Ni對金屬粉芯型焊絲接頭性能的影響*

劉政軍， 裘榮鵬， 張天珺， 武 丹， 蘇允海

(1. 沈陽工業大學 材料科學與工程學院， 沈陽 110870； 2. 哈爾濱鍋爐廠有限責任公司 質量檢驗處， 哈爾濱 150046)

工業技術的高速發展使得低合金高強鋼廣泛應用于壓力容器、鍋爐、船舶、重型機械等領域，因而對高強鋼焊接接頭綜合性能的要求也越來越高[1-3].焊縫金屬的強度越高，往往韌性越低，但韌性是評價高強鋼焊縫金屬性能的一個重要指標，這就對高強鋼焊接材料提出了更高的要求.通過調節焊縫金屬成分、凝固冷卻速度和焊后熱處理工藝等方式可以獲得理想的焊縫組織，進而提高焊接接頭的力學性能.在調節焊縫金屬成分方面，藥芯焊絲無疑具有特殊優勢，尤其是金屬粉芯型藥芯焊絲.金屬粉芯型藥芯焊絲具有低渣、操作性好、擴散氫含量低、熔敷效率高、飛濺少、煙塵小、焊縫成形好等一系列優點，尤其是粉體配制簡單容易、合金元素過渡系數較高的優點使得金屬粉芯型藥芯焊絲非常適合于低合金高強鋼的焊接[4-7].Ni元素是形成和穩定奧氏體的元素，Ni和Fe元素能以互溶的形式存在于奧氏體和鐵素體組織中，并起到固溶強化作用.同時，Ni元素能夠降低沖擊轉變溫度，提高低溫沖擊韌性[8-10].本文在自行研制的Mn-Mo-Cr系高強鋼金屬粉芯型藥芯焊絲的基礎上，通過改變藥芯成分中合金元素Ni的含量，研究其對WQ960高強鋼焊接接頭組織和力學性能的影響規律，以期為制備得到性能良好的高強鋼焊接材料提供一些理論基礎.

1 材料與方法

試驗用鋼板為WQ960高強鋼，鋼板尺寸為300 mm×100 mm×10 mm，其化學成分和力學性能分別如表1、2所示.自行制備金屬粉芯型藥芯焊絲，其主要合金體系為Mn-Mo-Cr，分別以電解錳粉、鉬鐵和金屬鉻粉的形式將相應元素加入到藥芯焊絲中，以Ni粉的形式加入Ni元素，藥芯焊絲的其余成分還包括鈦粉、硼鐵、鋁粉、鈮鐵和鐵粉等.試驗中除Ni粉外其余成分加入量保持不變.藥芯粉體在使用前需在150 ℃下烘干5 h以去除粉體中的水分.采用鋼帶成型法制備金屬粉芯型藥芯焊絲，本文選用SPCC鋼帶，其尺寸為10 mm×0.3 mm.在藥芯焊絲制備過程中，將經過清洗、去油、烘干后的鋼帶先后在成型機上進行多次軋制，再在拉絲機上進行多次拉拔后完成焊絲的制備，焊絲最終直徑為1.6 mm.

焊前需要利用刨床將鋼板上開出60°V形坡口，鈍邊高度為1 mm.利用角向打磨機將坡口兩側30～50 mm范圍內的鐵銹和氧化皮打磨掉，使得鋼板露出金屬光澤，并利用丙酮清洗去除油污.

