高強鋼焊條中Ni含量對焊縫組織和性能的影響

蔡養川，羅 震

（天津大學 材料科學與工程學院，天津300072）

高強鋼焊條中Ni含量對焊縫組織和性能的影響

蔡養川，羅 震

（天津大學 材料科學與工程學院，天津300072）

基于Ni-Cr-Mo-V合金體系，研究了800 MPa高強鋼焊條中Ni含量對焊縫組織和性能的影響。研究結果表明，當w（Ni）＜4.0%時，隨著Ni含量的增加，焊縫金屬強度和韌性逐漸升高；當w（Ni）＞4.0%時，隨著Ni含量的增加，焊縫金屬強度逐漸升高，而韌性逐漸降低。焊縫熔敷金屬中w（Ni）=4.0%時，可以有效地抑制先共析鐵素體的析出，使焊縫獲得大量細小、均勻的針狀鐵素體組織，從而提高了焊縫的強度和韌性。

焊接；Ni-Cr-Mo-V合金；Ni；800 MPa高強鋼焊條

Ni-Cr-Mo-V系合金鋼既具有較高的強度，又具有良好的塑性和韌性，因此得到廣泛應用[1-2]。實踐表明，焊接加工是影響高強度結構鋼質量的關鍵，且低合金高強度鋼焊接接頭的韌性是焊接結構使用性能的重要指標，特別是針對800 MPa級以上的高強度鋼，如何在滿足強度要求的條件下提高焊接接頭的韌性儲備一直是焊接工作者研究的熱點課題之一。

Ni是形成和穩定奧氏體的元素，Ni和Fe以互溶的形式存在于奧氏體和鐵素體中，并使之強化，且Ni是唯一能降低沖擊轉變溫度、提高低溫沖擊韌性的合金元素，它通過細化鐵素體相晶粒改善鋼在低溫下的韌性[3-9]。Ni含量在一定范圍變化時抑制先共析鐵素體的產生，促進針狀鐵素體的形核，對韌性具有較大的促進作用[10]。

本研究利用自主開發的800 MPa高強鋼焊條，通過試驗研究Ni對高強鋼焊條焊縫組織和力學性能的影響，確定Ni的最佳含量，為研制綜合性能優良的先進焊接材料提供試驗和理論依據。

1 試驗方法

1.1 材料制備及焊接方法

焊條焊芯采用H08E，直徑為5.0mm。選用TL-25型焊條涂粉機將按一定比例均勻混合而成的合金粉末涂抹在焊芯上，加工成直徑5.0mm、長約450mm的焊條，再經低溫80℃×2 h，中溫150℃×1 h，高溫350℃×2 h熱處理成形。焊前經過350℃×1 h烘干后使用。其配方原則是藥皮中Ni粉含量逐漸增加，其他合金成分（Cr和Mo粉）含量不變，余量為大理石、螢石、石英、金紅石、鈦白粉電解錳和45號硅鐵等礦物質混合物，其藥皮成分配比見表1。

采用Newasia WS-630D焊機在Q235試樣上實施堆焊，試樣尺寸160mm×120mm×20mm。焊接電流160～240 A，電壓20～25 V，焊接速度約180mm/min，連續堆焊10～15層，層間溫度控制在250℃左右，堆焊厚度不小于15mm，制取試樣。

表1 藥皮中各成分的質量分數 %

1.2 顯微組織及力學性能試驗

用Neophot21顯微鏡觀察焊縫金屬組織；用JSM-840進行掃描電鏡試驗；用D8ADVANCE型X射線衍射儀確定焊縫金屬組織的物相組成。用萬能電子拉伸試驗機測定強度；用XJL-300B型落錘沖擊試驗機測定沖擊吸收功；用HR-150A型洛式硬度計測定試樣宏觀硬度，測試試樣不同區域的7個點硬度，去掉一個最高點，去掉一個最低點，剩下5點數據的平均值即為焊縫金屬的硬度值。

1.3 擴散氫含量測定

熔敷金屬擴散氫含量測定應按GB/T 3965—1995《電焊條熔敷金屬中擴散氫測定方法》進行，選擇水銀法試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 焊縫金相組織

