一種錳鎳鉬硼合金系埋弧焊絲焊接低碳貝氏體鋼接頭的組織及性能

張 敏，陳陽陽，楊 亮，劉明志，邢 奎

（西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710048）

0 引 言

由于貝氏體鋼具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，且在其生產(chǎn)過程中可以省去淬火工序，具有簡化工藝、節(jié)約熱能、降低成本等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于汽車前軸、鐵路道岔、管線鋼等方面［1-3］。目前，關(guān)于貝氏體鋼的組織、成分、控制軋制和斷裂韌性等方面已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，但對其焊接性能的研究還較少，特別是關(guān)于其埋弧焊焊接用材料的研制就更少。埋弧焊生產(chǎn)率高、焊縫質(zhì)量好、勞動條件好，廣泛應(yīng)用在造船、橋梁及冶金機(jī)械制造業(yè)中［4］。

相關(guān)研究表明，錳的加入可以使焊縫金屬中針狀鐵素體含量增加并且細(xì)化組織，顯著提高焊縫屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。鎳的加入會促進(jìn)針狀鐵素體形核，細(xì)化晶粒。鉬可以推遲先共析鐵素體轉(zhuǎn)變，當(dāng)鉬含量大于0.2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）時，屈服強(qiáng)度增加很少，抗拉強(qiáng)度明顯增加；當(dāng)鉬含量大于0.5%時，韌性減小，抗拉強(qiáng)度增大［5］。硼的加入可以使鐵素體轉(zhuǎn)變曲線明顯右移，針狀鐵素體含量增加，提高焊縫韌性。同時，微量的硼可以提高高溫強(qiáng)度、強(qiáng)化晶界和基體。因此，在鋼中加入錳、鎳、鉬、硼等合金元素，可促進(jìn)針狀鐵素體形核，控制針狀鐵素體和貝氏體相比例，提高焊縫的強(qiáng)韌性［6］。因此，作者選擇錳鎳鉬硼合金系，設(shè)計(jì)了一種低碳貝氏體鋼用埋弧焊焊絲，并對低碳貝氏體鋼進(jìn)行雙面焊，分析了焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能，為促進(jìn)高強(qiáng)韌性、耐低溫且易焊接的低碳貝氏體鋼的發(fā)展提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料選用國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的X120級低碳貝氏體管線鋼，控軋控冷狀態(tài)，其化學(xué)成分見表1，冷裂紋敏感系數(shù)為0.22，熱裂紋敏感系數(shù)為0.41，切割成尺寸為520mm×250mm×15.3mm的焊接試樣。試驗(yàn)鋼顯微組織如圖1所示，為極細(xì)的含有高位錯密度的貝氏體基體組織和細(xì)條狀的鐵素體，其上分布有細(xì)小的Nb（C，N）及ε-Cu粒子，板條間有少量的M-A島。

焊接材料為錳鎳鉬硼合金系焊絲，焊絲鋼錠在DZG-0025型真空感應(yīng)電爐中冶煉，設(shè)計(jì)成分見表2，焊絲直徑為4mm。埋弧焊焊劑選用氟堿型燒結(jié)焊劑SJ101。

表1 試驗(yàn)鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of test steel（mass） %

圖1 試驗(yàn)鋼顯微組織Fig.1 Microstructure of test steel

表2 錳鎳鉬硼合金系焊絲設(shè)計(jì)化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.2 The designed chemical composition of welding wire（mass） %

采用MZ-1-1000型埋弧自動焊機(jī)對貝氏體鋼板進(jìn)行雙面焊，采用對接直縫埋弧焊，I型坡口，接頭間隙為0.5～1.0mm。焊前打磨試樣，除塵除銹，正面焊完后反面再清根埋弧焊接。焊絲伸出導(dǎo)電嘴長度為25～40mm。焊接工藝參數(shù)如表3所示，埋弧焊功率有效系數(shù)取0.8。