表1 WQ960鋼的化學成分(w)Tab.1 Chemical composition of WQ960 steel (w) %

表2 WQ960鋼的力學性能Tab.2 Mechanical properties of WQ960 steel

將處理好的鋼板采用平板對接方式固定在自制焊接夾具上，預留根部間隙，且始焊端為1 mm，終焊端為3 mm.然后擦除焊絲表面的拉絲粉等污物后待用.采用鎢極氬弧焊方法進行焊接，焊接電流為190～250 A，電弧電壓為28～32 V，氣體流量為18～20 L/min，焊絲伸出長度為12～15 mm，層間溫度約為100 ℃.焊后按照GB/T 17493-2008《低合金鋼藥芯焊絲》標準制備試驗試樣，拉伸試驗和沖擊試驗分別按照GB/T 2652-2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》和GB/T 2650-2008《焊接接頭沖擊試驗方法》標準進行.室溫沖擊試驗溫度為25 ℃，低溫沖擊試驗溫度介于-60～0 ℃之間.采用夏比V形缺口沖擊試樣，利用日立S-3400型掃描電子顯微鏡觀察其斷口形貌.焊接接頭金相試樣的取樣位置垂直于焊縫橫截面.將金相試樣研磨后利用硝酸酒精溶液腐蝕10～15 s，然后利用奧林巴斯GX-51型金相顯微鏡進行組織觀察.利用鉆粉法測量焊縫金屬的化學成分.采用國產FM-700型半自動數字顯微硬度計從焊縫中心向兩側熱影響區與母材區分別進行硬度測量，每個測量點測量3次并取其平均值作為最終測量值.

2 結果與分析

2.1 焊縫金屬化學成分

改變焊絲藥芯中的Ni粉含量，使得焊縫金屬含有不同含量的Ni.在保證藥粉填充率不變的情況下，經多次試驗測得Ni元素的過渡系數介于40%～48%之間.計算得到焊絲藥芯中的Ni粉添加量，從而保證焊縫中的Ni含量處于設計范圍內，具體計算表達式為

(1)

式中：M粉為藥粉中某純金屬粉末的含量；M焊為焊縫金屬中某合金元素的含量；M帶為鋼帶中某合金元素的含量；η為合金元素過渡系數；Kb為粉芯焊絲的加粉質量系數，即填充率；Kc為某合金元素在純金屬粉末中的含量.

利用鉆粉法測量實際焊縫金屬的化學成分，結果如表3所示.由表3可見，隨著Ni含量的增加，焊縫金屬中的C含量整體上略有增加，Mn含量整體上略有降低，其余元素均無明顯變化.

表3 焊縫金屬的主要化學成分(w)Tab.3 Main chemical compositions of weld metal (w) %

2.2 焊接接頭硬度分布

圖1為Ni含量對焊接接頭硬度分布的影響.由圖1可見，不同Ni含量下焊縫區的硬度均明顯高于熱影響區的硬度，且隨著Ni含量的增加，焊縫區的硬度逐漸增高，最高硬度可達329.5 HV.隨著焊縫金屬中Ni元素含量的增加，熱影響區的硬度逐漸接近母材的硬度，且軟化現象有所緩解.

圖1 Ni含量對焊接接頭硬度分布的影響Fig.1 Effect of Ni content on hardness distribution of welded joint

2.3 焊接接頭拉伸性能

不同Ni含量下焊接接頭的拉伸性能如表4所示.每個成分選取3個拉伸試樣進行試驗，取其平均值作為最終測量值.由表4可見，各拉伸試樣斷裂位置均處于焊縫處，而非焊接接頭的熱影響區.隨著Ni含量的增加，WQ960鋼焊接接頭的抗拉強度大體上逐漸增加，但伸長率逐漸下降.焊縫金屬中加入Ni元素后，焊接接頭的最大抗拉強度相比未加入Ni元素的焊接接頭提高了130 MPa，但當焊縫金屬中Ni元素含量超過1.22%后，伸長率明顯下降.

表4 不同Ni含量下焊接接頭的拉伸性能Tab.4 Tensile properties of welded joint with different Ni contents

2.4 焊縫金屬沖擊功

不同Ni含量下焊縫金屬的室溫和低溫沖擊功如圖2所示.同一成分同一溫度下選取5組沖擊試樣進行試驗，取其平均值作為最終測量值.由圖2可見，隨著Ni含量的增加，焊縫沖擊功在室溫和低溫下都呈現出先增加后降低的趨勢，且當Ni含量為1.22%時，沖擊功均達到最大值.此外，當焊縫金屬中Ni含量為1.22%時，即使在-60 ℃的試驗溫度下焊縫金屬的沖擊功也達到了27.9 J，滿足GB/T 17493-2008《低合金鋼藥芯焊絲》標準要求，且高于國外同類藥芯焊絲的測試值，如伊薩Coreweld89藥芯焊絲-60 ℃沖擊功測試值為27 J.

