590 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼雙面雙弧立焊焊縫組織性能

劉 政，魏金山，崔 冰，安同邦，何長(zhǎng)紅

（鋼鐵研究總院焊接研究所，北京100081）

590 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼雙面雙弧立焊焊縫組織性能

劉 政，魏金山，崔 冰，安同邦，何長(zhǎng)紅

（鋼鐵研究總院焊接研究所，北京100081）

為研究590 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼雙面雙弧工藝得到的焊接接頭組織與性能的關(guān)系，采用鎢極氬弧焊（TIG）與熔化極氣體保護(hù)焊（MAG）方法獲得成型良好的焊接接頭，經(jīng)過(guò)拉伸、沖擊、彎曲試驗(yàn)及光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、EBSD分析，對(duì)590 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼雙面雙弧立焊打底焊與蓋面焊焊接接頭的組織及性能進(jìn)行了研究.結(jié)果表明：打底焊縫組織主要為貝氏體，蓋面焊縫組織以貝氏體與針狀鐵素體為主；打底焊縫經(jīng)歷過(guò)一次熱循環(huán)后組織得到一定程度的細(xì)化；打底焊縫硬度值與蓋面焊縫相近，蓋面焊縫熱影響區(qū)最高硬度值高于打底焊縫熱影響區(qū)最高硬度；2 mm坡口間隙性能較5 mm坡口間隙有較大提高，2 mm坡口間隙斷口以韌窩斷裂為主，5 mm坡口間隙斷口以解理斷裂為主.

高強(qiáng)鋼；雙面雙??；立焊；焊接接頭；組織性能

雙面雙弧焊接是一種高效的焊接方法，具有效率高、設(shè)備要求簡(jiǎn)單、可以顯著提高焊接熔深及深寬比的特點(diǎn)，能夠減少焊接缺陷與變形［1］.雙面雙弧焊接分為單電源型與雙電源型2種，焊接時(shí)的工藝方式可以分為對(duì)稱(chēng)焊接與非對(duì)稱(chēng)焊接［2-7］.目前雙電源型具有較大的優(yōu)越性，為雙面雙弧焊接的主要研究發(fā)展方向.

590 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼廣泛應(yīng)用于各種船體的薄壁結(jié)構(gòu)中，曾有研究人員對(duì)14 mm厚、590 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，采用正面堆焊，背面清根并再焊一道的方式進(jìn)行焊接，性能滿足技術(shù)指標(biāo)要求，但清根工序較為復(fù)雜［8-10］.

本文針對(duì)590 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼在實(shí)際中的焊接需求，采用手工雙面雙弧非對(duì)稱(chēng)立焊進(jìn)行施焊.針對(duì)8 mm薄板在室溫下進(jìn)行焊接工藝研究，對(duì)焊接接頭的顯微組織形態(tài)進(jìn)行研究，測(cè)試了焊接接頭的硬度與拉伸、彎曲性能，并分析了斷口形態(tài).

1 試 驗(yàn)

試驗(yàn)材料為8 mm厚、590 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼，試件規(guī)格為500 mm×150 mm×8 mm，坡口形式為X型坡口，坡口角度為90°，如圖1所示，坡口間隙分別為2和5 mm.試板化學(xué)成分見(jiàn)表1.填充焊絲直徑為3.2 mm.牌號(hào)為JS590，其化學(xué)成分見(jiàn)表2.

表1 試驗(yàn)鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 Chemicalcomponent of trial steel（mass fraction/%）

表2 焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 2 Chemicalcomponent of welding wire（mass fraction/%）

圖1 坡口示意圖Fig.1 Diagram of groove

焊接試驗(yàn)采用松下YC-300BP焊機(jī)，試驗(yàn)原理如圖2所示.打底焊時(shí)，2把焊槍分別在工件的兩側(cè)，正面與背面同時(shí)進(jìn)行焊接，焊槍之間保持50 mm左右的弧間距.這樣可以保證正面與背面熔池均在氣體保護(hù)之下，不會(huì)產(chǎn)生氧化夾雜等缺陷.蓋面焊接為正反面各焊一道.打底焊接與蓋面焊接工藝參數(shù)如表3、表4所示.雙面雙弧焊接試驗(yàn)后，切取焊接接頭橫向剖面試樣.由于試板為8 mm厚的薄板，所以制作5 mm×10 mm×55 mm的沖擊試樣.焊接接頭橫截面經(jīng)磨拋后用體積分?jǐn)?shù)為3%的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕.采用LeicaMEF4-M型金相光學(xué)顯微鏡及S43000掃描電子顯微鏡進(jìn)行金相顯微組織及沖擊斷口形貌分析.利用日本AKASHI的MVK-E型維氏硬度儀進(jìn)行硬度測(cè)試.