表3 埋弧焊焊接工藝參數(shù)Tab.3 Submerged arc welding parameters

1.2 試驗(yàn)方法

焊接接頭依次經(jīng)磨制、粗拋、精拋、腐蝕后干燥，再采用金剛石研磨劑研磨，用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精腐蝕，然后在OLYMPUS-GX71型光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織。在焊縫中心垂直于焊縫方向取拉伸試樣，尺寸如圖2所示，根據(jù)GB/T 2651-2008，采用MTS810-1型自動拉伸試驗(yàn)機(jī)測拉伸性能；在圖3所示位置切取尺寸為10mm×10mm×55mm的V形缺口沖擊試樣，V型缺口分別開在焊縫中心和距熔合線1mm的HAZ粗晶區(qū)，缺口深2mm，采用JB-300B型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)測沖擊性能。采用JSM-6700F型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察沖擊斷口的形貌；采用HV-1000型顯微硬度計(jì)測焊接接頭的硬度分布，載荷為98N，保壓時間為10s。

圖2 拉伸試樣尺寸Fig.2 Tensile specimen size

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊接接頭的顯微組織

從圖4可見，三種工藝接頭焊縫區(qū)的顯微組織基本相近，主要為針狀鐵素體、粒狀貝氏體和少量先共析鐵素體，還有明顯的黑色夾雜物顆粒；針狀鐵素體尺寸大小不等，以短小為主，雜亂分布，粒狀貝氏體出現(xiàn)部分聚集狀態(tài)。在焊接過程中焊縫及其附近區(qū)域的金屬經(jīng)歷了獨(dú)特的焊接熱循環(huán)過程，采用28.08kJ·cm-1的熱輸入焊接時，焊縫金屬處于過熱狀態(tài)，冷卻速率慢，處于高溫區(qū)時間較長，奧氏體晶粒粗化嚴(yán)重，降低了材料的強(qiáng)韌性。當(dāng)焊接熱輸入為26.11kJ·cm-1時，過熱區(qū)冷卻速率較快，處于高溫時間較短，奧氏體晶粒粗化程度較小，細(xì)小的組織易于提高焊縫金屬的強(qiáng)韌性。但是，在1＃和2＃接頭中樹枝晶的結(jié)晶形態(tài)和生長方向清晰可見。當(dāng)溫度梯度較大時，界面的熱量可以從固、液兩相消散，界面移動不只受到固相傳熱速率控制。如果某處固相偶然伸入液相，則此處進(jìn)入了溫度梯度更大的區(qū)域，以更大的速率生長，在伸入的液相中形成一個晶軸。晶軸結(jié)晶時向兩側(cè)液相中放出潛熱，使液相中垂直于晶軸的方向又產(chǎn)生負(fù)向溫度梯度，這樣晶軸上又會出現(xiàn)二次晶軸［7］。焊縫金屬發(fā)生固態(tài)相變時，在奧氏體晶界首先析出連續(xù)的塊狀先共析鐵素體，裂紋易于在此萌生并擴(kuò)展。相比針狀鐵素體，先共析鐵素體對裂紋擴(kuò)展的抵抗能力較低，其強(qiáng)韌性都不如針狀鐵素體好，會降低焊縫金屬的強(qiáng)韌性。比較圖在1＃和2＃接頭發(fā)現(xiàn)，2＃接頭焊縫組織中先共析鐵素體較多，因此，其強(qiáng)韌性較低。當(dāng)焊接熱輸入為24.81kJ·cm-1時，冷卻速率較慢，組織形態(tài)發(fā)生了變化，針狀鐵素體含量增多，更易于分割奧氏體晶粒，阻止裂紋的擴(kuò)展，提高了韌性。

圖3 沖擊試樣取樣位置Fig.3 The impact specimen sampling location

圖4 試驗(yàn)鋼不同工藝焊接接頭焊縫的顯微組織Fig.4 Microstructure of weld zone in the welded joints 1＃（a）2＃（b）3＃（c）of test steel under different welding conditions