合金元素影響熔敷金屬組織，而熔敷金屬組織決定其力學性能，因此明確合金元素Ni對熔敷金屬組織的影響規律是非常必要的。不同Ni含量熔敷金屬的組織結構如圖1所示。

圖1 不同Ni含量熔敷金屬的組織結構

由圖1可以看出，Ni含量較低時，熔敷金屬組織中含有較多的先共析鐵素體；當w（Ni）≤4.0%時，隨著Ni含量的增加，熔敷金屬中先共析鐵素體含量逐漸減少，針狀鐵素體含量逐漸增多，且組織晶粒度也逐漸均勻細??；當w（Ni）＞4.0%時，隨著Ni含量的增加，熔敷金屬中針狀鐵素體含量逐漸減少，且出現少量先共析鐵素體。主要是由于Ni是形成和穩定奧氏體的元素，可以抑制先共析鐵素體的產生，促進針狀鐵素體的產生。

2.2 焊縫金屬組織力學性能

不同Ni含量時各組熔敷金屬力學性能見表2。熔敷金屬力學性能與Ni含量關系曲線如圖2所示。

圖2 熔敷金屬力學性能與Ni含量的關系曲線

由表2和圖2可以看出，當w（Ni）＜4.0%時，隨著Ni含量的增加，熔敷金屬的強度和沖擊韌性均逐漸增加；當w（Ni）＞4.0%時，隨著Ni含量的增加，熔敷金屬的強度逐漸增加，而沖擊韌性逐漸降低。這主要是因為Ni是形成和穩定奧氏體的元素，Ni和Fe以互溶的形式存在于奧氏體和鐵素體中，抑制先共析鐵素體的產生，促進針狀鐵素體的產生。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。這種組織不僅提高焊縫金屬的強度，而且能都顯著提高焊縫金屬低溫沖擊韌性。

2.3 焊縫金屬斷口微觀形貌

本研究通過拉伸試驗和常溫沖擊試驗獲得4組試樣抗拉強度、屈服強度、伸長率、斷面收縮率和沖擊功等數據，以及試樣斷口微觀形貌組織。不同Ni含量時各組試樣斷口的微觀形貌如圖3所示。

由圖3看出，當w（Ni）＜4.0%時，隨著Ni含量增加，試樣斷口微觀形貌中韌窩數量逐漸增多，尺寸變小，深度增加，分布更均勻；當w（Ni）＞4.0%時，隨著Ni含量的增加，試樣斷口微觀形貌中韌窩的數量逐漸減少，尺寸變大，深度降低；當w（Ni）=4.0%時，試樣斷口中韌窩數量達到最大值，尺寸細小，深度較深，分布均勻。這與上面分析熔敷金屬的韌性與Ni含量的關系相似。

2.4 焊縫金屬冷裂紋傾向

焊后裂紋產生的原因主要有擴散氫、淬硬性以及焊后微觀殘余應力等，本研究從以下三個方面分析試樣的裂紋傾向性。

2.4.1 擴散氫含量

不同Ni含量時各組試樣焊縫金屬中擴散氫的含量如圖4所示。

由圖4可以看出，雖然4組試樣擴散氫含量有所差異，但差別不大，基本都在3.3 mL/100 g左右，且均滿足超低氫的標準要求。

2.4.2 淬硬性

硬度是力學性能的重要指標，與金屬的組織結構密切相關，硬度越高其脆性逐漸增大。

圖3 不同Ni含量試樣斷口的微觀形貌

圖4 不同Ni含量焊縫金屬中擴散氫的含量

不同Ni含量時各組試樣焊縫金屬的宏觀硬度如圖5所示。

圖5 不同Ni含量焊縫金屬的宏觀硬度

由圖5可以看出，隨著焊縫金屬中Ni含量的增加，焊縫金屬宏觀硬度逐漸增加。主要是因為熔敷金屬中Ni含量的增加導致碳當量的增加，因此熔敷金屬的硬度提高。

2.4.3 微觀殘余應變

對4組試樣焊縫金屬的顯微組織進行XRD物相分析試驗，結果如圖6所示。

圖6 4組試樣焊縫金屬的物相組成

從圖6可以看出，4組試樣焊縫金屬的物相都是α-Fe，即鐵素體。盡管焊縫金屬中含有多種微合金化元素Mn，Cr，Ni和Mo等，在焊接過程中形成一些微量相，但由于其含量太低，采用X射線衍射方法無法觀察到明顯的衍射峰。然而，根據不同合金元素配比下衍射峰的數值差異，采用MDI Jade5.0對4組試樣焊縫金屬的晶胞參數和微觀應變進行比較，可以分析出合金元素對焊接接頭性能的影響。