圖2 焊縫金屬的室溫和低溫沖擊功Fig.2 Impact energy of weld metal at room and low temperatures

2.5 沖擊試樣斷口形貌

為深入研究Ni含量對焊縫金屬沖擊功的影響，選取Ni含量為0%、1.22%和2.1%時的室溫和低溫沖擊試樣進行斷口分析，結果如圖3所示.由圖3可見，當焊縫金屬中無Ni元素時，室溫和低溫斷口基本呈現解理斷口特征，且斷口具有河流狀花樣.當焊縫金屬中Ni含量為1.22%時，室溫和-40～0 ℃低溫焊縫沖擊斷口為典型韌窩斷口，具有大量撕裂棱，韌窩較深且均勻分布，只有當試驗溫度降為-60 ℃時，斷口才呈現解理特征.當焊縫金屬中Ni含量增加到2.1%時，25和0 ℃沖擊試樣斷口仍有少量韌窩，但韌窩較淺，撕裂棱較少，并開始出現脆性斷口形貌，當試驗溫度繼續降低后，斷口基本為具有河流狀解理花紋的脆性斷口.

圖3 沖擊試樣的斷口形貌Fig.3 Fracture morphologies of impact samples

2.6 焊縫金相組織

圖4為不同Ni含量下焊縫的金相組織.由圖4可見，當不含Ni元素時，焊縫由粒狀貝氏體和塊狀鐵素體構成；當Ni含量為1.22%時，焊縫組織由板條貝氏體、粒狀貝氏體、馬氏體和針狀鐵素體組成；當Ni含量為2.1%時，焊縫組織由貝氏體、馬氏體和少量針狀鐵素體組成.當Ni含量由0%增加到1.22%時，焊縫金屬中針狀鐵素體含量增加，而先共析鐵素體逐漸減少.由于針狀鐵素體組織較為細小，位錯密度較高，板條之間為大角度晶界，有效增加了微裂紋擴展所需要的能量，因而具有較強的抗裂紋擴展能力.因此，當焊縫金屬含有適量的Ni元素時，可以顯著提高焊接接頭的強度和沖擊韌性，尤其是低溫沖擊韌性.先共析鐵素體為奧氏體高溫轉變產物，是具有低屈服點的脆性相，因而會降低焊接接頭的沖擊韌性.當繼續增加Ni含量時，焊縫金屬組織中的貝氏體和馬氏體含量增加，由于二者具有高強度、低韌性的特點，因而使得焊接接頭的強度和硬度升高，但會使焊接接頭的塑性和韌性降低，這與拉伸、硬度和沖擊試驗結果相吻合.

圖4 不同Ni含量下焊縫的金相組織Fig.4 Microstructures of weld under different Ni contents

3 結 論

通過以上試驗分析可以得到如下結論：

1) 隨著Ni含量的增加，WQ960鋼焊接接頭中焊縫和熱影響區硬度值增大，焊縫最高硬度可達329.5 HV，并緩解了熱影響區軟化現象.

2) 隨著Ni含量的增加，WQ960鋼焊接接頭的抗拉強度升高，但塑性降低，焊縫沖擊功呈現先增加后降低的趨勢，焊縫金屬最佳Ni含量為1.22%.當沖擊試驗溫度為-60 ℃時，焊縫沖擊功為27.9 J，滿足GB/T 17493-2008標準要求，且高于國外同類藥芯焊絲的測試值.

3) 適量的Ni具有促進針狀鐵素體形成的作用，因而能夠提高WQ960鋼焊接接頭的強度和沖擊韌性，但當Ni含量過高時，雖然可以形成貝氏體和馬氏體而提高焊接接頭強度，但會降低其塑性和韌性.