焊接熱輸入對高強鋼焊條焊縫組織和力學性能的影響

蔡養川，羅 震

（天津大學 材料科學與工程學院，天津 300072）

焊接熱輸入對高強鋼焊條焊縫組織和力學性能的影響

蔡養川，羅 震

（天津大學 材料科學與工程學院，天津 300072）

針對PCrNi3MoVA中碳調質鋼，研制一種Cr-Ni-Mo-V合金系高強鋼焊條。通過觀察焊縫金屬金相組織、測量焊縫金屬抗拉強度和沖擊韌性，研究了焊接熱輸入對研制出的高強鋼焊條性能的影響。研究結果表明：焊接電流超過220 A，隨焊接電流的增大焊縫金屬組織中針狀鐵素體逐漸減少，且組織晶粒逐漸粗大，力學性能逐漸惡化。綜合考慮焊接熱輸入對焊縫金屬性能的影響，選擇焊接電流為220 A左右較為合適。

焊接；高強鋼焊條；焊接熱輸入；PCrNi3MoVA；Cr-Ni-Mo-V合金系

0 前 言

隨著我國高強鋼消費量的快速增長，高強鋼焊接材料的用量也隨之增加。目前，我國電焊條的使用量占全部焊接材料的70%左右。其中高強鋼焊條作為重要的高強鋼焊接材料，在化學工業、石油化學工業、粉末冶金和新型食品殺菌等行業的焊接生產中得到了廣泛應用[1-4]。國內對高強鋼焊條的研究也有了長足的進展，但與國外知名品牌的高強鋼焊條相比其綜合性能仍有許多不足。合理的焊接熱輸入和預熱溫度能改善焊縫金屬的力學性能，提高焊接質量。一般認為，焊接熱輸入與焊接電流、電壓、焊接速度有關，同時合理的熱處理工藝也可以改善焊縫金屬的力學性能[5-9]。本研究針對PCrNi3MoVA中碳調質鋼，在Cr-Ni-Mo-V合金系的基礎上，研制出一種高強鋼焊條。通過系統改變該焊條焊接時的熱輸入量，研究了熱輸入對高強鋼焊條力學性能的影響，確定最佳的熱輸入值。該研究對進一步推進高強鋼焊條的開發和應用具有重要意義。

1 焊條設計

針對PCrNi3MoVA中碳調質鋼，基于鋼中Cr，Ni，Mo和V的基本成分，設計了高強鋼焊條。試驗用焊芯選用φ5.0 mm的H08E型。焊條熔敷金屬和H08E型焊芯的化學成分見表1。

堿性渣系具有硫磷雜質含量少和焊縫抗裂性能好的優點，因此試驗焊條選用堿性低氫型渣系。

焊條藥皮組成為常用的礦物粉和合金劑，粘結劑為鈉鉀水玻璃。成型后焊條外徑為8.0 mm，焊前經350℃×1 h烘干后使用。

試驗用Newasia WS－630D數字化焊機，焊接電流180～240A，焊接電壓25±5V，直流反接。

表1 H08E型焊芯和焊條熔敷金屬的化學成分 %

2 試驗材料與方法

通過改變焊接電流值，在相同的電壓和焊接速度下進行焊接試驗，考察不同的焊接熱輸入對焊縫組織及性能的影響。焊接電流為220～280 A，分為4組，每組變化為20 A。試驗焊接參數見表2。

采用XJP－300型金相顯微鏡和Quanta200型掃描電子顯微鏡對焊縫金屬微觀組織進行觀察；通過微機控制電子萬能試驗機和JB－W型微機控制沖擊試驗機對焊縫金屬的力學性能進行測試。根據所得的不同電流時焊縫金相組織和力學性能選擇最佳的焊接參數。

表2 焊接工藝參數

3 試驗結果與分析

3.1 金相組織

圖1 XJP－300型金相顯微鏡觀察到的焊縫金屬組織

通過XJP－300型金相顯微鏡觀察到的焊縫金屬組織如圖1所示。由圖1可以看出，當焊接電流為220 A時，焊后得到的焊縫金屬組織主要為針狀鐵素體和下貝氏體組織，且組織分布均勻、晶粒度較為細小；但當焊接電流值大于220 A時，隨著電流值的升高，焊縫金屬組織中針狀鐵素體含量逐漸減少，而高溫轉變產物（先共析鐵素體逐漸增加），且焊縫金屬組織晶粒度逐漸變得粗大，分布不均勻。因此，焊接電流為220 A時，獲得的焊縫金屬組織最佳。

