NB對低碳鋼焊接區組織和性能的影響

牟世超　馬新新　于騰飛

【摘 要】介紹了冷金屬過渡+脈沖（CMT+P）焊接的焊接方法和特點.采用CMT+P焊接工藝對低碳鋼板進行了對接焊接試驗，并對比分析了低碳鋼的CMT+P焊接工藝與TIG打底+SMAW填充焊焊接工藝的焊接接頭組織和性能.結果表明，兩種工藝的焊接接頭經熱處理后均為回火馬氏體組織，且CMT+P的馬氏體板條間距較小，熱影響區為等軸晶且較窄，高溫蠕變性能相對較好；CMT+P焊接接頭抗拉強度優于母材，且沖擊韌性與TIG打底+SMAW填充焊焊接頭沖擊韌性水平相當.進而證實了CMT+P可作為低碳鋼焊接工藝的一種新選擇.

【關鍵詞】低碳鋼；冷金屬過渡+脈沖焊；焊接接頭；金相組織；力學性能

中圖分類號：TG444 文獻標識碼：A

引言

低碳鋼是一種新型馬氏體耐熱鋼，具有高溫強度高、導熱性好、熱膨脹系數低和蠕變性能好等優點.低碳鋼主要用于超超臨界機組的高溫、高壓主蒸氣管道等部件，其焊接接頭的性能對機組的安全運行至關重要.目前，工程應用中低碳鋼的焊接工藝是TIG打底、SMAW焊填充、蓋面.TIG打底焊雖然焊接接頭強韌性好，但焊接速度不高，焊絲熔敷率低，影響焊接效率.SMAW焊接效率雖高，但焊接熱輸入大，焊縫組織晶粒粗大，焊接熱影響區較寬.而且其電弧穿透力差，焊縫熔深小.所以，SMAW焊接接頭力學性能不夠優異.CMT是一種新型焊接方法，它是在MIG/MAG焊的基礎上通過焊絲回抽使熔滴在短路過渡電流接近于零的情況下實現短路過渡.CMT既能降低焊接熱輸入，又能提高焊接效率.但由于CMT熱輸入低，不適合3mm以上厚板的焊接.而CMT+P是在CMT基礎上開發的能夠更大范圍控制熱輸入的焊接方法，可用于厚鋁板的焊接.文中為了探索CMT+P是否可以替代TIG打底+SMAW填充的焊接方法用于P92鋼焊接以提高焊接效率獲得組織性能優異的焊接接頭，采用CMT+P對15mm厚低碳鋼板進行了對接試驗，并研究了對接接頭的組織性能，進一步促進低碳鋼在工業中進一步的應用.

1、試驗方法

試驗焊機為FroniusCMTAdvanced4000，焊接機器人為FANUCRobotM-10iA，用NIUSB?6361數據采集卡采集焊接電流電壓信號.焊絲直徑為φ1.2mm的OerlikonCarbofilCrMo92實芯焊絲.平板對接母材規格為150mm×85mm×15mm，坡口形式及尺寸如圖1所示.焊接過程采用Ar+2.5%CO2混合氣體保護，氣流量15L/min.

2、結果及討論

2.1強化處理對焊接接頭抗拉性能的影響

圖2所示。由圖2可知：未處理的回火鋼板焊接件的抗拉強度為840Mpa左右，相對于回火鋼母材（1720Mpa）降低了約900MPa，強度損失嚴重。機械旋壓焊接件抗拉力達到940Mpa左右，相對未處理的焊接件提高了約100MPa，增強效果也比較理想，這是因為機械旋壓有助于拉長組織結構，這一過程使材料的拉伸強度增加了。

2.2淬火鋼焊接接頭組織特征分析

低碳鋼鋼焊接頭的顯微組織如圖3所示，由圖可以看出：低碳鋼鋼焊接頭位置，金相組織均主要為晶粒粗大的板條狀基體組織；而在焊接熱影響區，在焊接頭附近的完全回火區出現了晶粒嚴重重大的現象，該區域主要以粗大的馬氏體組織為主體，并且隨著距離焊接接頭的距離的增大，會出現細小的馬氏體，該區域相當于正火區；而在焊接熱影響區的不完全火區，根據焊接溫度場理，該區域被加熱到溫度為AC1～AC3，在焊接熱過程中，只有很少的鐵質體會溶解到奧氏體中。，大部分光體等會轉變為奧氏體，焊接完成后冷卻過程中，由于速度較快，奧氏體轉變為馬氏體，但該區域原的鐵素體卻保持不變，并且鐵素體會有不同程度的長度，因此該區域多以馬氏體-鐵素體組織為主；在不完全著火區，通過圖3（e）（f）可以可見，照片中的馬氏體含量非常少，說明在該區域存在著回火軟化的現象，因為該區域正處于AC1附近的溫度區間，此時的奧氏體成分遠未達到發生相應變化的平衡溫度，因此導致該區域的鐵素體和碳化合物未完全溶解，而在冷卻過程中，奧氏體組織會發生分解，分了解鐵元素，從而造成該區域的機械性能較低。

