Q235B鋼薄板RSW焊接接頭金相組織分析

謝芋江，周培山，楊祥海，景勇俊

(西南石油大學應用技術學院，四川 南充 637001）

0 前言

RSW是最重要的電阻焊方法之一，它具有生產效率高、焊接質量穩定、易實現機械化和自動化等優點，因此該技術在生產中得到廣泛應用[1]。在焊接過程中，焊接接頭各部位受到不同的熱循環，相當于金屬受到一系列的熱處理，因此焊接接頭各處組織存在著一定的差異和不均勻性[2]。采用RSW焊接工藝對Q235B鋼薄板進行焊接，通過觀察優質焊接接頭各部位的金相顯微組織，分析焊接接頭硬度分布特點，為RSW在實際生產中的應用提供一定的理論參考。

1 試驗材料和方法

1.1 焊接材料和設備

試驗采用唐山松下產業機器有限公司生產的YR－350SA2HGE固定點焊機，對厚度δ=1 mm的Q235B鋼板進行焊接。用OLYMPUS-TOKYO金相顯微鏡進行接頭顯微組織觀察，用HVS-1000維氏硬度計測量焊接接頭顯微硬度。Q235B鋼的化學成分和力學性能如表1所示。

表1 Q235B鋼化學成分 %

1.2 焊接工藝參數

在點焊工藝試驗過程中，主要考慮焊接電流、焊接時間和電極壓力三個因素對焊接接頭質量的影響。通過工藝試驗確定了最佳焊接工藝參數：焊接電流I=10.63kA；焊接時間t=0.16s；電極壓力Fw=2.25kN。

2 試驗結果和分析

2.1 焊接接頭宏觀形貌

RSW焊接接頭主要由熔核區、熱影響區和母材三部分組成。圖1a是優質RSW焊接接頭的整體形貌，可以清楚地看到焊接接頭熔核區的柱狀晶垂直于試件的貼合面。圖1b是圖1a的局部放大圖，圖中從左到右標注阿拉伯數字之處分別為焊接接頭受到不同熱循環而形成的各個區域，其中①為焊件母材，②是焊接接頭的正火區，③為過熱區，④是熔核區。圖1c是焊接接頭組織縱向的局部放大100倍的照片，可以看出由下到上各個部分組織存在著明顯的差別，依次分別為母材、熱影響區和熔核區。最下面一層白色組織是母材，主要成分是塊狀的鐵素體；最上層是熔核區，該區主要由粗大的柱狀晶組成，柱狀晶規則的縱向排列與焊接貼合面垂直；在母材和熔核區之間的部分就是熱影響區，整個熱影響區主要由正火區和過熱區組成。該區域下面靠近母材部分晶粒細小，而上面靠近熔核區部分晶粒較為粗大。晶粒細小部分為正火區，該區塑性和韌性都比較好，而晶粒粗大部分為過熱區，過熱區金屬在焊接過程中處于過熱狀態，所以此處晶粒粗大，導致其塑性和韌性都較差。仔細觀察還會發現，在熔核區與過熱區之間有一個比較狹窄的區域組織分布不均勻，晶粒大小不一，這就是熔合區，不管是從成分上還是從組織上來看都存在著一定不規律性，因此該區的性能不佳。

