Q690 鋼焊接接頭微觀組織對冷裂紋的影響研究①

羅 登， 張志云， 鄭生斌

（1.湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司，湖南 湘潭411101； 2.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙410083）

Q690 鋼屬于低合金高強(qiáng)度鋼，因其優(yōu)良的力學(xué)性能而廣泛應(yīng)用于港口、建筑及礦冶工程等領(lǐng)域［1-2］。Q690 鋼通常以焊接方式組成各種結(jié)構(gòu)，因此焊接接頭的性能直接影響Q690 鋼的使用［3］。 斜Y 裂紋敏感性實驗又稱“小鐵研實驗”，常用來研究鋼材的冷裂紋傾向。 焊接冷裂紋與焊接工藝、焊條成分、母材等密切相關(guān)［4-8］。 目前，國內(nèi)外關(guān)于Q690 鋼焊接冷裂紋產(chǎn)生與接頭微觀組織相關(guān)性的文獻(xiàn)報道較少。 本文利用小鐵研實驗，通過分析Q690 鋼焊接接頭的組織性能特征，研究Q690 鋼焊接冷裂紋產(chǎn)生與微觀組織間的聯(lián)系，為該型號鋼的工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗材料為回火后的Q690 板材，主要組織為回火索氏體，試樣厚度25 mm，其化學(xué)成分如表1 所示。

1.2 焊接參數(shù)

表2 為實驗采用的焊接工藝參數(shù)。 其中手工電弧焊（手工焊）選用THJ807RH 焊條；氣體保護(hù)焊（氣保焊）使用80%Ar＋20%CO2熔化極氣體保護(hù)焊，選用CHW80C1 焊條。 環(huán)境溫度25 ℃。

1.3 力學(xué)性能測試與微觀組織觀察

根據(jù)《GB／T4675.1—1984 焊接性實驗 斜Y 型坡口焊接裂紋實驗方法》進(jìn)行斜Y 裂紋敏感性實驗，圖1為實驗樣品形狀尺寸示意圖。

利用310HVS-5 小負(fù)荷維氏硬度儀測量焊接接頭區(qū)域硬度，負(fù)荷為3.0 kgf，保荷時間為15 s，每組測量5 個數(shù)據(jù)并取平均值作為測定值。

使用金相砂紙和金剛石拋光膏磨拋樣品表面，后用4%硝酸酒精溶液腐蝕樣品表面，分別使用Leica DMI3000M 金相顯微鏡和FEI Quanta-200 環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察樣品顯微組織，SEM 加速電壓為20.0 kV，模式為二次電子成像。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 焊接接頭顯微組織與硬度

圖2 為不同焊接方法對應(yīng)接頭的金相組織。 由圖2 可知，金相組織分為焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材3 個區(qū)域，隨著離焊縫中心距離增加，熱影響區(qū)組織呈現(xiàn)階梯變化趨勢，而焊縫柱狀晶向焊縫中心生長。 手工焊和氣保焊熱影響區(qū)寬度分別為2 031 μm 和1 133 μm，與手工焊相比，氣保焊焊接速度快、熔池小、熱量集中，焊縫與母材熔合小，熱影響區(qū)窄，組織更細(xì)。

圖2 不同焊接方法對應(yīng)接頭的金相組織

圖3 為焊縫的掃描電鏡照片。 圖3 顯示，手工焊試樣焊縫中的先共析鐵素體（PF）沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀分布，板條鐵素體（FSP）相互平行，由晶界向奧氏體晶內(nèi)生長，鐵素體板條之間分布著長條狀珠光體；氣保焊試樣焊縫中的板條狀貝氏體呈長條狀，且板條相互平行，間隙內(nèi)存在粗大的長條狀馬氏體／奧氏體組織（MA）或碳化物。

圖3 不同焊接方法試樣的焊縫組織的SEM 照片

圖4 為熔合區(qū)的掃描電鏡照片。 手工焊熔合區(qū)靠近熱影響區(qū)一側(cè)為板條貝氏體組織，靠近焊縫一側(cè)為針狀鐵素體組織；氣保焊熔合區(qū)靠近熱影響區(qū)一側(cè)為貝氏體和馬氏體混合組織，靠近焊縫區(qū)域為大量貝氏體。 氣保焊熱輸入較小，冷卻速率高，因此靠近熱影響區(qū)一側(cè)晶粒尺寸較小，并形成大量板條狀馬氏體組織。