從圖5中可以看出，HAZ組織主要為針狀鐵素體和粒狀貝氏體，晶界較明顯；其中針狀鐵素體含量較多，呈籃筐編結(jié)形態(tài)，晶粒尺寸大小不等，以細(xì)長為主，相互之間的位向關(guān)系不定，為混雜分布；粒狀貝氏體彌散分布在組織中，同時起到細(xì)化晶粒和彌散強(qiáng)化的作用。相比焊縫區(qū)，熱影響區(qū)的組織粗大，晶界清晰分明，且在較大的焊接熱輸入下，熱影響區(qū)產(chǎn)生局部過熱，以一定的速率冷卻，晶粒易于長大，造成熱影響區(qū)發(fā)生軟化和脆化。當(dāng)焊接熱輸入為28.08kJ·cm-1時，HAZ晶粒粗化的傾向比較明顯，同時組織中發(fā)現(xiàn)有少量的準(zhǔn)多邊形鐵素體（QF）和多邊形鐵素體（PF）存在。PF沿晶界析出，會降低韌性，但是晶內(nèi)生長出了大量的針狀鐵素體，分割晶粒，顯著地增強(qiáng)了HAZ的韌性。當(dāng)焊接熱輸入為26.11kJ·cm-1時，由于冷卻速率有所增加，HAZ中產(chǎn)生了QF組織，使得HAZ的強(qiáng)韌性有所降低。當(dāng)焊接熱輸入減小到24.81kJ·cm-1時，由于冷卻速率較大，從奧氏體晶界向晶內(nèi)生長出了不同位向的細(xì)密板條，使原奧氏體晶界清晰可見。同時，組織中出現(xiàn)了貝氏體鐵素體（BF），組織較為細(xì)小，顯著增大了強(qiáng)度和韌性。晶粒細(xì)化效應(yīng)、亞晶界強(qiáng)化和位錯亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化等賦予了HAZ優(yōu)良的強(qiáng)韌性。

焊縫和熱影響區(qū)的組織中都存在大量的針狀鐵素體和粒狀貝氏體。這是因?yàn)楹附z中鎳、硅元素的加入，增加了針狀鐵素體的形核質(zhì)點(diǎn)，促進(jìn)了針狀鐵素體的形成。同時鎳元素能夠細(xì)化晶粒，使得晶界數(shù)目增多，當(dāng)裂紋沿著大量互相穿插交錯的針狀鐵素體擴(kuò)展時，每個晶界都對裂紋的擴(kuò)展起阻礙作用，路徑曲折，消耗能量較大，所以裂紋不易在針狀鐵素體中擴(kuò)展，使材料具有較高的強(qiáng)度和優(yōu)良的抗斷裂性能［8］。

圖5 試驗(yàn)鋼不同工藝焊接接頭熱影響區(qū)的顯微組織Fig.5 Microstructure of HAZ zone in the welded joints 1＃（a）2＃（b）3＃（c）of test steel under different welding conditions

2.2 焊接接頭的力學(xué)性能

2.2.1 拉伸性能

從表4可以看出，接頭試樣的拉伸斷裂均發(fā)生在焊縫區(qū)，這表明焊縫區(qū)的強(qiáng)度稍低于母材和HAZ的。同時，焊接接頭最高抗拉強(qiáng)度為829.24MPa，為母材的97.3%；拉伸斷裂時，材料產(chǎn)生了一定的塑性變形，達(dá)到較高的屈服強(qiáng)度，屬于韌性斷裂；然而接頭的伸長率和斷面收縮率明顯小于母材的，這說明接頭的塑性低于母材的。焊接熱輸入最小的3＃接頭其塑性最好，強(qiáng)度也較好。

表4 不同工藝焊接接頭及母材的拉伸性能和斷裂位置Tab.4 Tensile properties and fracture locations of welded joints under different conditions and base metal

2.2.2 沖擊性能

由表5可知，三組試樣接頭焊縫區(qū)和HAZ沖擊 功都較大，在1 6 6～232J之間，表明 焊 接 接頭的焊縫區(qū)和HAZ韌性均較好。同時，接頭HAZ的沖擊功大于焊縫區(qū)的，這是由于焊縫區(qū)組織中存在沿晶界分布的先共析鐵素體，裂紋易在此萌生并擴(kuò)展。隨著焊接線熱輸入的增加，接頭焊縫區(qū)和HAZ沖擊功均先降低后增大。因?yàn)闊彷斎朐龃笫菇宇^HAZ區(qū)因?yàn)檫^熱導(dǎo)致晶粒變得粗大，故沖擊功降低，但熱輸入的繼續(xù)增大又會使組織中呈籃筐編織狀的針狀鐵素體晶粒增多，它們會阻礙裂紋的擴(kuò)展［9］，因此沖擊功隨之增大。X120鋼母材在常溫下沖擊功為185J，對比表6，可知三組試樣的焊縫及HAZ沖擊功均能和母材獲得良好的匹配。