圖2 焊接示意圖Fig.2 Diagram of welding

表3 TIG焊接工藝參數(shù)Table 3 Parameters of TIG welding

表4 MAG焊接工藝參數(shù)Table 4 Parameters of MAG welding

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀及顯微組織

圖3為590 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼雙面雙弧焊接接頭的宏觀形貌.通過(guò)最終的焊接工藝焊接完成后可以觀察到，根部打底焊縫與蓋面焊縫熔合良好，立焊接頭無(wú)裂紋、未融合和氣孔等宏觀缺陷，焊縫成形良好.由不同坡口間隙的宏觀照片可以看出，2 mm與5 mm坡口間隙打底焊道的寬度有明顯差別，5 mm坡口間隙寬度較大，宏觀蓋面焊縫柱狀晶組織明顯.2 mm坡口間隙打底焊縫組織較細(xì)，由于5 mm坡口間隙焊接過(guò)程中速度較慢，熱量積累，致使冷速降低打底焊縫組織柱狀晶較大.

圖4和圖5為打底與蓋面焊縫及熱影響區(qū)顯微組織照片.

圖3 焊接接頭宏觀形貌Fig.3 Macroscopic pattern of welded joint

圖4 MAG蓋面焊縫金相照片及掃描照片F(xiàn)ig.4 Metallograph and SEM photo of MAG cap weld

圖5 TIG打底焊縫金相照片及掃描照片F(xiàn)ig.5 Metallograph and SEM photo of TIG priming weld seam

可以看到，不同坡口間隙蓋面焊縫組織為典型的柱狀晶組織，主要由貝氏體與針狀鐵素體組成.粗晶區(qū)組織主要為粗大的板條貝氏體與粒狀貝氏體，TIG打底焊縫組織主要為貝氏體與針狀鐵素體的混合組織.立焊5 mm坡口間隙由于在焊接過(guò)程中坡口間隙增大，需要填充金屬增多，在實(shí)際焊接時(shí)焊接速度較慢致使實(shí)際熱輸入數(shù)值增加，因此，焊縫冷卻過(guò)程中冷速較慢，中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物增多，板條長(zhǎng)大.

從圖5可以觀察到，5 mm坡口間隙焊縫組織M-A組元明顯增多，在鐵素體基體上均勻分布.同時(shí)，在蓋面焊接時(shí)，雙面雙弧的再熱作用對(duì)打底焊縫的組織具有較大影響，由于后熱作用，板條組織回復(fù)作用增強(qiáng)，由位錯(cuò)堆積等構(gòu)成的亞晶界通過(guò)遷移或?qū)ο鴾p少，板條形態(tài)組織變大［11-12］.

2.2 維氏硬度與拉伸彎曲性能

在板面下1 mm與板厚中心處分別進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，分別對(duì)應(yīng)為蓋面焊縫與打底焊縫及熱影響區(qū)的硬度，測(cè)試結(jié)果如圖6所示.從圖6可以得出，2 mm坡口間隙蓋面焊接熱影響區(qū)最高硬度為360 HV，TIG打底焊接最高硬度為330 HV.蓋面與打底焊縫硬度值十分相近，為260 HV.5 mm坡口間隙蓋面焊接熱影響區(qū)最高硬度為330 HV.TIG打底焊接熱影響區(qū)最高硬度為285 HV.打底與蓋面焊縫硬度與母材硬度較為接近，為250 HV.熱影響區(qū)出現(xiàn)局部硬化現(xiàn)象，主要由于焊接過(guò)程中，受熱循環(huán)的作用晶粒粗化，在快速冷卻過(guò)程中形成針狀鐵素體與貝氏體導(dǎo)致.

