鍍銅和無(wú)鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭組織與疲勞性能研究

孫逸凡 許鴻吉 藺博

摘要：使用鍍銅和無(wú)鍍銅焊絲焊接Q345E低合金鋼，觀察其顯微組織，并對(duì)其焊接接頭進(jìn)行脈動(dòng)拉伸疲勞試驗(yàn)，掃描斷口形貌。結(jié)果表明：兩種焊接接頭的顯微組織相似，無(wú)鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭過(guò)熱區(qū)無(wú)碳貝氏體較多。無(wú)鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭疲勞性能略低，但兩種焊接接頭疲勞性能相差不大，余高的存在明顯降低疲勞極限。斷口微觀形貌可以看出：斷口無(wú)明顯缺陷，斷口平整能看到清晰的啟裂源，擴(kuò)展區(qū)裂紋生長(zhǎng)，終斷區(qū)形貌為大小深淺不一的韌窩，為韌性斷裂。

關(guān)鍵詞：Q345E低合金鋼;鍍銅焊絲;無(wú)鍍銅焊絲;顯微組織;疲勞性能

中圖分類號(hào)：TG422.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）11-0129-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.24

0 前言

無(wú)鍍銅焊絲是新一代的氣體保護(hù)焊實(shí)心焊絲。傳統(tǒng)實(shí)心焊絲是在半成品鋼絲表面鍍上一層銅，可增強(qiáng)焊絲與焊嘴接觸處的導(dǎo)電性能、防腐能力，以及減少與送絲軟管、焊嘴的摩擦力[1]。無(wú)鍍銅焊絲的出現(xiàn)既迎合了目前環(huán)保的理念，又減少了煙塵量和焊接飛濺，降低了成本。而且其操作手感和焊縫成形質(zhì)量并不亞于鍍銅焊絲，具有表面光潔、送絲性能更加穩(wěn)定、在使用過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)因銅層脫落等問(wèn)題造成的送絲不穩(wěn)的現(xiàn)象、焊絲表面更加光滑、并減少送絲阻力等優(yōu)點(diǎn)，所以備受青睞[2-5]。

文中對(duì)比了鍍銅和無(wú)鍍銅焊絲Q345E焊接接頭的疲勞性能（去掉余高、保留正面余高），并對(duì)疲勞斷口進(jìn)行掃描分析，研究其焊接性，以確定無(wú)鍍銅焊絲運(yùn)用于焊接生產(chǎn)的前景。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為Q345E低合金鋼，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、表2所示。采用熔化極混合氣體保護(hù)焊，焊絲為CHW-50C6SM（鍍銅）、Purus-42-CF（無(wú)鍍銅）。焊接材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表3、表4所示。

1.2 試驗(yàn)方法

Q345E低合金鋼平板對(duì)接試板尺寸為300 mm×15 mm×12 mm，坡口尺寸如圖1所示，多道焊焊接順序如圖2所示，鍍銅和無(wú)鍍銅焊絲焊接Q345E低合金鋼焊接參數(shù)如表5所示。

焊后試件均進(jìn)行外觀（ISO17637）、滲透（ISO23277）、射線（ISO17636）檢查。為方便后續(xù)試驗(yàn)的需要，對(duì)接試板要求平直，盡量減少變形。

金相試件經(jīng)加工、打磨、拋光，并用4%硝酸酒精溶液腐蝕后，在4X1光學(xué)顯微鏡下觀察其組織形態(tài)。

疲勞試驗(yàn)參照GB/T13816-92《焊接接頭脈動(dòng)拉伸疲勞試驗(yàn)方法》，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為PLG-200高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，其疲勞技術(shù)規(guī)格為：靜態(tài)負(fù)荷精度±1%，動(dòng)荷平均波動(dòng)度±1%，動(dòng)負(fù)荷振幅波動(dòng)度±2%。試驗(yàn)采用的循環(huán)應(yīng)力比R=0.1，指定循環(huán)壽命取5×106次。在試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)疲勞裂紋尺寸足夠大導(dǎo)致載荷加不上去時(shí)，自動(dòng)卸載停振，并記錄循環(huán)次數(shù)。分別對(duì)試件進(jìn)行去掉余高和保留正面余高加工。對(duì)接接頭疲勞試件尺寸（去掉余高、保留正面余高）見(jiàn)圖3。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 金相組織分析

Q345E低合金鋼母材顯微組織如圖4所示，組織為鐵素體+珠光體。

圖5a、圖6a為鍍銅和無(wú)鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭焊縫顯微組織。可以看出：焊縫金相組織為沿柱狀晶分布的先共析鐵素體，以及少量的針狀鐵素體和細(xì)小的粒狀貝氏體，其形態(tài)為針狀鐵素體晶界周圍分布的塊狀小島，在粒狀貝氏體組織中，其分解產(chǎn)物可以起到第二相強(qiáng)化作用，所以粒狀貝氏體強(qiáng)韌性較好，優(yōu)化了其疲勞性能，所以焊縫處不易出現(xiàn)疲勞裂紋。圖5b、圖6b為鍍銅和無(wú)鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭熔合區(qū)顯微組織，可以看出：熔合線上方為焊縫，下方為過(guò)熱區(qū)，鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭過(guò)熱區(qū)顯微組織為塊狀、針狀鐵素體和少量的無(wú)碳貝氏體與粒狀貝氏體。無(wú)鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭過(guò)熱區(qū)為珠光體和大量的無(wú)碳貝氏體，無(wú)碳貝氏體的出現(xiàn)惡化了疲勞性能，所以其熱影響區(qū)附近更易產(chǎn)生疲勞裂紋。圖5c、圖6c為鍍銅和無(wú)鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭細(xì)晶區(qū)顯微組織，可以看出：細(xì)晶區(qū)顯微組織均為鐵素體與珠光體，其組織細(xì)化，鐵素體與珠光體等軸分布所以能夠均勻分散應(yīng)力應(yīng)變，疲勞性能好。圖5d、圖6d為鍍銅和無(wú)鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭部分轉(zhuǎn)變區(qū)顯微組織?？梢钥闯觯翰糠洲D(zhuǎn)變區(qū)顯微組織為鐵素體與珠光體。部分鐵素體和珠光體重結(jié)晶，晶粒細(xì)化，也有一部分沒(méi)有發(fā)生重結(jié)晶導(dǎo)致晶粒大小不一，相比細(xì)晶區(qū)域性能較差，但其晶粒要比母材區(qū)域細(xì)小，而且鐵素體和珠光體的組織疲勞強(qiáng)度要高于貝氏體組織。