在焊接熱影響區的完全回火區，由于受熱溫度較高，溫度高于AC3以上，因此在焊接過程中，原始狀態鋼的鐵素體和光亮體會向奧氏體轉變，回火狀態鋼的馬氏體組織也被奧氏體化。焊接完成后，在冷卻過程中，由于冷卻速度較快，所以奧氏體大批量轉變為馬氏體。.通過原始狀態鋼焊接件金相圖（見圖3（g））和焊接狀態鋼焊接件金相圖（見圖3（c）（d））可以看出，組織中有大量的板狀馬氏體存在，這些馬氏體會使該區域的拉伸強度和硬度均有所增加；焊接接頭的焊縫區域，與焊接熱影響的完全回火區域狀態基本一致，通過圖3（b）可以看出，里面有大量的板條狀馬氏體存在。

2.3強化處理焊接接頭金相組織

焊接過程中，經機械旋壓后獲得熱影響區縱斷面的明顯微觀組織如圖4所示。由于機械旋壓作用，材料結構發生了塑性變形，所以以金相試樣比較好以制備。由圖4可以看出：對于低碳鋼鋼板焊接接頭，經機械旋壓處理后，在焊接件表面形成了一層塑性變形層。其中的晶粒在壓頭旋壓作用下被壓扁拉長，使其分布更加均勻致密，加之旋壓作用在焊接件表面形成壓力應力層，這不僅能提高焊接件表面硬度，還能改善焊接件表面的微觀缺陷和應力分布，使獲得焊接件的拉伸強度、硬度的機械性能得到一定程度的提高。

2.4強化對焊接接頭顯微硬度的影響

對低碳鋼火燒鋼板焊接件進行機械旋壓強化處理后，對焊接接頭的表面進行硬度測試。圖5為火燒鋼板焊接件經旋壓強化處理后焊接接頭的表面硬度分布曲線。由圖5可知：經機械旋壓處理的低碳鋼火燒鋼板焊接件的焊接接頭表面硬度在焊接接頭金屬屬部。分比較小，平均約為380hv，在完全著火區靠近焊接接頭處達到峰值，約為420hv，但隨后硬度值立即降至最低值（約為280hv）。此后，隨著焊接接頭距離增大而逐漸升高，由于旋壓的不均而波動起。焊接后旋壓能在表面形成一層塑性。變形層，使組織被拉長，同時還可以使組織更細致，均勻一致，所相對于未處理的焊接，最低硬度值有所增加。

3、實驗結論

本文通過研究低碳鋼超高強度鋼淬火與為淬火狀態下焊接接頭的組織與性能，使用金相顯微鏡與掃描電子顯微來觀測淬火與未淬火焊接接頭處各個區域的組織，使用顯微硬度計和萬能試驗機來測量焊接接頭的力學性能，并將淬火與未淬火試樣以及其各個區域的組織與性能進行對比分析，得出以下結論。1）低碳鋼超高強度鋼的焊接接頭可分為3個區域：焊縫區、熱影響區與母材區。焊縫區顯微組織為板條馬氏體組織；熱影響區可以分為兩個區域：淬火區與軟化區，淬火區組織為馬氏體組織，軟化區是馬氏體組織與鐵素體組織并存；母材區組織是鐵素體組織與珠光體組織并存，但母材區域的珠光體組織含量比軟化區低。2）焊接接頭的焊縫區與熱影響區的硬度和抗拉強度均高于母材區域，并且母材區域發生的拉伸斷裂為韌性斷裂。3）焊接接頭在熱影響區靠近母材的一端存在軟化區域，該區域為拉伸斷裂區域。焊接接頭軟化區硬度最低值為284.1HV，焊接接頭除母材區外硬度最高值為466.5HV。

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（作者單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司）