焊絲強度對超高強鋼焊接接頭組織與性能影響研究

吳志文，胡學文，王承劍，牟祖茂，石東亞

(馬鋼股份公司技術中心 安徽馬鞍山 243003)

近年來，節能環保、綠色制造理念全面實施，工程機械行業對鋼材高強度、輕量化的要求越來越高[1]-[3]。目前國內對抗拉強度1000 MPa及以上超高強鋼的需求急劇增大。熱軋超高強鋼通過增碳、微量合金元素(Nb和Ti)合金化，并通過控軋控冷工藝提高強度，使其具有良好綜合力學性能。但由于碳當量較高，其淬透性較高，以致在焊接過程中粗晶區中易出現馬氏體，在熱應力及組織應力下易發生斷裂。同時熱軋超高強鋼主要以相變強化(鐵素體+馬氏體)來提高強度，焊接過程中細晶區及不完全相變區相比于普通高強鋼軟化更為嚴重[4]-[5]。因此相比于普通高強鋼，熱軋超高強鋼焊接性下降更加明顯。本文采用三種不同等級的焊絲來焊接熱軋超高強鋼，研究不同強度焊絲對超高強鋼焊接接頭組織與性能的影響，綜合考慮強韌性指標，在低強匹配的基礎上，提供焊接工藝參數與焊絲的推薦值，為實際焊接提供參考。

1 試驗材料及方法

采用厚度4 mm的熱軋超高強鋼鋼板，顯微組織如圖1所示。可以看出，組織為鐵素體+馬氏體，馬氏體體積分數約占60%。母材超高強鋼和試驗焊絲的化學成分如表1所示，母材超高強鋼和試驗焊絲熔敷金屬的力學性能如表2所示。可以看出，熱軋超高強鋼采用Nb、V、Ti微合金化成分設計，未添加Cr、Mo、Ni等貴重合金元素，成本較低。通過控軋控冷手段，母材抗拉強度達到1200 MPa。

圖1 母材顯微組織

表1 母材和焊絲的化學成分(質量分數，%)

母材邊部進行打磨清理。焊機為YD-500KR型氣體保護焊機，焊接方法為氣體保護焊，保護氣為20%CO2+80%Ar，焊接參數如表3所示。

表2 母材和焊絲熔敷金屬的力學性能

表3 焊接工藝參數

遵照焊接接頭力學性能檢測相關國家標準，焊接接頭拉伸試樣平行段寬度為25 mm，焊縫軸線位于拉伸試樣中間部位。正彎試樣尺寸為30 mm×150 mm。拉伸與正彎試樣余高部分通過砂輪機去除。在焊接接頭不同位置取樣加工成尺寸為2.5 mm×10 mm×50 mm的沖擊試樣，沖擊試驗溫度為-20 ℃。通過硝酸酒精溶液腐蝕焊接接頭橫截面，觀察顯微及硬度檢測。

2 試驗結果及分析

2.1 顯微組織

圖2為三種焊絲HTW-50、HS-70和HTW-80B焊接超高強鋼形成的焊縫組織。可以看出，HTW-50焊絲焊縫組織主要為晶界上生成的粗大先共析鐵素體及晶內生成的針狀鐵素體，HS-70焊絲焊縫組織主要為粒狀貝氏體+少量鐵素體，HTW-80B焊絲焊縫組織主要為粒狀貝氏體。隨著焊絲等級的提升，焊縫硬相組織逐漸增多。

圖2 焊縫組織

相同母材采用相近焊接工藝時，焊絲化學成分是焊縫組織的決定因素。HTW-50焊絲無合金元素，HS-70焊絲為Mo-Ni合金系，HTW-80B焊絲為Cr-Mo-Ni合金系，HTW-80B焊絲相比于HS-70不僅增加了0.41%左右的Cr，而且Ni含量翻倍(由0.84%增加到1.62%)。Cr是擴大γ相區元素，能顯著降低奧氏體起始轉變溫度。Ni是奧氏體穩定化元素，在高溫時，會與γ-Fe形成無限固溶體[6]。冷卻時需要更大的驅動力，奧氏體才會發生轉變，通常以增大過冷度的方式來實現。此時，起到降低奧氏體起始轉變溫度的效果。因此添加了Cr或Ni，先共析鐵素體這種高溫組織的轉變受到抑制，并且易在較低的溫度生成粒狀貝氏體。因此，焊絲強度逐漸升高的過程中，焊縫組織先共析鐵素體逐步消失，硬相組織貝氏體逐漸增多。