圖4 不同焊接方法試樣的熔合區(qū)組織的SEM 照片

圖5 為手工焊熱影響區(qū)的金相照片。 粗晶熱影響區(qū)（CGHAZ）主要為貝氏體和馬氏體組織，晶粒尺寸粗大，細(xì)晶熱影響區(qū)（FGHAZ）為貝氏體和多邊形鐵素體混合組織，晶粒較小，越靠近焊縫，熱影響區(qū)焊接熱循環(huán)峰值溫度越高，晶粒長大趨勢越強(qiáng)。 臨界熱影響區(qū)（ICHAZ）由貝氏體、鐵素體與碳化物組成。 ICHAZ 離焊縫距離較遠(yuǎn)，熱循環(huán)峰值溫度較低，奧氏體化不完全，奧氏體化部分在冷卻過程中形成貝氏體組織，未轉(zhuǎn)變部分則形成鐵素體和碳化物［9］。 亞臨界熱影響區(qū)（SCHAZ）由于距離焊縫最遠(yuǎn)，受焊接熱循環(huán)作用影響最小，因此總體保持母材原始的直接淬火＋回火組織特征，但碳化物在焊接熱作用下會進(jìn)一步析出與聚集，尺寸增大。

圖5 手工焊熱影響區(qū)的金相組織

圖6 為氣保焊焊接熱影響區(qū)的金相組織照片。 與手工焊相比，氣保焊焊接速度快、熱輸入低，相應(yīng)冷卻速率快，故CGHAZ 晶粒尺寸較小，形成大量板條狀馬氏體組織，F(xiàn)GHAZ 為貝氏體、馬氏體和鐵素體混合組織，ICHAZ 與SCHAZ 碳化物析出量減少，其余則相差不大。

圖7 為焊接接頭的硬度分布曲線。 焊縫、熱影響區(qū)和母材等不同區(qū)域的硬度值出現(xiàn)明顯差異。 熱影響區(qū)硬度值波動很大，存在大量馬氏體組織的CGHAZ硬度最高，存在較多鐵素體的SCHAZ 硬度較低。 手工焊熱影響區(qū)硬度峰值為348.4HV，氣保焊焊后形成更多馬氏體組織，熱影響區(qū)硬度峰值較高，為359.1HV。

2.2 裂紋形貌與擴(kuò)展路徑

在25 ℃環(huán)境溫度下，手工焊和氣保焊焊接接頭表面裂紋率和斷面裂紋率均為100%，說明實驗鋼在25 ℃下采用實驗所用焊接制度時，冷裂紋產(chǎn)生傾向較大。

圖6 氣保焊熱影響區(qū)的金相組織

圖7 不同焊接方法試樣的接頭硬度曲線

圖8 為焊接接頭斷面的裂紋宏觀形貌。 手工焊接頭斷面裂紋起源于焊道根部熔合區(qū)，沿熔合區(qū)擴(kuò)展一定距離后迅速轉(zhuǎn)向焊縫，沿著焊縫擴(kuò)展直至貫穿致焊縫表面。 氣保焊焊接接頭根部存在著焊縫與坡口邊緣的熔合不良，裂紋從熔合不良尖端處起裂，然后直接轉(zhuǎn)入焊縫繼續(xù)擴(kuò)展，直至貫穿致焊縫表面。

圖8 不同焊接方法試樣的斷面裂紋特征

圖9 為焊縫中裂紋的金相照片。 手工焊焊縫中裂紋擴(kuò)展路徑曲折，在針狀鐵素體中不斷改變裂紋擴(kuò)展方向，沿先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體等區(qū)域擴(kuò)展，說明針狀鐵素體抵抗裂紋擴(kuò)展的能力較好，而先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體位錯密度較低，抗裂紋擴(kuò)展能力低，當(dāng)焊縫受到拉應(yīng)力時，裂紋優(yōu)先在這些組織上擴(kuò)展［10］。 氣保焊裂紋改變擴(kuò)展方向的次數(shù)較少，裂紋在貝氏體組織為主的焊縫中擴(kuò)展路徑較為平直。

