焊接熱輸入對低碳貝氏體金屬粉芯焊絲（CHT120CK4）熔敷金屬組織和力學性能的影響

蔣勇 郭棲利 梁晨 董萬龍 李偉 曹睿

摘要：采用一種低碳貝氏體金屬粉芯焊絲進行對接焊接，研究不同熱輸入（13.4～20.6 kJ/cm）對低碳貝氏體金屬粉芯焊絲熔敷金屬組織、拉伸性能和沖擊韌性的影響。結果發現，低碳貝氏體熔敷金屬的原始焊縫、焊縫內再熱區組織都由粒狀貝氏體和準多邊形鐵素體（QPF）組成。隨著熱輸入的增加，原始焊縫、焊縫內再熱區中的粒狀貝氏體含量呈現先增大后降低的變化規律，隨著熱輸入的增加，熔敷金屬的屈服強度、抗拉強度先增大后降低，與微觀組織的變化趨勢一致;17.9 kJ/cm熱輸入下熔敷金屬的屈服強度、抗拉強度均達到峰值;隨著熱輸入的增大，沖擊韌性逐漸降低。在室溫和-50 ℃下13.4 kJ/cm熱輸入的熔敷金屬具有較好的拉伸塑性和沖擊韌性，這主要與低熱輸入下的細小晶粒相關。

關鍵詞：焊接熱輸入;焊縫;顯微組織;拉伸性能;沖擊韌性

中圖分類號：TG422.3 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）06-0032-09

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.06

0 ? ?前言

隨著我國制造業的發展，各個結構件之間的連接問題成為人們關注的熱點，其焊縫性能的好壞對于整個結構的壽命具有決定性作用。其中低合金高強鋼的應用最為廣泛，主要用在具有高強度、高韌性及良好焊接性的構件上，例如造船、油氣管道、鍋爐等[1-2]。

焊縫金屬的強度和韌性一直是不可調和的矛盾，要想獲得具有優異力學性能的焊縫，焊接過程中參數的控制顯得尤為重要[3]。Kwok-Fai Chung等人[4]研究發現，通過適當控制S690鋼的焊接熱輸入（10 kJ/cm最佳）可以改善該材料焊接接頭的力學性能。Lingyun Wei等人[5]對HSLA-65鋼進行攪拌摩擦

焊，結果表明焊接接頭的抗拉強度與熱輸入呈線性關系，熱輸入為13.08 kJ/cm時抗拉強度最高，而屈服強度則符合Hall-Petch關系，取決于原奧晶粒尺寸以及板條貝氏體的尺寸。Keshav Prasad等人[6]對低合金高強鋼（HSLA）進行埋弧焊，發現在合適的熱輸入下（54 kJ/cm）接頭韌性能達到較高，當熱輸入過高時（63 kJ/cm）則導致接頭韌性下降。M. Sadeghian等人[7]對超級雙向不銹鋼和HSLA進行鎢極氬弧焊（GTAW），發現隨著熱輸入（5.06～8.6 kJ/cm）的增加，鐵素體比例降低;同時在-20 ℃下熱輸入對沖擊韌性有顯著影響。Lian Chen等人[8]對屈服強度為800 MPa、厚度為8 mm的HSLA進行激光焊，發現在相對較高的熱輸入（7.8 kJ/cm）下，接頭強度降低為母材的77%，中等熱輸入（5.6 kJ/cm）下在熔合區發現了長鏈狀的M/A組元，大大降低沖擊韌性。Ebrahim Mortazavi等人[9]采用 GTAW焊接316L奧氏體不銹鋼和X70低合金高強鋼，發現隨著熱輸入的增加（7.3～9.7 kJ/cm），焊縫金屬中的枝晶尺寸和枝晶間間距增加，δ鐵素體的含量減少，導致拉伸強度和硬度降低，但沖擊韌性增加;同時，熔合邊界中奧氏體晶粒的尺寸增大。Changfei Wen等人[10]采用熔化極活性氣體保護電弧焊（MAG）焊接低合金高強鋼，發現焊縫中存在大量針狀鐵素體，沖擊韌性明顯改善;但隨著熱輸入的增加（10.5～18.5 kJ/cm），針狀鐵素體向魏氏體轉變，同時在最大熱輸入（18.5 kJ/cm）下強度下降明顯。由此可見，熱輸入對于焊接接頭力學性能的影響至關重要。文中針對低碳貝氏體焊縫金屬，采用弧焊方法研究不同熱輸入下焊縫金屬的微觀組織、拉伸性能、硬度以及沖擊韌性的變化，以獲得力學性能最好的工藝參數，優化焊接工藝。

1 實驗材料及方法

采用直徑φ1.6 mm的金屬粉芯焊絲進行多層多道焊接，熱輸入分別為13.4 kJ/cm、15.8 kJ/cm、17.9 kJ/cm、20.6 kJ/cm，且焊接過程中所有焊道均采用相同的熱輸入。焊接工藝參數如表1所示。為了避免母材對熔敷金屬的稀釋，焊接前先在坡口兩側使用焊絲進行3 mm的熔敷，然后進行對接焊接。整體焊接裝置和取樣示意如圖1所示，在焊縫中心位置沿著焊接方向取樣，V型缺口貫穿焊縫的柱狀晶區和再熱區，以避免取樣位置對試驗結果的影響。熔敷金屬的化學成分如表2所示。本研究對象為熔敷金屬，不考慮焊接接頭整體，所有分析都是基于熔敷金屬進行，金相試樣、拉伸試樣、沖擊試樣均從焊縫上截取。采用Quanta FEG450 場發射掃描電子顯微鏡觀察分析微觀組織，并用EDS進行相分析。拉伸試樣、沖擊試樣如圖1b、1c所示。通過AGS-X 300kN 電子萬能試驗機測試拉伸性能;沖擊韌性通過夏比沖擊擺錘試驗機JB-300B測試;通過型號為HVT-1000A的維氏硬度計獲得硬度。

