Q345C耐候鋼多層多道焊焊接熱影響區(qū)熱模擬性能

劉 艷，劉 岳，杭宗秋，陳 輝，張志毅，武永壽，吳向陽

（1.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031；2.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111）

Q345C耐候鋼多層多道焊焊接熱影響區(qū)熱模擬性能

劉 艷1，劉 岳1，杭宗秋1，陳 輝1，張志毅2，武永壽2，吳向陽2

（1.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031；2.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111）

焊接熱影響區(qū)是焊接接頭的薄弱部位，其微區(qū)力學(xué)性能不能通過常規(guī)性能測試獲得。采用Gleeble3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)模擬Q345C耐候鋼四層四道焊熱影響區(qū)，研究每道熱影響區(qū)的微觀組織和力學(xué)性能，結(jié)果表明：四層四道焊第二道熱影響區(qū)的組織與母材相同，為鐵素體和條帶狀珠光體，其余三道熱影響區(qū)的金相組織均發(fā)生變化，為貝氏體和鐵素體組織。第二道熱影響區(qū)的硬度和強(qiáng)度最低，沖擊韌性最高。

熱模擬；四層四道焊；微觀組織；力學(xué)性能

0 前言

在焊接熱循環(huán)的作用下，焊接熱影響區(qū)組織性能分布不均勻，是焊接接頭的薄弱部位，因此深入研究熱影響區(qū)中的各區(qū)段組織性能十分必要。然而熱影響區(qū)中的各區(qū)段非常狹窄，很難單獨(dú)取出進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究。采用熱模擬技術(shù)可以在一定尺寸的試件上，模擬焊接熱循環(huán)及焊接應(yīng)力應(yīng)變對焊接熱影響區(qū)中某個(gè)區(qū)段的影響，從而研究該區(qū)段組織及性能的變化規(guī)律[1]。

付瑞東[2]采用Gleeble 3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)研究2.25Cr1Mo0.25V耐熱鋼經(jīng)歷一次和二次焊接熱循環(huán)后焊接熱影響區(qū)的微觀組織和力學(xué)性能，結(jié)果表明，經(jīng)歷一次和二次焊接熱循環(huán)以后，試樣的組織均發(fā)生粗化，且低溫沖擊韌性惡化。李紅衛(wèi)[3]研究了X60鋼級管線鋼在不同的峰值溫度和冷卻時(shí)間下的韌性和組織，結(jié)果表明，峰值溫度越高，X60鋼級管線鋼的組織越粗大，韌性越低。LIU Wen-yan[4]研究了685 MPa級含銅鋼粗晶區(qū)的組織和韌性，結(jié)果表明粗晶區(qū)的沖擊韌性顯著下降并在粗晶區(qū)的亞溫區(qū)域發(fā)生明顯脆斷。Yuming Huang[5]研究了冷卻速度對CLAM鋼熱影響區(qū)的組織和韌性的影響規(guī)律。

Q345C鋼是高速列車常用的轉(zhuǎn)向架用鋼，在熱模擬研究中，國內(nèi)外主要研究一次和二次熱循環(huán)粗晶區(qū)的組織和力學(xué)性能，對于高速列車轉(zhuǎn)向架用鋼，在其焊接工藝中常采用多層多道焊，然而每層每道的力學(xué)性能并不能通過常規(guī)的性能測試獲得。在此采用熱模擬技術(shù)對Q345C鋼四層四道焊熱影響區(qū)的微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行研究，為轉(zhuǎn)向架材料的焊接工藝的優(yōu)化提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為按歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN10025-5：2004制造的板厚12 mm的耐候鋼Q345C，化學(xué)成分見表1。

表1 Q345C的化學(xué)成分％

1.2 熱循環(huán)曲線測試

制備MAG焊標(biāo)準(zhǔn)焊接接頭進(jìn)行工藝試驗(yàn)，測量熱影響區(qū)的溫度循環(huán)峰值溫度、升溫降溫速率，焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表2 焊接工藝參數(shù)

