閃光對焊工藝對耐蝕螺紋鋼HRB400M焊接接頭組織和性能的影響

李經(jīng)緯，張 宇，張建春，王 納，麻 晗

（江蘇省（沙鋼）鋼鐵研究院，江蘇張家港215625）

閃光對焊工藝對耐蝕螺紋鋼HRB400M焊接接頭組織和性能的影響

李經(jīng)緯，張 宇，張建春，王 納，麻 晗

（江蘇省（沙鋼）鋼鐵研究院，江蘇張家港215625）

采用不同參數(shù)對直徑25 mm的耐蝕性螺紋鋼HRB400M進行閃光對焊試驗，依據(jù)組織和力學性能分析，確定最佳焊接工藝為：調(diào)伸長度21 mm，閃光輸出功率68 kW，閃光速度0.8 mm/s，閃光留量12 mm，帶電頂鍛時間0.1 s，頂鍛壓力65 MPa；并采用焊前預熱和焊后回火工藝。焊縫中心線兩側(cè)的鐵素體區(qū)是焊接接頭最薄弱的部位，通過工藝調(diào)整可消除不良組織，獲得性能優(yōu)異的焊接接頭。

耐蝕螺紋鋼HRB400M；閃光對焊；顯微組織；抗拉性能

0 前言

閃光對焊是一種方便、高效、可靠性高的自動化固相焊接方法，廣泛應用于火車、長輸管線、建筑鋼結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域[1]。閃光對焊與熔焊相比有以下優(yōu)點：（1）閃光過程可在接頭處形成自保護區(qū)[2]，減少界面金屬氧化，頂鍛時能將界面氧化物完全擠出，獲得純凈的接頭組織；（2）無需填充金屬和保護氣體；（3）沒有熔池，熱影響區(qū)小，缺陷少。

通過Cr的合金化使得其抗海水腐蝕能力相比普通HRB400螺紋鋼提升3倍，且成本增加不超過30%[3]，在很多沿海工程中逐漸開始取代傳統(tǒng)不銹鋼。HRB400M碳當量為2.5（采用IIW計算公式），焊接難度大，而目前國內(nèi)對高合金鋼閃光焊研究尚不夠深入[4]。在此針對直徑25 mm的HRB400M進行閃光對焊工藝研究，分析閃光對焊工藝方法對接頭組織的影響規(guī)律，得到滿足工程應用的最佳焊接工藝。

1 試驗材料及方法

試驗用材料是沙鋼新研制的HRB400M耐海水腐蝕螺紋鋼，直徑25mm，其化學成分如表1所示。抗拉強度為570～580 MPa。

表1 HRB400M化學成分Table 1 Chemical composition of HRB400M %

焊接試驗設(shè)備為UNS-150氣液增壓式閃光焊機，額定功率150 kW，氣源壓力0.7 MPa，最大頂鍛力30 kN，該設(shè)備具有電阻預熱和回火功能。

金相試樣經(jīng)熱鑲、磨拋、鹽酸偏重亞硫酸鈉溶液腐蝕，使用蔡司光學顯微鏡（OM）進行觀察。采用Instron Tukon 2100B型維氏硬度計進行硬度測試，載荷為5 kg。拉伸試驗在載荷為1 200 kN的Instron拉伸試驗機上進行，拉伸性能各項數(shù)據(jù)為3個試樣測試值的算術(shù)平均值。

在前期大量工藝試驗基礎(chǔ)上，確定初步工藝參數(shù)，針對頂鍛壓力、熱處理制度按如表2所示的工藝參數(shù)進行焊接優(yōu)化試驗。預熱是通過將待焊件接觸通電的方式，利用接觸電阻熱將待焊端面加熱至400℃；回火是在頂鍛維持階段再次通電，利用電阻熱對電極間的焊件進行整體加熱。伴隨二次頂鍛現(xiàn)象（采用頂鍛壓力控制），通過工藝試驗確定最佳回火參數(shù)為：頂鍛后間隔時間2 s，回火熱量45 kW，持續(xù)時間0.6 s。