拉伸試驗(yàn)及彎曲試驗(yàn)沿焊接接頭試樣厚度方向取樣，拉伸與彎曲試樣厚度為8 mm.從表5與圖7可以看到，接頭抗拉強(qiáng)度為726～739 MPa.2 mm坡口間隙拉伸斷在母材，5mm坡口間隙拉伸斷在焊縫.2種坡口間隙焊接接頭抗拉強(qiáng)度較高，與母材抗拉強(qiáng)度值相匹配.說(shuō)明焊絲的合金化作用對(duì)焊縫的組織及性能具有明顯改善，斷在焊縫的抗拉強(qiáng)度與母材強(qiáng)度相當(dāng)，皆滿足指標(biāo)要求.由圖7可以看到，接頭彎曲試樣在彎至180°時(shí)試樣表面均完好，無(wú)裂紋產(chǎn)生，表明焊接接頭性能良好.焊接接頭彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明，2與5 mm坡口間隙接頭試樣正彎與反彎均彎至180°試樣表面完好，試樣受拉面變形均勻，與母材表面熔合良好，無(wú)缺陷產(chǎn)生.

圖6 硬度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 The result of hardness

表5 拉伸與彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table.5 Experimental data of stretch and curve

2.3 沖擊性能及斷口觀察

以板厚中心處為基準(zhǔn)取沖擊試樣.由于板厚為8 mm，所以取5 mm×10 mm×55 mm的小尺寸試樣，缺口位于焊縫中心、熔合線、熔合線外1 mm.由表6沖擊試驗(yàn)結(jié)果可以得到：-50℃沖擊吸收功2 mm坡口間隙均大于70 J，為標(biāo)準(zhǔn)值的2倍左右.儲(chǔ)備韌性較高；而5 mm坡口間隙焊縫沖擊吸收功大于36 J，熔合線及熔合線外1 mm均大于51 J.焊縫沖擊功值明顯偏低，原因可能由于5 mm坡口間隙焊縫寬度較大，焊接時(shí)熱輸入值大，焊縫熔合時(shí)部分組織粗大，導(dǎo)致性能降低.

圖7 拉伸與彎曲試樣圖Fig.7 Diagram of stretch and curve

表6 焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Impulse test data of welded joint

圖8為沖擊斷口的放射區(qū)形貌特征，可以看出：2 mm坡口間隙焊縫斷口形貌為細(xì)小的韌窩并存在撕裂棱，為細(xì)小的韌窩聚集斷裂，韌窩內(nèi)存在第二相粒子為起裂源，為典型的韌斷形貌，所以其沖擊吸收功較高；而5 mm坡口間隙斷口存斷口出現(xiàn)部分解理形貌，撕裂棱較為密集，存在稀少的大而淺的韌窩.宏觀斷口形貌平整，基本不存在塑性變形，沖擊斷口呈現(xiàn)出“冰糖狀”，出現(xiàn)明顯扇形解理花樣，從圖8（a）～8（d）可見(jiàn)，隨著坡口間隙的增大呈現(xiàn)出韌性斷裂再到解理斷裂的轉(zhuǎn)變.從沖擊斷口形貌反映出沖擊吸收能量隨坡口的變化趨勢(shì)，5 mm坡口間隙性能較2 mm有明顯的降低.

圖8 打底焊縫斷口形貌Fig.8 Priming weld seam morphology

2.4 焊縫組織特征EBSD分析

圖9為焊縫金屬EBSD分析結(jié)果，圖中黑色粗實(shí)線表示晶粒取向差大于15°的大角度晶界，灰黑色細(xì)線為小于15°的小角度晶界.利用EBSD自帶的分析軟件分別對(duì)間隙為2和5 mm TIG打底和MIG蓋面的焊縫金屬中心部位大小角度晶界分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表7.

圖9 焊縫金屬晶界取向差圖Fig.9 Orientation maps of grain boundary of welding metal

表7 圖9中晶界角的比例　%Table 7 Proportion of boundary angle in Fig.9　%

由圖9和表7可知：間隙2 mm情況下，TIG打底焊焊縫金屬中心部位的小角度晶界和大角度晶界的比例分別為49.4%和50.6%，MIG蓋面焊時(shí)為29.1%和70.9%；間隙5 mm情況下，TIG打底焊焊縫金屬中心部位的小角度晶界和大角度晶界的比例分別為64.4%和35.6%，MIG蓋面焊時(shí)為34.1%和65.9%.