1.3 焊接熱模擬

將根據(jù)表2的焊接工藝參數(shù)測試獲得的四層四道焊熱影響區(qū)的溫度循環(huán)峰值溫度、升溫降溫速率等熱循環(huán)參數(shù)輸入Gleeble3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)，對熱模擬后的試樣進(jìn)行鑲嵌、粗磨、拋光，用3％～4％硝酸酒精溶液腐蝕，之后采用Axio Observer A1m光學(xué)顯微鏡和QUANTA FEG 250掃描電子顯微鏡觀察其微觀組織形貌。采用HVS-30維氏硬度計(jì)測試焊接熱影響區(qū)的硬度，載荷10 kg，保荷時(shí)間10 s，每個(gè)試樣測試7個(gè)點(diǎn)，取7個(gè)點(diǎn)的平均值作為焊接熱影響區(qū)的硬度，采用DNS-300對熱影響區(qū)的拉伸性能進(jìn)行測試，獲取抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，拉伸試樣尺寸φ6 mm×150 mm。采用JWS500沖擊試驗(yàn)機(jī)對多層多道焊熱影響區(qū)的沖擊性能進(jìn)行測試，試樣尺寸10 mm×10 mm×55 mm，缺口類型為V型。

2 結(jié)果和討論

試驗(yàn)獲得的熱循環(huán)參數(shù)如表3所示。

表3 熱循環(huán)參數(shù)

Q345C鋼四層四道焊每一道熱影響區(qū)的金相組織如圖1所示。第一道熱影響區(qū)的組織為板條貝氏體、粒狀貝氏體和少量的鐵素體（見圖1a），由表3可知，第一道熱影響區(qū)在經(jīng)歷了最高加熱溫度1 350℃的熱循環(huán)之后，又經(jīng)歷了三次最高溫度為700℃的熱處理作用，后面三次焊對該區(qū)域的熱處理作用使得第一道熱影響區(qū)的組織性能得到改善。第二道熱影響區(qū)的組織為鐵素體和條帶狀珠光體（見圖1b），這類組織強(qiáng)度較低。分析認(rèn)為，第二道熱影響區(qū)工藝循環(huán)的試樣在900℃峰值溫度下（此溫度為部分相變區(qū)的上限溫度），組織為鐵素體+珠光體。在圖1b中，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，在隨后的冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的鐵素體和珠光體，在原鐵素體晶界發(fā)生部分再結(jié)晶，再結(jié)晶的鐵素體來不及長大就冷卻下來，從而細(xì)化了晶粒，并在珠光體和鐵素體組織中保留有原始帶狀組織的痕跡。第三道熱影響區(qū)的組織為板條貝氏體塊區(qū)，沿柱狀晶界析出片狀先共析鐵素體（見圖1c），由于第三道熱影響區(qū)經(jīng)歷了四次1 350℃的高溫作用，使得組織晶粒粗大，對韌性產(chǎn)生不利影響。第四道熱影響區(qū)的組織為板條貝氏體和少量鐵素體，如圖1d所示。

圖1 Q345C鋼四層四道焊熱影響區(qū)金相組織

為了更加清晰地分辨四層四道焊每一道熱影響區(qū)的組織，采用掃描電鏡觀察四層四道焊熱影響區(qū)的微觀組織，如圖2所示。第一道熱影響區(qū)的板條貝氏體方向明顯；第二道熱影響區(qū)的組織為鐵素體和條帶狀珠光體；第三道熱影響區(qū)的組織為板條貝氏體塊區(qū)，沿柱狀晶界析出片狀先共析鐵素體；第四道熱影響區(qū)的組織為板條貝氏體和少量鐵素體。

圖2 Q345C鋼四層四道焊熱影響區(qū)微觀組織

三種材料四層四道焊每一道熱影響區(qū)的硬度測試結(jié)果如圖3所示，除了第二道熱影響區(qū)的硬度值低于HV200以外，其余三道熱影響區(qū)的硬度均高于HV200，且第四道焊縫的硬度最高。這是因?yàn)榈诙罒嵊绊憛^(qū)的組織為條帶狀珠光體和鐵素體，其強(qiáng)度、硬度較低；其余幾道熱影響區(qū)的組織均為貝氏體，且第四道焊縫由于沒有后續(xù)焊縫的熱處理作用，因而硬度較高。

