鍍銅和無鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭組織與疲勞性能研究

孫逸凡 許鴻吉 藺博

摘要：使用鍍銅和無鍍銅焊絲焊接Q345E低合金鋼，觀察其顯微組織，并對其焊接接頭進行脈動拉伸疲勞試驗，掃描斷口形貌。結果表明：兩種焊接接頭的顯微組織相似，無鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭過熱區無碳貝氏體較多。無鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭疲勞性能略低，但兩種焊接接頭疲勞性能相差不大，余高的存在明顯降低疲勞極限。斷口微觀形貌可以看出：斷口無明顯缺陷，斷口平整能看到清晰的啟裂源，擴展區裂紋生長，終斷區形貌為大小深淺不一的韌窩，為韌性斷裂。

關鍵詞：Q345E低合金鋼;鍍銅焊絲;無鍍銅焊絲;顯微組織;疲勞性能

中圖分類號：TG422.3 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）11-0129-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.24

0 前言

無鍍銅焊絲是新一代的氣體保護焊實心焊絲。傳統實心焊絲是在半成品鋼絲表面鍍上一層銅，可增強焊絲與焊嘴接觸處的導電性能、防腐能力，以及減少與送絲軟管、焊嘴的摩擦力[1]。無鍍銅焊絲的出現既迎合了目前環保的理念，又減少了煙塵量和焊接飛濺，降低了成本。而且其操作手感和焊縫成形質量并不亞于鍍銅焊絲，具有表面光潔、送絲性能更加穩定、在使用過程中不會出現因銅層脫落等問題造成的送絲不穩的現象、焊絲表面更加光滑、并減少送絲阻力等優點，所以備受青睞[2-5]。

文中對比了鍍銅和無鍍銅焊絲Q345E焊接接頭的疲勞性能（去掉余高、保留正面余高），并對疲勞斷口進行掃描分析，研究其焊接性，以確定無鍍銅焊絲運用于焊接生產的前景。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

試驗材料為Q345E低合金鋼，其化學成分和力學性能分別如表1、表2所示。采用熔化極混合氣體保護焊，焊絲為CHW-50C6SM（鍍銅）、Purus-42-CF（無鍍銅）。焊接材料的化學成分和力學性能分別如表3、表4所示。

1.2 試驗方法

Q345E低合金鋼平板對接試板尺寸為300 mm×15 mm×12 mm，坡口尺寸如圖1所示，多道焊焊接順序如圖2所示，鍍銅和無鍍銅焊絲焊接Q345E低合金鋼焊接參數如表5所示。

焊后試件均進行外觀（ISO17637）、滲透（ISO23277）、射線（ISO17636）檢查。為方便后續試驗的需要，對接試板要求平直，盡量減少變形。

金相試件經加工、打磨、拋光，并用4%硝酸酒精溶液腐蝕后，在4X1光學顯微鏡下觀察其組織形態。

疲勞試驗參照GB/T13816-92《焊接接頭脈動拉伸疲勞試驗方法》，實驗設備為PLG-200高頻疲勞試驗機，其疲勞技術規格為：靜態負荷精度±1%，動荷平均波動度±1%，動負荷振幅波動度±2%。試驗采用的循環應力比R=0.1，指定循環壽命取5×106次。在試驗過程中，當疲勞裂紋尺寸足夠大導致載荷加不上去時，自動卸載停振，并記錄循環次數。分別對試件進行去掉余高和保留正面余高加工。對接接頭疲勞試件尺寸（去掉余高、保留正面余高）見圖3。

2 試驗結果及分析

2.1 金相組織分析

Q345E低合金鋼母材顯微組織如圖4所示，組織為鐵素體+珠光體。

圖5a、圖6a為鍍銅和無鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭焊縫顯微組織。可以看出：焊縫金相組織為沿柱狀晶分布的先共析鐵素體，以及少量的針狀鐵素體和細小的粒狀貝氏體，其形態為針狀鐵素體晶界周圍分布的塊狀小島，在粒狀貝氏體組織中，其分解產物可以起到第二相強化作用，所以粒狀貝氏體強韌性較好，優化了其疲勞性能，所以焊縫處不易出現疲勞裂紋。圖5b、圖6b為鍍銅和無鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭熔合區顯微組織，可以看出：熔合線上方為焊縫，下方為過熱區，鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭過熱區顯微組織為塊狀、針狀鐵素體和少量的無碳貝氏體與粒狀貝氏體。無鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭過熱區為珠光體和大量的無碳貝氏體，無碳貝氏體的出現惡化了疲勞性能，所以其熱影響區附近更易產生疲勞裂紋。圖5c、圖6c為鍍銅和無鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭細晶區顯微組織，可以看出：細晶區顯微組織均為鐵素體與珠光體，其組織細化，鐵素體與珠光體等軸分布所以能夠均勻分散應力應變，疲勞性能好。圖5d、圖6d為鍍銅和無鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭部分轉變區顯微組織。可以看出：部分轉變區顯微組織為鐵素體與珠光體。部分鐵素體和珠光體重結晶，晶粒細化，也有一部分沒有發生重結晶導致晶粒大小不一，相比細晶區域性能較差，但其晶粒要比母材區域細小，而且鐵素體和珠光體的組織疲勞強度要高于貝氏體組織。