表5 焊接接頭的沖擊吸收功Tab.5 The impact energy of the welded joints

從圖6可見，1＃接頭焊縫區(qū)的斷口具有典型的韌窩，韌窩數(shù)量多而密集，但韌窩較小，深度較淺，在更大的倍數(shù)下觀察，可以看見韌窩底部有微小的質(zhì)點(diǎn)，這說明了韌窩的產(chǎn)生機(jī)理為微孔聚集，同時還可以觀察到此斷口中有少量的解理形貌，因此1＃接頭焊縫區(qū)斷口為韌脆混合型斷裂；2＃接頭焊縫區(qū)的斷口有撕裂棱和解理臺階，屬于準(zhǔn)解理斷裂；3＃接頭焊縫區(qū)斷口上的韌窩較大，局部韌窩較深，且沒有解理形貌，為韌性斷裂。

由圖7可知，1＃接頭HAZ斷口上的韌窩大，局部韌窩較深，而且大韌窩周圍分布有小的韌窩，這樣交錯組合能夠有效阻止裂紋的擴(kuò)展，故其韌性好，沖擊功大，為韌性斷裂；2＃接頭HAZ斷口上存在明顯的撕裂棱和解理形貌以及少量的韌窩，少量韌窩的存在使得其韌性增加，但整體為準(zhǔn)解理斷裂；3＃接頭HAZ斷口上的韌窩較大較深，大的韌窩周圍分布較密集的小韌窩，對阻止裂紋的擴(kuò)展更加有利，為韌性斷裂［10］。

2.2.3 硬度分布

從圖8可見，由于快速加熱和冷卻，接頭各區(qū)域組織和晶粒大小不同，因而接頭各區(qū)域的硬度分布不均；與焊縫區(qū)相比，HAZ組織中針狀鐵素體多，而粒狀貝氏體少，所以HAZ的平均硬度小于焊縫區(qū)的；焊縫區(qū)存在黑色夾雜物顆粒，使得周圍發(fā)生畸變，應(yīng)力集中，導(dǎo)致焊縫區(qū)硬度變化幅度較大，出現(xiàn)峰值。硬度也可以反映韌性的大小，一般硬度越大，發(fā)生脆性斷裂的可能性越大，其韌性就越差［11］。因?yàn)?＃接頭焊縫區(qū)的硬度最高，3＃接頭焊縫區(qū)硬度最低，與其韌性大小相反，說明硬度大小可以反映其韌性好壞。同時，焊接熱輸入越大，其HAZ晶粒越粗大，軟化現(xiàn)象越明顯，因此要保證HAZ具有較好的韌性，可以選擇小的焊接熱輸入。

圖6 試驗(yàn)鋼不同工藝焊接接頭焊縫區(qū)沖擊斷口的SEM形貌Fig.6 SEM microstructure of weld zone in the welded joints 1＃（a）2＃（b）3＃（c）of test steel under different welding conditions

圖7 試驗(yàn)鋼不同工藝焊接接頭HAZ沖擊斷口的SEM形貌Fig.7 Fracture microstructure of HAZ in the welded joints 1＃（a）2＃（b）3＃（c）of test steel under different welding conditions

圖8 試驗(yàn)鋼不同工藝焊接接頭硬度分布Fig.8 The distribution of hardness of the welded joints of test steel under different welding conditions

3 結(jié) 論

（1）用自行研制的錳鎳鉬硼合金系埋弧焊焊絲焊接低碳貝氏體鋼可以得到性能良好的焊接接頭，接頭強(qiáng)度與母材相近，塑性較母材稍差，沖擊斷口為韌性斷裂。

（2）接頭焊縫組織主要為針狀鐵素體、粒狀貝氏體、少量先共析鐵素體和黑色夾雜物顆粒；HAZ區(qū)組織粗大，主要為針狀鐵素體和粒狀貝氏體；針狀鐵素體的存在，提高了焊縫和熱影響區(qū)的韌性。

（3）低碳貝氏體鋼存在一定的冷裂傾向，焊接HAZ區(qū)存在軟化問題，可以通過選擇較低的焊接熱輸入（24.81kJ·cm-1）來降低冷裂傾向和 HAZ軟化，提高接頭的韌性，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到803.63MPa，焊縫和熱影響區(qū)沖擊韌性分別為193J和232J。

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