3.2 力學性能

試驗獲得的4組試樣力學性能測試結果見表3。拉伸試驗和沖擊試驗獲得的試樣斷口微觀組織形貌如圖2所示。

表3 焊縫金屬力學性能

圖2 焊縫金屬試驗斷口微觀形貌

由表3和圖2可知，當焊接電流為220 A時，焊縫金屬的強度和韌性值均較高，拉伸試驗和沖擊試驗獲得的試樣斷口呈典型的韌性斷裂形貌，斷口中韌窩數量較多、尺寸較小、深度較深、分布較均勻；但當焊接電流大于220 A時，隨著焊接電流的增加，焊縫金屬的強度和韌性值均降低，且拉伸試驗和沖擊試驗獲得的試樣斷口微觀形貌中韌窩逐漸變少、變淺，并開始出現部分脆性斷裂形貌——河流狀解理花紋，且脆性斷裂形貌所占的比例逐漸升高。

產生上述結果最主要的原因是：①隨著焊接電流的升高，焊縫金屬組織中針狀鐵素體含量逐漸減少，先共析鐵素體逐漸增多。由于針狀鐵素體比較細小，取向自由，呈大角度晶界，具有較強的抗裂紋擴展能力；又因針狀鐵素體板條之間為大角度晶界，且含有高密度位錯，微裂紋解理跨越針狀鐵素體要消耗較高的能量[10-12]。因此這種組織不僅可以提高焊縫金屬的強度，而且能夠顯著提高焊縫金屬的沖擊韌性。而先共析鐵素體是奧氏體的高溫轉變產物，為低屈服點的脆性相，因而會使焊縫金屬的韌性降低。②隨著焊接電流的升高，焊縫金屬組織晶粒度逐漸粗大，其逐漸呈塊狀分布。均勻細小的組織對位錯的擴展產生比較大的阻礙作用，提高焊縫金屬的強度和韌性。而粗大的塊狀分布的組織會產生應力集中，顯著降低焊縫金屬的沖擊韌性[13-16]。

3.3 焊縫脫渣性能

組織和性能最優的A1組試驗焊條焊后焊縫脫渣前后的宏觀形貌如圖3所示。

圖3 A1組試驗后焊縫脫渣性能對比

由圖3可已看出，A1組焊條焊后脫渣性能優良，保證了本試驗研制的高強鋼焊條在進行大厚板焊接時能夠獲得較高焊接質量的焊接接頭。

4 結 論

（1）當焊接電流為220 A時，所研制的高強鋼焊條焊縫金屬組織最佳，為大量針狀鐵素體和少量的下貝氏體組織。

（2）當焊接電流為220 A時，所研制的高強鋼焊條焊縫金屬力學性能最佳，不僅具有較高的強度，還具有比較高的沖擊韌性。

（3）當焊接電流為220 A時，所研制的高強鋼焊條焊后脫渣性能較佳，保證該試驗焊條在進行大厚板焊接時獲得較高焊接質量的焊接接頭。

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Effect of Heat Input on Weld Microstructure and Mechanical Properties Prepared by High-strength Steel Electrode

CAI Yangchuan，LUO Zhen
(College of Materials Science and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Aiming at PCrNi3MoVA medium carbon quenched and tempered steel,a kind of Cr-Ni-Mo-V alloy system high-strength steel electrode was developed.By observing the microstructure of weld metal,measuring tensile strength and impact toughness of weld metal,the effect of welding heat input on the properties of high strength steel welding electrode was studied.The results showed that when the welding current is higher than 220 A,the amount of acicular ferrite gradually reduce,the organization grain gradually enlarge and mechanical properties gradually deteriorate with the increase of welding current.To comprehensively consider the effect of heat input on the weld metal performance,the welding current about 220 A is more appropriate.

welding;high strength steel welding electrode;heat input;PCrNi3MoVA;Cr-Ni-Mo-V alloy system

TG422.1

A

1001－3938（2015）05-0009-04

蔡養川（1987—），男，博士研究生，主要從事焊接材料方面的研究工作。

2014-10-28

謝淑霞