預變形對Q235焊接組織熱影響區的影響

吳珞菲（上海交通大學材料科學與工程學院,上?！?00240）

預變形對Q235焊接組織熱影響區的影響

吳珞菲
（上海交通大學材料科學與工程學院,上海200240）

摘要：熔化極氣體保護焊是一種常用的焊接技術。本文基于該技術研究預變形對Q235焊接熱影響區的影響。結果表明預變形焊接件獲得了更為均勻的焊接組織。

關鍵詞：變形；熔化極氣體保護焊；熱影響區

1　導論

某汽車公司在進行某種底盤設計時考慮在沖壓件的曲面進行焊接，曲面中心角為90°。由于沖壓過程中板料在模具里受力發生塑性變形，因而該問題轉化為研究在變形件上的焊接。本論文中主要敘述變形對材料焊接熱影響區的影響，研究材料為普通碳素結構鋼Q235，具有較高的強度和良好的塑性、韌性和冷沖壓性能、冷彎性能，且冶煉方便，成本較低，可焊性好，且焊后接頭塑性和沖擊韌性良好，廣泛應用于一般要求的零件、鋼筋混凝土結構和焊接結構。

目前已有的變形件上的焊接研究僅限于反變形法，以控制焊后變形的產生。例如，基于固有應變理論下的熱彈塑性有限元模型，MURAKAWA等[1]得出9mm板上單面焊接熱輸入為880J/mm的T型焊接(T-joint)中產生的角變形約為1.7°。然而本課題研究的變形件變形量較大，為直角變形，因而需要考慮塑性變形的影響。塑性變形宏觀表現為硬度和抗拉強度增強而疲勞性能變差，微觀表現為位錯密度增加。從熱力學角度來講，變形后晶粒形變能增加，故再結晶溫度降低[2]。

2　試驗方法和內容

2.1焊接試驗母材

實驗母材為普通碳素鋼Q235，厚度4mm?；瘜W成分為0.17wt%C，1.4wt%Mn，0.03wt%P，0.03wt%S，余量為Fe。母材微觀組織如圖1所示。可以觀察到粗晶鐵素體和晶間珠光體，具有典型的珠光體鋼的結構。

2.2焊接方案的確定

實驗采用熔化極活性氣體保護焊配合焊接機器人來完成焊接。采用焊接保護氣成分為96%Ar+3%CO2+1%H2，焊絲由Castolin Eutectic公司提供，直徑1.2mm，型號Arianox73499-12，符合歐洲標準 ENISO14341-A:G464M G3Si1。

對于鋼板采用90°彎折，設定錯開焊接距離d為8mm，預測使熱影響區位于最大形變區，即90°彎折區。錯開距離d的示意圖如圖2所示。經試焊，選擇余高小、未焊透、表面微凸的焊道[3]，相應的無變形焊接和變形后焊接參數均為焊槍速度4mm/s，送絲速度為5m/min，電壓為23V。獲得的宏觀形貌見圖3，并驗證d=8mm時熱影響區處于最大形變區。

3　Q235焊接件焊接組織

3.1T型焊接件焊接組織

觀察T型樣品第二條焊縫（圖3(a)中左邊焊縫）的焊趾區域，依次可得熔化區，部分熔化區，熱影響區的粗晶區(CGHAZ)、細晶區(FGHAZ)等。各區域組織見圖4，是典型的低碳鋼焊接組織[3,4]。其中，熱影響區主要由鐵素體和珠光體組成，該區域有較好的塑性和韌性。

在觀察時標記熱影響區不同區域邊緣坐標并計算各區域大小，其中粗晶區區域寬度約為1700μm，細晶區約為300μm，如圖4(d)所示。

3.2預變形焊接件焊接組織

d為8mm時熱影響區處于最大形變區，其各區域組織類似T型焊接組織。但是區域寬度有所變化。粗晶區寬度約為1300μm，細晶區寬度約為1100μm。圖5顯示該細晶區中晶粒比T型焊接中的粗大。

3.3預變形對焊接組織熱影響區的影響

總結兩種焊接接頭中熱影響區寬度及形貌，得出變形后焊接件中，粗晶區寬度減幅不大，而細晶區寬度增大。然而細晶區晶粒比T型焊接中細晶區晶粒大。原因是室溫形變時，鐵素體內儲存的形變能高，有利于再結晶，且變形后再結晶溫度降低造成細晶區溫度范圍增大，區域寬度增大。同時在細晶溫度范圍停留時間更久，造成晶粒生長。此外，文獻表明[5]，在冷變形過程中由于珠光體團的碎化，可能出現粒子促進形核而一定程度加速再結晶。這也可能加劇在最大形變區的熱影響區范圍擴大并且晶粒一定程度的生長。

4　結論

實驗得出在Q235變形后焊接件中，合理的焊接參數為焊槍速度4mm/s，送絲速度5m/min，電壓23V。變形后焊接工藝能增大細晶區域但使細晶晶粒稍微粗化。變形后焊接接頭組織更加均勻，因此預變形能優化接頭焊接組織分布。

參考文獻：

[1]MURAKAWA,Hidekazu,DENG,Dean,MA,Ninshu,etal.Applications of inherent strain and interface element to simulation of welding deformation in thin plate structures. Computational Materials Science, 2012,vol.51,no 1,p.43-52.

[2]YAMAZAKI, Seiya, LU, Zhanpeng,ITO,Yuzuru,et al.The effect of prior deformation on stress corrosion crackinggrowth rates of Alloy 600 materials in a simulated pressurized water reactor primary water.Corrosion Science,2008,vol.50,no 3,p.835-846

[3]KOU,Sindo.Welding metallurgy(second edition).New York, Wileyinterscience.1987:136-137

[4]WEMAN, Klas. Procédés de soudage. Dunod, 2012.

[5]楊平,高鵬,崔鳳娥,等.低碳鋼壓縮變形時的形變不均勻性及其對鐵素體轉變的影響[J].塑性工程學報,2004,11(03):15-21.

作者簡介：吳珞菲(1990—)，女，碩士生，研究方向：電弧焊焊接工藝。