gè)方面影響焊接接頭的組織和性能[8].根據(jù)Villafuerte[9]提出的理論可知，先共析鐵素體在奧氏體晶界形核后，會(huì)以平面方式進(jìn)行生長(zhǎng)，其生長(zhǎng)速度取決于界面前沿奧氏體中碳的擴(kuò)散速度.焊縫金屬的瞬時(shí)冷卻速度可以表示為

(1)

式中：f(ε)為修正系數(shù)；T為瞬時(shí)溫度；T0為預(yù)熱溫度；v為焊接速度；I為焊接電流；U為焊接電壓；η為熱效率；λ為導(dǎo)熱系數(shù).

在試驗(yàn)過(guò)程中，v和U均恒定不變.由于試驗(yàn)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，也可將f(ε)視為常數(shù).一方面，在縱向磁場(chǎng)作用下，電弧發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致實(shí)際焊接電流減小[10].因此，隨著磁場(chǎng)頻率的增加，實(shí)際焊接電流將減小，從而使冷卻速度增加.另一方面，電磁攪拌作用將加速熔池?zé)崃康纳⑹?，從而可以進(jìn)一步加快冷卻速度.由于碳來(lái)不及向奧氏體晶界外擴(kuò)散，使得先共析鐵素體的生長(zhǎng)受到了抑制.若磁場(chǎng)頻率繼續(xù)增加，將使實(shí)際焊接電流變得更小，且熱量散失得更快，冷卻速度將進(jìn)一步增大，而冷卻速度過(guò)大將促進(jìn)側(cè)板條鐵素體的生長(zhǎng)，導(dǎo)致焊接接頭的晶粒發(fā)生粗化.

針狀鐵素體可在晶內(nèi)夾雜物或在已形成的針狀鐵素體上形核(感生形核)，但是并不是所有夾雜物都能成為針狀鐵素體的形核基底，只有尺寸介于0.2～0.6 μm的夾雜物才有利于針狀體素體的形核，而夾雜物尺寸過(guò)大將降低焊接接頭的韌性.在沖擊試驗(yàn)中，由于韌窩底部的空穴通常在大尺寸夾雜物附近形成，從而降低了焊接接頭的沖擊韌性.在磁場(chǎng)的電磁攪拌作用下，熔池金屬發(fā)生攪動(dòng)，增加了熔池金屬與保護(hù)氣體中的氧化性氣體CO2的接觸機(jī)會(huì)，從而促進(jìn)了氧化物的形成，增加了夾雜物的數(shù)量.熔池金屬在洛倫茲力作用下，可以加劇熔池金屬的對(duì)流.根據(jù)Ostwald理論可知，較大的夾雜物將通過(guò)碰撞吞噬較小的夾雜物，從而形成更大的夾雜物.由于夾雜物的密度遠(yuǎn)低于液態(tài)金屬的密度，夾雜物傾向于向液態(tài)金屬表面上浮而形成熔渣，并最終被去除.假設(shè)熔池金屬為理想溶液，根據(jù)Stockes定律可知，夾雜物上升速度可以表示為

(2)

式中：ρm為液態(tài)金屬的密度；ρz為夾雜物的密度；r為夾雜物的半徑；ηm為熔池金屬的粘度；g為重力加速度.根據(jù)式(2)可知，尺寸較大的夾雜物更容易上浮到焊接接頭表面，而尺寸較小的夾雜物將留在焊接接頭中，并作為針狀鐵素體的形核基底.此外，由于在洛倫茲力作用下，熔池金屬將產(chǎn)生劇烈攪拌，機(jī)械攪拌將有助于破損先期形成的大晶粒，而破碎的晶粒又可以作為焊縫金屬的形核基底，從而增加形核率，進(jìn)一步細(xì)化焊接接頭的顯微組織，并提高焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性.

3　結(jié)　論

通過(guò)以上試驗(yàn)分析，可以得到如下結(jié)論：

1) 隨著勵(lì)磁電流與磁場(chǎng)頻率的增加，焊接接頭的晶粒尺寸先減小后增大，相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度與沖擊韌性則呈現(xiàn)出先增大后減少的趨勢(shì)；

2) 當(dāng)勵(lì)磁電流為2.5 A、磁場(chǎng)頻率為20 Hz時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和低溫沖擊功均達(dá)到最大值，且分別為839 MPa和72 J，相比未施加磁場(chǎng)時(shí)分別提高了17.01%和24.14%；

3) 在焊接過(guò)程中，縱向磁場(chǎng)的施加可以改善焊接接頭的顯微組織，使得先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體相應(yīng)減少，而形成更多的針狀鐵素體；

4) 施加縱向磁場(chǎng)后，焊縫金屬低溫?cái)嗫诶w維區(qū)的韌窩變得相對(duì)大而深.

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(責(zé)任編輯：尹淑英英文審校：尹淑英)

Effect of longitudinal magnetic field on microstructure and properties of WQ960 steel welded joint

LIU Zheng-jun, LU Yan-peng, SU Yun-hai, MA Da-hai, CHEN Si-han

(School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to study the effect of longitudinal magnetic field on the microstructure, impact toughness and ultimate tensile strength of welded joint, the longitudinal magnetic field was used to assist the MAG welding of WQ960 high strength steel. Through imposing the longitudinal magnetic field, the ultimate tensile strength, impact absorbing energy and impact toughness of welded joint are enhanced, the microstructure of welded joint gets improved, and the microstructure is mainly composed of fine acicular ferrite. The results show that when the exciting current reaches 2.5 A and the field frequency is 20 Hz, both ultimate tensile strength and low temperature impact energy of welded joint can reach the maximum value. And the corresponding values are 839 MPa and 72 J, which increase by 17.01% and 24.14%, respectively. The quantity of proeutectoid ferrite and side plate ferrite relatively reduces, while more acicular ferrite forms.

high strength low alloy steel; longitudinal magnetic field; mechanical property; proeutectoid ferrite; acicular ferrite; side plate ferrite; impact toughness; ultimate tensile strength

2015-06-29.

遼寧省博士啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(20131017)； 遼寧省教育廳基金資助項(xiàng)目(201124125).

劉政軍(1961-)，男，黑龍江訥河人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事焊接冶金、特種焊接材料與表面強(qiáng)化等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.04.04

TG 406

A

1000-1646(2016)04-0379-05

*本文已于2015-12-07 16∶16在中國(guó)知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20151207.1616.018.html