Q620鋼藥芯焊絲氣體保護焊接頭組織與性能的研究

邢珂　李博文

摘要：在非預熱狀態下，采用Ar+CO2混合氣體保護焊方法，選擇低合金系堿性渣系藥芯焊絲，在三種熱輸入下對Q620鋼進行焊接。通過進行焊接接頭質量分析、焊縫金屬化學成分分析、顯微組織觀察和力學性能測試，研究了Q620鋼的可焊性和工程使用性。結果表明，Q620鋼常溫下可焊接性良好，焊縫區合金元素分布均勻，當焊接熱輸入由低向高變化時，焊縫區組織由鐵素體+珠光體向貝氏體+馬氏體組織轉變，并且焊縫區強度下降，硬度上升。隨著熱輸入的增大，焊縫區沖擊斷口形貌由韌性斷裂向著韌窩+準解理的混合斷裂方式轉變。

關鍵詞：藥芯焊絲氣體保護焊;Q620高強鋼;力學性能;焊縫組織;可焊性

中圖分類號：TG454文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）05-0084-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.17

0 前言

低合金高強鋼因具有強度高、塑韌性好的優點，廣泛應用于壓力容器、車輛制造、采煤、建筑橋梁和船舶工程等領域[1-6]。根據碳當量公式可知，Q620鋼的碳當量大于0.5%[8]，焊接時易出現淬硬傾向，形成馬氏體組織，降低接頭的塑性和韌性。傳統的弧焊工藝導致過熱區晶粒粗大脆化，在焊接時易產生應力集中，增加了裂紋敏感性[2，8]，這些因素都會降低Q620鋼焊后的綜合性能，無法滿足工程中實際應用，同時也損失了低合金高強鋼原本的優勢。以往的研究多采用焊前預熱來消除冷裂紋和淬硬組織。但焊前預熱一是對工件尺寸有限制，二是增加了成本，耗費時間。若能采用合理的焊接方法和工藝參數使得不預熱也能滿足工程實際要求將是一件非常有益的事情。

武家升等人[1]研究了焊絲對Q550鋼焊接接頭顯微組織的影響。ER50-6焊絲的焊縫組織為F+P+B，熔合區斷口有大量韌窩，MK·G60焊絲的焊縫組織為F+B，熔合區斷口具有準解理的特征。楊景華等人[9]采用CO2保護焊對GR.65鋼進行了焊接，低熱輸入時，粗晶區的第二相粒子能抑制晶粒長大，焊前預熱有利于細小淬硬組織的生成;高熱輸入時，抑制粗晶區晶粒長大的第二相粒子完全溶解，失去了抑制作用，并且焊前預熱使粗晶區組織粗大，生成了上貝氏體等韌性很差的組織。郝永飛[10]等人在非預熱條件下對Q550鋼進行焊接，焊接接頭的屈服強度等同母材，-20 ℃和-40 ℃的Akv值分別為107 J和80 J，接頭彎曲后幾乎無裂紋。劉軍華[11]在預熱下完成了Q690E鋼MAG焊接，焊接接頭力學性能符合要求。

文中采用Ar+CO2混合氣體保護焊的方法，在非預熱狀態下，選擇低合金堿性渣系藥芯焊絲對Q620鋼進行常溫下焊接，通過進行焊縫金屬顯微組織觀察、化學成分分析以及力學性能測試，研究了低合金高強鋼可焊性、微觀組織和力學性能，對于Q620鋼的焊接以及在工程中的應用具有重要的現實意義。

1 試驗材料及方法

試驗母材為調質態Q620低合金高強鋼，尺寸300 mm×150 mm×10 mm，經日本島津公司（Shimadzu）1800型X射線熒光（XRF）光譜儀檢測[12]，測試條件如表1所示。焊接時采用φ1.2 mm的LJ707堿性渣系藥芯焊絲，母材和焊絲的化學成分如表2所示。采用松下KR500A型CO2氣體保護焊機，保護氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，氣體流量20 L/min。為了便于焊接，采用50°V型坡口，鈍邊2 mm，組對間隙1.2 mm，坡口示意如圖1所示。焊前清理坡口兩側，用丙酮清洗去除表面油污[14]，將兩塊母材用工裝夾具組合固定后焊接，焊接參數如表3所示。

焊后冷卻至室溫后，線切割截取金相試樣，依次采用500#、800#、1 000#和1 500#砂紙打磨并拋光后，用4%硝酸酒精溶液腐蝕8 s，然后在奧林巴斯顯微鏡下觀察組織。腐蝕后試樣采用HVS-5型維氏硬度計進行測試，施加載荷100 gf，保持10 s，從焊縫底部到頂部沿縱向依次打5個點取其平均值。焊接接頭的拉伸試驗按照GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》執行，沖擊試驗按照GB/T 2650-2008《焊接接頭沖擊試驗方法》在JB-300B型落錘沖擊試驗機上完成，在焊縫處開V型缺口，缺口方向垂直于板厚方向，每個位置取3個試樣，試樣尺寸為55 mm×10 mm×5 mm。采用JEOL-6360型掃描電鏡觀察斷口形貌。