不同Ni含量時焊縫組織中的點陣常數精確測量值見表3。

表3 不同Ni含量時焊縫組織的晶格畸變量

表3中(a-a0)/a0×100表示晶胞參數相對變化量，a0為α-Fe在25℃時晶胞參數（a0=2.866 4 A）。從表3可以看出，合金元素含量與焊縫組織基體的晶胞參數值有一定關系，合金元素含量高時，焊縫金屬的晶胞參數相對較高；合金元素含量低時，焊縫金屬的晶胞參數相對較低。這主要是因為合金元素Mn，Cr，Ni和Mo等原子溶入基體，造成了基體晶格畸變，而不同試驗組由于合金元素的含量不同，合金原子的固溶度不同，故晶格畸變量不同。

比較4組試樣的試驗結果可以發現，4組試樣出現不同程度的晶胞參數增加的情況，即存在晶格正向應變，在這一范圍內存在微觀壓應力。晶格參數變化量的絕對值越小，引起的晶格畸變量也越小，使得其焊縫組織應力分布更均勻；而晶格參數變化量的絕對值越大時，引起的晶格畸變量也越大，增加了焊接殘余應力，加大了焊件的冷裂傾向。

本試驗中4組試驗焊縫組織衍射峰寬度的變化（見圖6）主要是由于微觀應變的變化引起的。不同Ni含量時焊縫組織中的微觀應變計算結果見表4。

表4 不同Ni含量時焊縫組織中的微觀應變

表4的微觀應變分析結果與表3的晶格畸變分析結果大體一致，即對不同Ni含量的4組試樣，在焊縫組織中均存在晶粒尺寸的微觀應變，這種應變主要為正向的，且在數值變化上有較大差別。微觀應變和晶格畸變數值上的變化大致反映了Ni含量的影響。

通過對試驗用高強鋼焊條的熔敷金屬進行擴散氫含量測定、宏觀硬度測定和微觀應變測定等發現，最優試驗組A3雖然擴散氫含量較低，微觀應變值較小，但宏觀硬度值較高，具有一定的脆硬傾向，焊接時存在產生冷裂紋的危險。因此，采用A3組焊條進行焊接時要合理地選擇焊接工藝，降低焊縫金屬的冷裂傾向。

3 結 論

（1）w（Ni）=4.0%時， 獲得的焊條熔敷金屬具有最優組織，主要為大量均勻、細小的針狀鐵素體組織。

（2）w（Ni）=4.0%時， 獲得的焊條熔敷金屬具有最優力學性能，屈服強度717 MPa，抗拉強度808 MPa，伸長率27%，斷后收縮率74%，25℃沖擊功117 J。

（3）最優組焊條（w（Ni）=4.0%）具有一定的冷裂傾向，使用時應選用合適的焊接工藝。

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Effect of Nickel Element on Weld Microstructure and Mechanical Properties of High-strength Steel Electrode

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

Based on Ni-Cr-Mo-V alloy system,it studied the effect of nickel on weld microstructure and mechanical properties of 800 MPa high strength steel electrode.The results showed that whenw（Ni）＜4.0%,the weld metal strength and toughness gradually increased with the increase of the content of Ni;whenw（Ni）＞4.0%,the weld metal strength gradually increased and the toughness gradually decreased with the increase of Ni.It can effectively inhibit the precipitation of proeutectoid ferrite and make the weld obtain a large number of tiny and homogeneous acicular ferrite whenw（Ni）=4.0%,thus improved the weld metal strength and toughness.

welding;Ni-Cr-Mo-V alloy;Ni;800 MPa high-strength steel electrode

TG422.1

A

1001－3938（2015）04-0005-06

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