在晶界取向中，大角度晶界（取向差≥15°）能夠有效地改變裂紋的擴(kuò)展方向，使裂紋路徑復(fù)雜曲折，使裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中吸收更多的能量，進(jìn)而能有效地抑制裂紋的擴(kuò)展，提高沖擊韌性.從表7可以發(fā)現(xiàn)，2和5 mm間隙情況下，TIG打底焊縫金屬中心部位大角度晶界的比例分別為50.6%和35.6%，而MIG蓋面焊縫金屬中心部位大角度晶界的比例分別為70.9%和65.9%.沖擊試樣幾乎取在全部TIG打底焊的焊縫位置處，故2 mm間隙時(shí)TIG打底焊縫的大角度晶界比例明顯高于5 mm間隙情況下的，這可能與5 mm間隙時(shí)TIG打底焊焊縫金屬中存在較多的粒狀貝氏體組織有關(guān).繆成亮認(rèn)為，粒狀貝氏體組織中的貝氏體鐵素體大多數(shù)情況下成同一取向，表現(xiàn)為小角度晶界［13］.由于間隙為5 mm時(shí)，間隙較大使得焊絲填充量大，從而焊縫金屬高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，冷速慢，導(dǎo)致較多粒狀貝氏體組織生成；而間隙為2 mm時(shí)，間隙較小，焊絲填充量小，高溫停留時(shí)間短，冷速快.Tomio認(rèn)為，在無(wú)變形的情況下增加冷速，相變驅(qū)動(dòng)力的提高可以增加變體的選擇，提高大角度晶界密度，從而獲得較好的沖擊韌性［14-15］.從大角度晶界分布圖可以看到，隨著坡口間隙的增大，板條組織長(zhǎng)大合并，單位面積的大角度境界比例明顯降低.這是因?yàn)?，隨著坡口間隙的增大，焊接速度減緩，熱輸入升高，板條組織粗化和塊狀形態(tài)組織增多，有效晶粒尺寸增大，阻止裂紋擴(kuò)展時(shí)需要的大角晶界減少，使得焊縫韌性較差.

3 結(jié) 論

1）采用雙面雙弧TIG打底、MAG蓋面的方式可以實(shí)現(xiàn)8 mm厚度薄板的雙面雙弧焊接.2 mm與5 mm坡口間隙焊縫成形性能良好，焊接質(zhì)量可靠，符合性能指標(biāo)要求.

2）坡口間隙不同根部TIG打底焊縫寬度明顯不同，5 mm坡口間隙組織出現(xiàn)較2 mm坡口間隙貝氏體組織明顯增加.

3）590 MPa級(jí)鋼TIG打底薄板雙面雙弧焊接2 mm坡口間隙立焊相較5 mm坡口間隙沖擊性能有較大提高，但拉伸性能較為接近.

4）5 mm坡口間隙組織大角度晶界角比例較低，對(duì)裂紋擴(kuò)展阻礙較小，韌性較低，5 mm坡口間隙焊接接頭焊縫為薄弱環(huán)節(jié)，實(shí)際焊接過(guò)程中應(yīng)采用2 mm坡口間隙焊接較為合適.

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（編輯 程利冬）

Weld structure and mechanical properties of 590 MPa high strength steel thin slab in vertical position double-sided arc welding

LIU Zheng，WEI Jinshan，CUI Bing，AN Tongbang，HE Changhong
（Department of Welding，Central Iron and Steel Research Institute，Beijing 100081，China）

To establish the relationship between microstructures and mechanical properties of 590 MPa high strength steel through double-sided arc welding，the welded joints were obtained by TIG and MAG.The properties，including tensile，strength，toughness，and flexural strength，were measured.The microstructures were observed by optical microscopy，scanning electron microscopy and electron backscattered diffraction.In this paper，the microstructure and properties of welded joint of the 590 MPa high strength steel double-sided arc vertical welding of back welding and cosmetic welding are studied.The results show that the backing weld bead mainly consists of bainite while the cosmetic welding bead mainly consists of acicular ferrite and bainite.Meanwhile，microstructure of the cosmetic welding bead become finer after one thermal cycle.The hardness of backing weld bead is close to that of the cosmetic welding bead.The highest hardness value of heat affected zone in the cosmetic weld bead is higher than that of the backing weld bead.The performance of the 2 mm groove gap is better than that of 5 mm one.Dimple fracture dominates the 2 mm groove gap whereas cleavage fracture dominates the 5 mm groove gap upon loading..

high-strength steel；double-sided arc；vertical position welding；welded joint；structure property

TG442

A

1005-0299（2016）05-0034-07

10.11951/j.issn.1005-0299.20160506

2015-11-16.

國(guó)家國(guó)際科技合作專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目（2015DFA51460）.

劉 政（1991—），男，碩士研究生；魏金山（1962—），男，教授.

劉 政，E-mail：liu15154428016@163.com.