低碳鋼焊接層間溫度對焊縫金屬沖擊韌性的影響

隋旭日 欒豐飛

【摘 要】低碳鋼對接平焊時，層間溫度對焊縫金屬性能的影響，在焊接零件的機器中，機器運行中焊縫同樣也要受到沖擊力，生產廠家大多做做無損檢測，合格后就投入使用。本文就特別是對沖擊韌性的影響進行了初步探討，結果表明，低碳鋼焊接隨層間溫度的降低，沖擊韌性增加。

【關鍵詞】層間溫度；熔敷金屬

由于低碳鋼的碳、錳、硅的含量低，焊接時不會因焊接而引起嚴重組織硬化或出現淬火組織而且焊接接頭有很強的塑性以及韌性，在所有鋼材中低碳鋼的焊接性能最強。許多機器零件在工作時要遇到沖擊負荷，如鍛錘的錘桿、沖床的沖頭、火車和汽車在開車、剎車時的部分傳動零件等，這些零件在沖擊載荷的作用下，韌性差的材料往往易于發(fā)生突然斷裂，造成嚴重的安全事故，因此研究材料的沖擊韌性具有十分重要的意義。在焊接行業(yè)，大家研究更多的是焊接熱影響區(qū)的機械性能，應當說，目前對焊接熱影響區(qū)的研究，已很成熟，零件設計時，充分考慮了熱影響區(qū)這一影響因素。但在有焊接零件的機器中，機器運行中焊縫同樣也要受到沖擊力，生產廠家大多做做無損檢測，合格后就投入使用，但實際上，因焊縫質量造成事故的也不乏其例，因此，研究焊縫本身的熔焊機理、焊后的機械性能同樣具有意義。

一、鋼材焊接性能特點

低碳鋼一般軋成角鋼、槽鋼、工字鋼、鋼管、鋼帶或鋼板，用于制作各種建筑構件、容器、箱體、爐體和農機具等。優(yōu)質低碳鋼軋成薄板，制作汽車駕駛室、發(fā)動機罩等深沖制品；還軋成棒材，用于制作強度要求不高的機械零件。低碳鋼在使用前一般不經熱處理，碳含量在0.15%以上的經滲碳或氰化處理，用于要求表層溫度高、耐磨性好的軸、軸套、鏈輪等零件。低碳鋼由于強度較低，使用受到限制。適當增加碳鋼中錳含量，并加入微量釩、鈦、鈮等合金元素，可大大提高鋼的強度。若降低鋼中碳含量并加入少量鋁、少量硼和碳化物形成元素，則可得到超低碳貝氏體組夠其強度很高，并保持較好的塑性和韌性。

低碳鋼退火組織為鐵素體和少量珠光體，其強度和硬度較低，塑性和韌性較好。因此，其冷成形性良好可采用卷邊、折彎、沖壓等方法進行冷成形。這種鋼材具有良好的焊接性。碳含量很低的低碳鋼硬度很低，切削加工性不佳，正火處理可以改善其切削加工性。

低碳鋼有較大的時效傾向，既有淬火時效傾向，還有形變時效傾向。當鋼從高溫較快冷卻時，鐵素體中碳、氮處于過飽和狀態(tài)，它在常溫也能緩慢地形成鐵的碳氮物，因而鋼的強度和硬度提高，而塑性和韌性降低，這種現象稱為淬火時效。低碳鋼即使不淬火而空冷也會產生時效。低碳鋼經形變產生大量位錯，鐵素體中的碳、氮原子與位錯發(fā)生彈性交互作用，碳、氮原子聚集在位錯線周圍。這種碳、氮原子與位錯線的結合體稱歲柯氏氣團（柯垂耳氣團）。它會使鋼的強度和硬度提高而塑性和韌性降低，這種現象稱為形變時效。形變時效比淬火時效對低碳鋼的塑性和韌性有更大的危害性，在低碳鋼的拉伸曲線上有明顯的上、下兩個屈服點。自上屈服點出現直到屈服延伸結束，在試樣表面出現由于不均勻變形而形成的表面皺褶帶，稱為呂德斯帶。不少沖壓件往往因此而報廢。其防止方法有兩種。一種高預形變法，預形變的鋼放置一段時間后沖壓時也會產生呂德斯帶，因此預形變的鋼在沖壓之前放置時間不宜過長。另一種是鋼中加入鋁或鈦，使其與氮形成穩(wěn)定的化合物，防止形成柯氏氣團引起的形變時效。

二、實驗

（一）實驗用材料

（1）板材：材質Q235B，板厚：12mm。

（2）焊接材料：E4303電焊條，規(guī)格：￠3.2。

（二）試樣加工

將板材送加工車間，按尺寸加工出試板并組裝，共12套。

（三）焊制試板

在同一實驗室，由同一焊接技師在其它工藝參數不變，只改變層間溫度的條件下完成12套試板的平位焊接，層間溫度分別為50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃，每一溫度下焊制兩套試板。

焊接過程中用表面溫度計測量層間溫度，每一層燒完后，當層溫降到規(guī)定的溫度時，開始焊下一層。

（四）試樣加工

完成焊接，將試件進行X光檢測，合格后拉伸、沖擊試樣。拉伸試樣從焊縫中截出，沖擊試樣的V型缺口開在焊縫中間。每塊試板加工出一個拉伸試樣，五個沖擊試樣。

（五）力學性能試驗

（1）熔敷金屬的拉伸試驗按GB2652-81《焊縫（及堆焊）金屬拉伸試驗法》進行。

（2）焊縫金屬沖擊試驗按GB2650-81《焊接接頭沖擊試驗法》進行，五個試樣中，最大和最小值舍去，對余下的三個試樣進行討論。

三、分析討論

從實驗結果看，隨著層間溫度的下降，熔敷金屬的沖擊韌性和強度是增加的，而塑性下降不是很明顯，層間溫度在100℃—200℃區(qū)間，熔敷金屬綜合機械性能較好。

沖擊韌性ak是金屬機械性能中的一個重要指標，長期的實踐發(fā)現，ak對材料的一些缺陷是很敏感的，它不僅能靈敏地反映材料品質、宏觀缺陷，就是顯微組織方面微小的變化對它的影響也是很大的，在無宏觀缺陷的情況下，ak值基本上是強度和塑性的函數，強度、塑性增大，韌性也增大，但一般鋼材其強度和塑性是矛盾的，同一強度等級的材料只有通過細化晶粒才能使強度和塑性同時增加。

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