2.2 焊接接頭性能分析

2.2.1 焊接接頭強度與硬度

表4為焊接接頭拉伸性能。可以看出，隨焊絲強度升高，抗拉強度從614 MPa逐漸增至931 MPa，但均遠小于母材強度，所以均斷在焊縫位置。相比于HTW-50焊絲，HS-70與HTW-80B焊絲的抗拉強度平均分別提高226 MPa、317 MPa。HTW-50焊絲的焊縫組織為先共析鐵素體和針狀鐵素體，使焊縫具有較低的抗拉強度，當出現粒狀貝氏體時，抗拉強度逐漸增大。焊縫組織完全為粒狀貝氏體時，抗拉強度達到最大。

表4 焊接接頭拉伸性能

圖3為超高強鋼焊接接頭橫截面的硬度分布曲線。可看出，隨焊絲強度逐步升高，焊縫顯微硬度由224 HV1逐漸增至265 HV1，均低于母材硬度。相比于HTW-50焊絲，HS-70與HTW-80B焊絲焊縫顯微硬度平均分別提高30 HV1、41 HV1，并且，這兩種焊絲焊縫顯微硬度較接近。HTW-50焊絲焊縫組織主要是先共析鐵素體，為軟相組織，硬度最小。HS-70焊絲焊縫出現大量硬相組織粒狀貝氏體，硬度增至254 HV1。HTW-80B焊絲焊縫組織全為粒狀貝氏體，硬度達到最高值。

圖3 焊接接頭硬度分布曲線

表5為焊接接頭熱影響區軟硬化程度。可以看出，3種強度焊絲熱影響區均出現不同程度的軟化現象，軟化率在0.80～0.92%范圍內。由于此次焊接試驗線能量數值較小，粗晶區降溫過程的冷速較快，存在輕微程度的硬化現象。

表5 熱影響區軟硬化程度

2.2.2 焊接接頭沖擊韌性與塑性

圖4為焊接接頭不同部位的-20 ℃沖擊功結果。可看出，隨焊絲強度升高，焊縫區沖擊功從58 J下降至12.3 J。ER50-6焊絲焊縫沖擊功高于母材，HS-70與HTW-80B焊絲焊縫沖擊功均低于母材。熱影響區沖擊功均低于母材。HTW-50焊絲焊縫組織為先共析鐵素體+針狀鐵素體。針狀鐵素體可以把奧氏體分隔成多個部分，阻止裂紋擴展。因此，沖擊功最高，并且高于母材。當出現粒狀貝氏體時，韌性下降。

圖4 焊接接頭沖擊性能

表6為焊接接頭的正彎試驗結果。可看出，焊接接頭110°冷彎(D=6a)合格。

表6 焊接接頭彎曲性能

3 結論

采用3種不同強度級別的焊絲對熱軋超高強鋼進行焊接，研究焊接接頭的強韌性匹配問題，結論如下：

在低強匹配基礎上，隨著焊絲強度的升高，焊縫組織由先共析鐵素體+針狀鐵素體逐漸轉變為粒狀貝氏體+少量針狀鐵素體，直至最后的全部粒狀貝氏體。

隨著焊絲強度的升高，硬質相粒狀貝氏體逐步增多，焊縫硬度由224 HV1增至265 HV1；沖擊功由58 J降至12.3 J。焊接接頭抗拉強度由614 MPa增至931 MPa，均斷裂在焊縫。

在低強匹配基礎上，綜合塑韌性來看，熱軋超高強鋼的焊接工藝為：焊接電流170 A-180 A；焊接電壓23 V-25 V，焊接速度為52 cm·min-1，選用HS-70焊絲。