2.2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)升降法分別確定鍍銅和無(wú)鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭指定壽命為5×106次循環(huán)下的中值疲勞極限，其疲勞極限升降如圖7所示。

通過(guò)升降法確定鍍銅和無(wú)鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭指定壽命為5×106次循環(huán)下的中值疲勞極限：

由以上數(shù)據(jù)確定的鍍銅和無(wú)鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭脈動(dòng)拉伸疲勞的中值S-N曲線對(duì)比（去掉余高、保留正面余高）如圖8所示。

鍍銅焊絲厚板Q345E低合金鋼焊接接頭（去掉余高、保留正面余高）脈動(dòng)拉伸疲勞試驗(yàn)指定壽命為5×106次循環(huán)下的中值疲勞極限分別為390 MPa、297 MPa。無(wú)鍍銅焊絲厚板Q345E低合金鋼焊接接頭（去掉余高、保留正面余高）脈動(dòng)拉伸疲勞試驗(yàn)指定壽命為5×106次循環(huán)下的中值疲勞極限分別為373 MPa、271 MPa?？梢?jiàn)去掉與保留余高對(duì)疲勞極限有很大影響，鍍銅焊絲厚板Q345E低合金鋼焊接接頭疲勞性能略優(yōu)于無(wú)鍍銅焊絲厚板Q345E低合金鋼。

2.3 鍍銅和無(wú)鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭疲勞斷口分析

鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭（去掉余高）脈動(dòng)拉伸疲勞試件的有效試件為12個(gè)，斷裂位置有6個(gè)在母材，只有1個(gè)在熱影響區(qū)，說(shuō)明焊接接頭性能良好。而無(wú)鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭（去掉余高）脈動(dòng)拉伸疲勞試件的有效試件為13個(gè)，斷裂位置有5個(gè)在母材，3個(gè)在熱影響區(qū)，說(shuō)明無(wú)鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭熱影響區(qū)更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，這是由于其熱影響區(qū)出現(xiàn)的無(wú)碳貝氏體降低了疲勞性能，使裂紋容易萌生。

鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭（保留正面余高）脈動(dòng)拉伸疲勞試件的有效試件為13個(gè)，斷裂位置有6個(gè)在焊趾，只有2個(gè)在母材。無(wú)鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭（保留正面余高）脈動(dòng)拉伸疲勞試件的有效試件為12個(gè)，斷裂位置有7個(gè)全部在焊趾。焊趾部位存在較大的應(yīng)力集中，是產(chǎn)生疲勞斷裂的主要原因，宏觀形貌如圖9所示。

與中值疲勞極限結(jié)果相結(jié)合，說(shuō)明無(wú)鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭疲勞性能還是低于鍍銅焊絲Q345E低合金鋼，但相差不大，有無(wú)余高對(duì)疲勞極限降低明顯。

使用JSM-6360V掃描電子顯微鏡對(duì)疲勞試件斷口形貌進(jìn)行掃描分析，斷口照片如圖10所示?？梢钥闯觯簲嗔言嚰诹鸭y的啟裂區(qū)和啟裂擴(kuò)展區(qū)具有典型的疲勞斷裂特征，疲勞紋清晰并較細(xì)，擴(kuò)展區(qū)的大小隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加而增大，終斷區(qū)斷口形貌均為大小深淺不一的韌窩。

3 結(jié)論

（1）鍍銅和無(wú)鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭顯微組織相似，但無(wú)鍍銅焊絲焊接接頭熱影響區(qū)出現(xiàn)的無(wú)碳貝氏體較多，對(duì)疲勞性能有影響，使裂紋容易萌生。

（2）鍍銅和無(wú)鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭指定壽命為5×106次數(shù)時(shí)的中值疲勞強(qiáng)度σ0.1：鍍銅焊絲Q345E焊接接頭（去掉余高）為390 MPa，無(wú)鍍銅焊絲Q345E焊接接頭（去掉余高）為373 MPa，疲勞性能良好。鍍銅焊絲Q345E焊接接頭（保留正面余高）為297 MPa，鍍銅焊絲Q345E焊接接頭（保留正面余高）為271 MPa。保留正面余高使疲勞極限降低100 MPa左右。無(wú)鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭疲勞性能略低于鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭。

（3）斷口形貌表明，鍍銅和無(wú)鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭都沒(méi)有明顯缺陷，斷口平整且有明顯的疲勞斷裂特征，擴(kuò)展區(qū)疲勞帶清晰，終斷區(qū)出現(xiàn)明顯的韌窩。

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