2.2 疲勞試驗結果及分析

通過升降法分別確定鍍銅和無鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭指定壽命為5×106次循環下的中值疲勞極限，其疲勞極限升降如圖7所示。

通過升降法確定鍍銅和無鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭指定壽命為5×106次循環下的中值疲勞極限：

由以上數據確定的鍍銅和無鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭脈動拉伸疲勞的中值S-N曲線對比（去掉余高、保留正面余高）如圖8所示。

鍍銅焊絲厚板Q345E低合金鋼焊接接頭（去掉余高、保留正面余高）脈動拉伸疲勞試驗指定壽命為5×106次循環下的中值疲勞極限分別為390 MPa、297 MPa。無鍍銅焊絲厚板Q345E低合金鋼焊接接頭（去掉余高、保留正面余高）脈動拉伸疲勞試驗指定壽命為5×106次循環下的中值疲勞極限分別為373 MPa、271 MPa。可見去掉與保留余高對疲勞極限有很大影響，鍍銅焊絲厚板Q345E低合金鋼焊接接頭疲勞性能略優于無鍍銅焊絲厚板Q345E低合金鋼。

2.3 鍍銅和無鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭疲勞斷口分析

鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭（去掉余高）脈動拉伸疲勞試件的有效試件為12個，斷裂位置有6個在母材，只有1個在熱影響區，說明焊接接頭性能良好。而無鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭（去掉余高）脈動拉伸疲勞試件的有效試件為13個，斷裂位置有5個在母材，3個在熱影響區，說明無鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭熱影響區更容易出現應力集中現象，這是由于其熱影響區出現的無碳貝氏體降低了疲勞性能，使裂紋容易萌生。

鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭（保留正面余高）脈動拉伸疲勞試件的有效試件為13個，斷裂位置有6個在焊趾，只有2個在母材。無鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭（保留正面余高）脈動拉伸疲勞試件的有效試件為12個，斷裂位置有7個全部在焊趾。焊趾部位存在較大的應力集中，是產生疲勞斷裂的主要原因，宏觀形貌如圖9所示。

與中值疲勞極限結果相結合，說明無鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭疲勞性能還是低于鍍銅焊絲Q345E低合金鋼，但相差不大，有無余高對疲勞極限降低明顯。

使用JSM-6360V掃描電子顯微鏡對疲勞試件斷口形貌進行掃描分析，斷口照片如圖10所示。可以看出：斷裂試件疲勞裂紋的啟裂區和啟裂擴展區具有典型的疲勞斷裂特征，疲勞紋清晰并較細，擴展區的大小隨疲勞循環次數的增加而增大，終斷區斷口形貌均為大小深淺不一的韌窩。

3 結論

（1）鍍銅和無鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭顯微組織相似，但無鍍銅焊絲焊接接頭熱影響區出現的無碳貝氏體較多，對疲勞性能有影響，使裂紋容易萌生。

（2）鍍銅和無鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭指定壽命為5×106次數時的中值疲勞強度σ0.1：鍍銅焊絲Q345E焊接接頭（去掉余高）為390 MPa，無鍍銅焊絲Q345E焊接接頭（去掉余高）為373 MPa，疲勞性能良好。鍍銅焊絲Q345E焊接接頭（保留正面余高）為297 MPa，鍍銅焊絲Q345E焊接接頭（保留正面余高）為271 MPa。保留正面余高使疲勞極限降低100 MPa左右。無鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭疲勞性能略低于鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭。

（3）斷口形貌表明，鍍銅和無鍍銅焊絲Q345E低合金鋼焊接接頭都沒有明顯缺陷，斷口平整且有明顯的疲勞斷裂特征，擴展區疲勞帶清晰，終斷區出現明顯的韌窩。

參考文獻：

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