圖3 多層多道焊熱影響區(qū)的硬度測試結(jié)果

四層四道焊每一道熱影響區(qū)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度如表4所示。第二道熱影響區(qū)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度最低，第四道熱影響區(qū)的最高，這是因?yàn)榈诙罒嵊绊憛^(qū)經(jīng)歷了第一道的預(yù)熱作用和第三道、第四道的熱處理作用后，組織為鐵素體和條帶狀珠光體，此類組織強(qiáng)度較低，與硬度結(jié)果相符。屈強(qiáng)比是衡量鋼材脆性的指標(biāo)之一，屈強(qiáng)比越大，表明鋼材屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的差值越小，鋼材的塑性越差，脆性就越大[6]。從表4中屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的比值來看，其值約為0.80，因此四層四道焊每道熱影響區(qū)的塑性都相差很小。

表4 四層四道焊熱影響區(qū)的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

多層多道焊每道熱影響區(qū)的沖擊試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。第二道熱影響區(qū)的沖擊韌性最好，第三道熱影響區(qū)的沖擊韌性最低，這與硬度和抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果相符合，原因是第二道熱影響區(qū)的組織為鐵素體和條帶狀珠光體，這種組織強(qiáng)度低，但沖擊韌性好。

圖4 多層多道熱影響區(qū)的沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

（1）通過多層多道焊熱影響區(qū)熱模擬的組織和性能研究，四層四道焊時(shí)第二道熱影響區(qū)的金相組織為鐵素體和條帶狀珠光體，其余三道熱影響區(qū)的組織為貝氏體和鐵素體。

（2）四層四道焊第二道熱影響區(qū)的硬度和強(qiáng)度最低，沖擊韌性最好。

[1]趙敏，孫長偉，杜則裕.焊接熱模擬技術(shù)及其應(yīng)用[J].焊接技術(shù)，1999（4）：41-42.

[2]付瑞東，逯允海，楊永強(qiáng)，等.2.25Cr-1Mo-0.25V耐熱鋼焊接熱影響區(qū)熱模擬試驗(yàn)研究[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2008，28（1）：66-69.

[3]李紅衛(wèi)，彭云，何長紅，等.X60鋼級管線鋼焊接熱影響區(qū)的熱模擬研究[J].試驗(yàn)與研究，2008，37（3）：18-23.

[4]LIU Wenyan，WANGLai，LIUJibin，etal.Microstructures and Properties in Simulated Heat-Affected Zones of 685 MPa Grade Copper-Bearing Steel[J].ProceedingsofSino-Swedish Structural Materials Symposium，2007，14（5）：220-226.

[5]Yuming Huang，Xizhang Chen，Zheng Shen，et al.Measurementand analysis of SHCCT diagram for CLAM steel[J]. Journal of Nuclear Materials，2013（432）：460-465.

[6]束德林.工程材料力學(xué)性能[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

Thermal simulation performance of multi-pass welding heat affected zone of Q345C weathering steel

LIU Yan1，LIU Yue1，HANG Zongqiu1，CHEN Hui1，ZHANG Zhiyi2，WU Yongshou2，WU Xiangyang2
（1.School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.CSR SIFANG Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China）

HeatAffectedZone（HAZ）isaweakregioninweldingjoint.However，themechanicalpropertiesinmicro-zonecannotbeobtainedby conventional methods.Gleeble 3500 thermal simulation machine is used to simulate HAZ of four layers and four channels of Q345C steel. MicrostructureandmechanicalpropertiesofeachchannelHAZareinvestigated.Theresultsshowthatthemicrostructureofthesecondchannel HAZissimilartothatofbasemetal，whichiscomposedofferriteand banded pearlite.ThemicrostructureofotherthreechannelsHAZchanges duringtheweldingprocess，which iscomposed ofbainite and ferrite.The hardness and strength ofthe second channelare the lowest，while the impacttoughnessisthehighest.

thermal simulation；four layers and four channels welding；microstructure；mechanical properties

TG407

A

1001－2303（2016）06－0089-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.18

2016-05-18

劉艷（1985—），女，江西宜春人，工程師，博士，主要從事高速列車焊接工藝、焊接結(jié)構(gòu)等研究工作。