2 試驗結果及分析

2.1 化學成分分析

利用XRF進行焊縫金屬元素含量測試和元素分布成像。成像光柵0.5 mm，管電壓40 kV，管電流75 mA。測試前裝好樣品，選擇好坐標，如圖2所示，測試節點106個。由于元素分布的成像速度較慢，試驗只選取焊縫金屬中含量較高的Mn、Ni兩種元素進行測試。元素含量結果如表4所示，元素成像如圖3所示。

由表4可知，在焊縫區高溫物理冶金作用下，所有元素都存在不同程度的燒損，隨著熱輸入的增加，各元素含量下降，表明元素燒損程度與熱輸入成正比。由圖3可知，Ni、Mn兩種元素在整個焊縫區域分布較均勻，說明焊接過程中熔池熔滴過渡平穩，合金元素在高溫下擴散均勻，只在個別位置存在少量偏析現象。隨著熱輸入的增加，元素含量由高含量區向著低含量區過渡，這與表4中的結果一致，同樣說明隨著熱輸入的增加，元素含量下降，主要是燒損導致的。

2.2 金相組織觀察

三種熱輸入下焊縫金屬的金相組織照片如圖4所示。從整體上來看，三種熱輸入的線能量均較低，有利于在非預熱條件下的焊縫成形。由圖4可知，所有接頭的焊縫組織均為柱狀晶，當熱輸入較低時，焊縫金屬組織細小，分布均勻，室溫下組織主要為鐵素體和貝氏體。隨著熱輸入的增加（見圖4b），焊縫中晶粒長大，組織變得粗大，并且出現少量的粒狀貝氏體組織由晶界向內平行生長。當熱輸入繼續增大（見圖4c），晶粒在大熱輸入下繼續長大，組織進一步粗大，室溫組織為貝氏體和少量低碳板條馬氏體。

2.3 沖擊試驗

三種熱輸入下焊縫區沖擊功的平均值（20 ℃）分別為86.578 J（1號）、81.724 J（2號）、79.097 J（3號），可見隨著熱輸入的增大，焊縫金屬的沖擊韌性下降。焊縫區的沖擊斷口形貌如圖5所示。由圖5可知，斷口形貌中存有韌窩，這是因為在焊后殘余應力下，位錯堆積而在滑移面局部產生許多微孔形核、長大，連接聚集產生新的微孔，于是在斷口上呈現出韌窩[2]。在低熱輸入下，沖擊斷口韌窩較多、較深，尺寸較小，屬于韌性斷裂。低熱輸入組織中晶粒較細，晶粒細化，導致晶界在單位體積內面積增加，從而降低了S、P等雜質的分布密度，減弱了對晶界強度的影響，有助于提高晶界強度，從而提高接頭的沖擊韌性，所以低熱輸入時沖擊韌性較好。隨著熱輸入的增大，組織變得粗大，韌窩數目減少，斷裂轉向為脆性斷裂。熱輸入繼續增加，晶粒變得更為粗大，出現準解理斷裂特征，表明沖擊韌性下降，斷裂為明顯的脆性斷裂，這與沖擊功的結果一致。

針對圖5中斷口形貌，選擇A，B，C三點做EDS分析，結果如圖6和表5所示。由圖6可知，A、B、C三點的元素相同，均為Mn、Cr、Ni、C、Fe幾種元素，O主要來源于空氣，是在受熱過程中夾雜進焊縫的。由表5的EDS分析結果同樣可得出元素含量隨著熱輸入增大而減少的規律，但是由于EDS是微觀下做的點掃描，故而比熒光的宏觀測量誤差大一些。

2.4 拉伸強度和硬度

焊縫和母材的拉伸強度和硬度試驗結果如表6所示，焊縫的強度與母材強度相匹配，但略低于母材，屬于低等強匹配接頭，符合標準要求。隨著熱輸入的增加，焊縫區強度和斷后伸長率下降，硬度增加。綜上分析可知，低合金高強Q620鋼可焊性良好，選擇合適的焊接方法和焊接參數可以取消焊前預熱。

3 結論

（1）采用低熱輸入，有利于細化晶粒，提高韌性，焊縫組織主要為鐵素體、貝氏體和馬氏體，隨著熱輸入的增加，焊縫組織出現板條馬氏體，焊縫金屬強度上升，韌性下降。

（2）采用合理的焊材和工藝可以控制焊縫組織和性能，焊接線能量小于15 kJ/cm時焊縫區可獲得優異的力學性能。

（3）焊縫沖擊斷口SEM照片表明，小熱輸入下焊縫斷裂為韌性斷裂，隨著熱輸入的增大，斷裂方式變為韌窩+準解理混合的斷裂。

（4）焊縫金屬元素分布均勻，熔滴過度平穩。力學性能試驗結果表明，低合金高強度鋼Q620能夠實現非預熱態下常溫優質焊接。

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