表1 閃光對焊工藝參數(shù)Table 1 Flash butt welding parameters used

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 接頭低倍形貌及組織特征

典型焊接接頭宏觀形貌如圖1所示。根據(jù)特征，截面可劃分為母材（BM）、熱機影響區(qū)（TMAZ）和焊縫區(qū)（WZ）三個部分[5]。不同區(qū)域的顯微組織特征如圖2所示，BM組織為多邊形鐵素體+帶狀貝氏體，硬度190～200 HV；TMAZ組織為再結(jié)晶鐵素體+形變帶狀貝氏體，硬度200～230 HV；WZ組織可細分為貝氏體區(qū)（B）和鐵素體區(qū)（F），其中B區(qū)特征是沿焊縫界面連續(xù)分布的一層貝氏體帶，硬度不低于230 HV，而F區(qū)是分布于B區(qū)兩側(cè)的以鐵素體為主的相區(qū)，硬度在155～210 HV較大范圍內(nèi)變化，主要取決于其中貝氏體所占比例和晶粒形態(tài)，通常是焊接接頭的薄弱部位[6]。

WZ是在焊接熱循環(huán)中發(fā)生完全奧氏體相變的區(qū)域，并在頂鍛過程中發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，其獨特形貌可能與焊接過程中奧氏體的不均勻轉(zhuǎn)變有關(guān)。閃光焊時焊縫軸向具有大的溫度梯度和變形能梯度，焊縫中心溫度、形變能最高，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變由兩側(cè)向焊縫中心進行，由于面心立方對碳的溶解度較體心立方大，相變過程中伴隨有碳的偏聚，鐵素體首先在WZ兩側(cè)析出，形成F區(qū)，焊縫中心殘留較多的碳，形成B區(qū)。

圖1 焊接接頭典型橫截面低倍形貌Fig.1 Typical macro-structure of the flash butt welded joint

典型拉伸斷裂接頭的金相組織如圖3所示。裂紋貫穿F區(qū)，F(xiàn)區(qū)由于其間僅含有少量的粒狀貝氏體，與含有連續(xù)帶狀貝氏體的母材相比，F(xiàn)區(qū)更容易發(fā)生裂紋的萌生和擴展，是整個焊接接頭最薄弱的部位。試驗探究工藝對焊縫中心組織性能的影響規(guī)律，以期通過工藝手段減少或消除F區(qū)的不良影響。

圖2 焊接接頭典型顯微組織Fig.2 Typical microstructure of the flash butt welded joint

圖3 典型拉伸斷裂接頭的金相組織Fig.3 Typical microstructure of welded joint of tensile failure

2.2 頂鍛壓力對焊接接頭組織和性能影響

不同頂鍛壓力對焊接接頭顯微組織影響如圖4所示，其中虛線所示為WZ寬度。

對比可知：（1）頂鍛壓力小于65 MPa時，WZ隨著頂鍛力加大不斷變窄；（2）頂鍛壓力大于65 MPa時，WZ寬度隨頂鍛壓力增加不再有明顯變化；（3）頂鍛壓力大于72MPa時，位于焊縫中心的B區(qū)部分或完全消失。

不同頂鍛壓力對接頭抗拉強度的影響如圖5所示。隨頂鍛壓力提升，接頭抗拉強度先升高后降低，并在頂鍛壓力65 MPa時達到最高值552 MPa，但尚未達到母材強度。

頂鍛壓力提升時，高溫奧氏體化組織被更多地擠出，冷卻后形成較窄的WZ；但當頂鍛壓力達到一定程度后，這種擠出作用接近極限，故WZ寬度隨壓力提升先減小后不變。焊縫中心B區(qū)的形成與溫度梯度和形變能梯度相關(guān)，當頂鍛壓力過小或過大時，焊縫中心的B區(qū)表現(xiàn)為不連續(xù)甚至消失，究其原因：頂鍛量過小，僅存在溫度梯度，驅(qū)動力并不足以使C產(chǎn)生偏聚，同時因高溫奧氏體化組織沒有被完全擠出，焊縫中心存在明顯的脫C現(xiàn)象；頂鍛量過大，高溫奧氏體化組織被大量擠出，反而降低了軸向溫度梯度，C向焊縫中心偏聚的驅(qū)動力不足，因而形成均勻析出的等軸貝氏體晶粒。