2.2 焊接接頭微觀組織

圖2是圖1b中①位置處焊件母材（Q235B熱軋薄板）部分放大400倍的顯微組織照片。母材Q235B的金相顯微組織主要由白色的塊狀鐵素體和黑色的碳化物組成。

圖3依次是RSW焊接接頭從母材到熔核區各部分的顯微組織（400×），在焊接接頭上從左到右依次拍攝。

圖1 焊接接頭宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of welded joint

圖2 母材Q235B組織Fig.2 Microstructure of base metal Q235B

圖3 焊接接頭各部分金屬組織Fig.3 Microstructure of parts of welded joint

如圖3所示，圖3a左邊部分是母材，其組織為白色塊狀的鐵素體和少量的黑色珠光體。右邊是焊接接頭的正火區，其組織為細小的塊狀鐵素體和珠光體。在焊接過程中，正火區位置所處的溫度范圍約在A3～1 000℃之間，相當于經過了一次正火的熱處理，得到了均勻而細小的珠光體和鐵素體組織，所以此區域的塑性和韌性都比較好[3]。圖3b為正火區到過熱區的過渡區域，左邊是靠近正火區的組織而右邊則是過熱區的組織，過熱區主要由珠光體和少量呈羽毛狀的上貝氏體組成。由圖可知，靠近過熱區側組織明顯比正火區粗大。這是因為焊接過程中過熱區金屬處于過熱狀態，奧氏體晶粒發生了嚴重的長大現象，冷卻后得到了粗大的組織。焊接通電結束后，冷卻速度比較快，小部分過冷奧氏體快速冷卻到中溫轉變區，因而在此區形成了少量的上貝氏體，導致此區的強度和韌性在一定程度上變差。圖3c左邊靠近過熱區，右邊是靠近熔核區組織，而中間部分主要為熔合區組織，該區域組織比較復雜，從圖上來看晶粒大小不一。由于該區在化學成分上和組織上都有較大的不均勻性，所以熔合區塑性和韌性都不好，與過熱區一樣都是焊接接頭的薄弱環節。圖3d是熔核區的組織，主要為低碳馬氏體和殘余奧氏體。在低倍顯微鏡下觀察該區主要為柱狀晶，放大400倍以后的照片顯示，該區組織呈一束束平行排列的細板條狀，又由于顯微硬度測試顯示該區的平均硬度約為400 HV（相當于41.6HRC），且焊接母材的含碳量小于0.2%。由此推斷該焊接接頭的熔核區組織存在大量的低碳馬氏體[4-5]。

2.3 焊接接頭硬度分布

用維式顯微硬度計測量焊接接頭各部分的硬度值，施加載荷F＝0.98 N，加載時間t=15 s，在距離熔核水平中心線0.1 mm處從熔核中心向母材金屬方向測試硬度，每兩個測試點之間間隔0.5mm，測試結果如圖4所示。

圖4 焊接接頭顯微硬度分布Fig.4 Microhardness distribution of welded joint

從圖4可以看出，焊接接頭的熔核區硬度值比較平均，整體硬度遠高于母材，整個焊接接頭的硬度峰值出現在熱影響區的過熱區位置，到正火區位置組織硬度開始下降，到母材位置時硬度降到最低點。這是因為RSW形成的熔核組織發生了馬氏體相變，產生了大量的板條狀馬氏體，所以硬度急劇上升，遠大于母材。過熱區產生了少量上貝氏體，且組織較為粗大，因此焊接接頭硬度峰值出現在該區。正火區在焊接熱循環的作用下，晶粒均勻細小，無過熱組織產生，因此硬度在該區開始下降，逐漸接近母材硬度。

3 結論

（1）整個焊接接頭從中心往母材方向，依次可以分為熔核區、過熱區、正火區等幾個主要區域。

（2）正火區組織為均勻而細小的珠光體和鐵素體，此區域的塑性和韌性都比較好；過熱區主要由珠光體和少量上貝氏體組成，晶粒較粗大，是焊接接頭的薄弱環節；熔核區主要為板條馬氏體，具有一定的塑性和韌性。

（3）焊接接頭熔核區硬度值分布較均勻，整體硬度值遠高于母材；整個焊接接頭的硬度峰值出現在過熱區；焊接接頭硬度在正火區急劇下降，逐漸接近母材硬度值。

[1]袁少波，童彥剛.點焊技術在汽車工業中的應用[J].電焊機，2005，35(2)：26-30.

[2]徐學利，辛希賢，石 凱，等.焊接熱循環對X80管線鋼粗晶區韌性和組織的影響[J].焊接學報，2005，26（8）：69-73.

[3]張文鉞.焊接冶金學（基本原理）[M].北京：機械工業出版社，1996.

[4]李日娟.310S+Q235B不銹鋼復合鋼板焊接工藝[J].電焊機，2008，38（7）：70-72.

[5]羅保發.電阻點焊組織預測和質量控制研究[D].天津：天津大學，2008.