圖9 不同焊接方法試樣的焊縫裂紋擴(kuò)展形貌

圖10 為試樣斷口形貌。 由圖10（a）、（b）可以看出，2 種焊接方法對應(yīng)的斷口均存在明顯的起裂區(qū)和擴(kuò)展區(qū)，手工焊起裂區(qū)位于焊接接頭根部；氣保焊試樣起裂區(qū)位于接頭根部并存在未熔合，裂紋從此處起裂并進(jìn)入焊縫。 圖10（c）顯示手工焊的起裂區(qū)呈現(xiàn)冰糖狀沿晶斷裂和準(zhǔn)解理混合斷裂特征，為典型的冷裂紋，沿晶斷裂是由于焊道根部熔合區(qū)粗晶區(qū)存在較多的擴(kuò)散氫，氫在馬氏體中擴(kuò)散較慢，易在晶界聚集，弱化晶界，使焊接裂紋沿晶界擴(kuò)展［11］。 圖10（d）表明，氣保焊起裂區(qū)存在很多細(xì)小韌窩，說明基體產(chǎn)生了塑性變形。 圖10（e）顯示手工焊的拓展區(qū)由大量細(xì)小韌窩和少量沿晶斷口組成，表面凹凸不平，還存在少量二次裂紋，與斷面觀察到的次生裂紋相對應(yīng)，表明裂紋擴(kuò)展路徑曲折。 由于焊縫中針狀鐵素體具有較高的塑韌性，當(dāng)裂紋穿過時，針狀鐵素體發(fā)生塑性變形，形成大量韌窩，而分布在晶界處的先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體促使裂紋沿晶界擴(kuò)展，形成沿晶斷口。 由圖10（f）可見，氣保焊拓展區(qū)為長條狀光滑沿晶斷口和準(zhǔn)解理平面，無明顯塑性變形特征，一方面是由于焊縫凝固過程中雜質(zhì)元素容易被推向奧氏體晶界，弱化奧氏體晶界，使奧氏體晶界成為焊縫區(qū)的薄弱環(huán)節(jié)，促使裂紋優(yōu)先沿著晶界擴(kuò)展，另一方面由于焊縫中存在較多的貝氏體組織，條狀和羽毛狀貝氏體板條間存在MA 組元或者碳化物，使貝氏體板條界面抵抗裂紋擴(kuò)展能力較差，裂紋可直接沿貝氏體擴(kuò)展，形成準(zhǔn)解理斷裂平面。

圖10 不同焊接方法試樣的斷口形貌

綜上所述，裂紋從斜Y 坡口根部起裂，沿熔合區(qū)擴(kuò)展后迅速轉(zhuǎn)向焊縫，因此，冷裂紋在焊接接頭區(qū)的擴(kuò)展路徑可分為起裂、沿熔合區(qū)擴(kuò)展、沿焊縫區(qū)擴(kuò)展3 個階段。

斜Y 坡口根部存在缺口效應(yīng)，應(yīng)力集中程度較大，兩種焊接工藝的焊接裂紋均起源于斜Y 坡口焊道根部，對于氣保焊，較長的未熔合區(qū)域加劇應(yīng)力集中程度。

裂紋萌發(fā)后優(yōu)先沿熔合線方向擴(kuò)展，這與熔合區(qū)組織特征、擴(kuò)散氫含量和拘束應(yīng)力等密切相關(guān)［9-13］。熔合區(qū)是焊縫和熱影響區(qū)的過渡區(qū)域，微觀組織存在突變，富含位錯和空位等缺陷，導(dǎo)致熔合區(qū)最為薄弱。在焊縫凝固過程中，奧氏體轉(zhuǎn)變成鐵素體，氫在鐵素體中擴(kuò)散較快，易轉(zhuǎn)移到尚未轉(zhuǎn)變的熱影響區(qū)，氫在熱影響區(qū)的奧氏體中擴(kuò)散慢，無法擴(kuò)散到距熔合區(qū)更遠(yuǎn)的母材中，故氫原子易在熔合區(qū)附近富集，提高熔合區(qū)的氫脆性。

由于焊縫硬度較高、塑性較差，同時由于焊材合金元素含量高，在不預(yù)熱條件下形成大量淬硬組織，對焊縫的拘束作用增加，使裂紋易在焊縫中擴(kuò)展；此外，焊縫中存在的側(cè)板條鐵素體，先共析鐵素體及貝氏體等抗裂紋擴(kuò)展能力差的組織，也會促進(jìn)裂紋在焊縫的擴(kuò)展。

3 結(jié) 論

1） Q690 鋼手工焊和氣保焊焊接接頭冷裂紋起源于坡口根部，沿熔合區(qū)擴(kuò)展后轉(zhuǎn)向焊縫直至貫穿致焊縫表面。

2） 裂紋在Q690 鋼焊縫中擴(kuò)展主要是由于焊縫硬度較高、塑性較差，以及淬硬組織對焊縫的拘束作用，導(dǎo)致裂紋在焊縫中擴(kuò)展。 熔合區(qū)缺陷密度高，裂紋擴(kuò)展抗力差，導(dǎo)致冷裂紋易在其中傳播。

3） 針狀鐵素體有利于提高Q690 鋼焊縫抵抗裂紋擴(kuò)展能力，先共析鐵素體、側(cè)板條鐵素體和貝氏體等組織抗裂紋擴(kuò)展能力較低，因此冷裂紋優(yōu)先沿著這些組織區(qū)域擴(kuò)展。