接頭強度隨WZ寬度減小而升高，這是因為F區(qū)（軟化區(qū)）寬度也隨之不斷減小；當頂鍛壓力過大時，雖然WZ寬度沒有明顯變化，但由于缺少了B區(qū)的阻隔，裂紋可以貫穿焊縫中心在兩側(cè)的F區(qū)進行擴展，相當于擴大了軟化區(qū)的寬度，導致接頭性能降低[7]。

2.3 熱處理制度對焊接接頭組織和性能影響

圖4 不同頂鍛壓力對焊接接頭顯微組織影響Fig.4 Effect of different upsetting pressures on microstructures of the welded joints

圖5 頂鍛壓力對接頭抗拉強度的影響Fig.5 Effect of upsetting pressure on tensile strength of the welded joints

不同熱處理制度對焊接接頭顯微組織影響如圖6所示。對比可知：（1）預熱后WZ寬度明顯減小，同時WZ周邊的貝氏體能保持帶狀連續(xù)分布形態(tài)；（2）預熱加回火可得到極窄的WZ，基本消除焊縫中心兩側(cè)的F區(qū)。

預熱和回火工藝組合對焊接接頭抗拉強度的影響如圖7所示。通過熱處理能顯著提高接頭強度，當采用預熱+回火方法時，焊接試樣平均抗拉強度為575 MPa，拉伸斷裂均位于母材，并為塑性斷裂。

閃光焊焊接過程中及結(jié)束后焊件均具有較高的軸向溫度梯度，且本試驗材料散熱較慢，是發(fā)生C偏聚行為的主要原因。預熱能改善接頭軸向溫度梯度[8]，軟化TMAZ[9]，促進頂鍛擠出作用，在獲得較窄WZ的同時，降低碳原子偏聚的驅(qū)動力，使WZ及周邊區(qū)域保留下較多的連續(xù)帶狀貝氏體。

圖6 不同熱處理制度對焊接接頭組織影響Fig.6 Effect of different heat treatments on microstructure of the flash welded joints

圖7 預熱和回火對焊接接頭抗拉強度的影響Fig.7 Effect of preheating and tempering on tensile strength of the welded joints

頂鍛維持階段添加回火工藝，由于此時焊縫閉合，接觸電阻消失，回火過程不再是對焊縫中心加熱，而是對電極間試件整體進行加熱。回火熱輸入控制較小時，可在不明顯提高焊縫中心溫度的情況下均勻提高TMAZ溫度，提高TMAZ的形變能力，引入二次頂鍛現(xiàn)象，使原有的高溫奧氏體化組織被進一步擠出，冷卻后形成極窄的WZ，因此也形成了沒有F區(qū)（軟化區(qū)）的焊接接頭組織，獲得性能優(yōu)異的焊接接頭[10]。

3 結(jié)論

（1）采用調(diào)伸長度21mm、閃光熱量68kW、閃光速度1 mm/s、閃光留量12 mm、帶電頂鍛時間0.1 s、頂鍛壓力65 MPa的焊接參數(shù)，并輔以預熱和焊后回火，可獲得性能優(yōu)異的閃光焊接頭。

（2）焊接接頭中心的鐵素體區(qū)是焊接接頭最薄弱的部位，僅依靠增加頂鍛無法完全消除鐵素體區(qū)，通過采用預熱和回火工藝可得到?jīng)]有鐵素體區(qū)的接頭組織，滿足強度要求。

[1]王維斌，鄭祥明，史耀武，等.400 MPa級超細晶粒鋼筋閃光對焊的組織及性能[J].焊接，2013（1）：12-14.

[2]王維斌.超細晶粒鋼直流電阻閃光對焊過程數(shù)值模擬及接頭組織性能預測[D].北京：北京工業(yè)大學，2003：3-5.

[3]張建春，黃文克，李陽，等.一種具有高耐蝕性的高強鋼筋及其制備方法：中國，201410047813.6[P].2014-02-11.

[4]S I KUCHUK-YATSENKO.閃光焊接技術(shù)：烏克蘭國家科學院巴頓焊接研究所論文選編[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014：1-8.

[5]Sivasankari R，Balusamy V，Venkateswaran P R.Characterization of magnetically impelled arc butt welded T11 tubes for high pressure applications[J].Defense Technology，2015，11（3）：244-254.

[6]Inoue T，Hagiwara Y.Fracture behavior of welded joints with HAZ under matching[J].Proceeding of the Ninth International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering(A)，1990，18-23（2）：253-260.

[7] 彭云，田志凌.兩種規(guī)格超細晶粒鋼的焊接[J].焊接學報，2011，22（6）：1-3.

[8]黃華剛，王克爭，何方殿，等.閃光對焊接頭金相組織、性能和工藝關(guān)系的研究[J].焊接，2000（11）：11-13.

[9] 屈朝霞，田志凌，何長紅，等.超細晶粒鋼及其焊接性[J].鋼鐵，2000，35（2）：70-73.

[10]戴虹，丁金平，車小莉.頂鍛熱變形對高強鋼筋閃光焊接頭HAZ組織及性能的影響[J].西南交通大學學報，1993（2）：16-21.

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參考文獻：

[1]Wu Y，Wang Y，Shi Y，et al.Effects of low temperature on properties of structural steels[J].Journal of University of Science and Technology Beijing，2004，11（5）：442-448.

[2]狄國標，劉振宇，郝利強，等.海洋平臺用鋼的生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機械工程材料，2008，32（8）：1-3.

[3]Keinosuke H，Toshiaki W.Making and fabricating of steel components for jack-up rig legs[J].Kawasaki Steel Technical Report，1982（6）：80-97.

[4]潘鑫，張宇，李小寶，等.熱輸入對海工鋼板EQ47焊接熱影響區(qū)組織與沖擊性能的影響[J].鋼鐵，2013，48（6）：80-84.

[5]Zhang Z J，Yu Z X，Yang Y H.Study on heat treatment process of AB/EQ56 steel plate[J].Journal of Iron and Steel Research，2011，18（s1）：978-982.

[6]繆成亮，尚成嘉，王學敏，等.高Nb X80管線鋼焊接熱影響區(qū)顯微組織與韌性[J].金屬學報，2010，46（5）：541-546.

[7]Diaz-fuentes M，Iza-mendia A，Gutierrez I.Analysis of different acicular ferrite microstructures in low-carbon steels by electron backscattered diffraction.Study of their toughness behavior[J].Metallurgical and Materials Transactions A：Physical Metallurgy and Materials Science，2003，34A（11）：2505-2516.

[8]劉宗昌,任慧平.貝氏體與貝氏體相變[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009：228.

Effect of flash butt welding parameters on microstructure and property of weld joints of corrosion resistant rebar HRB400M

LI Jingwei，ZHANG Yu，ZHANG Jianchun，WANG Na，MA Han
（Institute of Research of Iron and Steel，Shasteel，Zhangjiagang 215625，China）

Flash butt welding was applied to corrosion-resistant rebar HRB400M with a diameter of 25 mm，and microstructure and property of the welded joints were investigated.The optimum welding parameter includes out of fixture length of 21mm，flash heat output of 68 kW，flash speed of 0.8 mm/s，flash allowance distance of 12 mm，electric upsetting time of 0.1 s，upsetting pressure of 65 MPa，along with preheating and post-weld tempering process.The ferrite area on both sides of the welded joint center line is the weakest part，which can be eliminated by adjustment of welding parameters.

corrosion-resistant rebar HRB400M；flash butt welding；microstructure；tensile property

TG457.11

A

1001－2303（2017）03－0027-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.03.05

獻

李經(jīng)緯，張宇，張建春，等.閃光對焊工藝對耐蝕螺紋鋼HRB400M焊接接頭組織和性能的影響[J].電焊機，2017，47（03）：27-31.

2016-08-22；

2016-10-20

江蘇省產(chǎn)學研聯(lián)合創(chuàng)新資金——前瞻性聯(lián)合研究項目資助（BY2013091）

李經(jīng)緯（1988—），男，安徽宿州人，碩士，主要從事鋁/鋼異種金屬摩擦焊技術(shù)、高合金鋼閃光對焊技術(shù)的研究工作。