2 結果與討論

2.1 熱輸入對焊縫金屬顯微組織的影響

不同熱輸入下原始焊縫和再熱區的微觀組織如圖2、圖3所示。可以看出，原始焊縫及焊縫再熱區的組織由粒狀貝氏體和少量的準多邊形鐵素體組成。粒狀貝氏體包含大量的M/A組元和貝氏體鐵素體。而沖擊韌性和M/A的形態、分布和組成直接相關，一般認為大塊狀的M/A降低韌性，薄膜狀的M/A則對韌性有益。不同熱輸入下的焊縫組織組成及含量變化如表3、表4所示。熱輸入為13.4 kJ/cm、17.9 kJ/cm時，原始焊縫中粒狀貝氏體的含量分別為68.5%和75.3%;但隨著熱輸入的進一步增大，粒狀貝氏體含量反而下降，焊縫內再熱區的組織組成及含量變化與之類似。隨著熱輸入從13.4 kJ/cm增至17.9 kJ/cm，冷卻速度從28.8 ℃/s降至17.8 ℃/s，有足夠的時間使得鐵素體中的碳擴散到鄰近的奧氏體中，從而引起周圍奧氏體中的碳含量增加，即富碳奧氏體含量增加[11]。焊縫金屬中M/A組元含量的增加導致了焊縫金屬沖擊韌性的惡化。

2.2 熱輸入對焊縫金屬拉伸性能的影響

焊縫熔敷金屬在室溫和-50 ℃下的拉伸性能隨

熱輸入的變化如圖4所示。隨著熱輸入從13.4 kJ/cm增加到15.8 kJ/cm，室溫和-50 ℃下的屈服強度分別增加了18.9 MPa 和5.2 MPa，抗拉強度分別增加了63.4 MPa和12.7 MPa，而斷面收縮率分別下降了4%和5%。當熱輸入增加到17.9 kJ/cm時，屈服強度和抗拉強度達到最大值，繼續增大熱輸入，屈服強度和抗拉強度下降，而斷面收縮率隨熱輸入的增加一直呈下降趨勢。在不同的熱輸入下，室溫下的拉伸性能始終低于-50 ℃下的拉伸性能，這是因為在-50 ℃下，原子熱振動緩慢，位錯開動更加困難。結合表3、表4可知，隨著熱輸入的增加，熔敷金屬中的粒狀貝氏體含量先增加后降低，原始焊縫中粒狀貝氏體含量在17.9 kJ/cm時達到最大值75.3%，較13.4 kJ/cm時增加了10%。因此在17.9 kJ/cm時強度達到峰值。熱輸入達到20.6 kJ/cm時，高溫停留時間長，晶粒有足夠的時間長大，而晶粒粗大導致強度降低。

熱輸入13.4 kJ/cm、焊縫金屬在室溫和-50 ℃實驗溫度下拉伸宏觀及微觀斷口形貌如圖5所示。整體而言拉伸宏觀斷口均為杯錐狀斷口。室溫下所有拉伸斷口均由纖維區、剪切唇構成;-50 ℃下的拉伸斷口均存在纖維區、放射區、剪切唇三個區域。其他熱輸入下焊縫金屬的斷裂特征與圖5類似，僅各區域大小略有不同，不同區域所占面積統計如表5所示。結合圖5、表5可知，13.4 kJ/cm下焊縫金屬拉伸斷口中纖維區的韌窩尺寸較小、韌窩較深;并且室溫及-50 ℃下，斷口上纖維區所占比例最大。因此，在該熱輸入下焊縫金屬的拉伸塑性較好。

2.3 熱輸入對焊縫金屬沖擊韌性的影響

不同熱輸入下焊縫金屬沖擊試樣斷口形貌如圖6～圖9所示。室溫下的所有沖擊斷口均由延伸區和纖維區（韌性斷裂區）、放射區（解理斷裂區）和剪切唇（剪切斷裂區）組成。延伸區由于較好的塑性變形能力以及纖維區的韌窩有利于沖擊功的提高，所以，韌性的高低和延伸區與纖維區的面積之和呈現正相關的關系。不同熱輸入下室溫沖擊斷口組成及比例如表6所示。

可以看出，熱輸入為13.4 kJ/cm時，纖維區與延伸區總面積最大，說明在脆性解理斷裂之前材料進行了大量的塑性變形，即材料越不容易產生脆性（解理）裂紋，焊縫金屬的沖擊韌性越好[12]。但隨著熱輸入的增加，焊縫金屬沖擊斷口上延伸區與纖維區的總面積逐漸減小，韌性惡化。另外，-50 ℃下，13.4 kJ/cm對應焊縫金屬沖擊斷口上的解理小面尺寸更小、更均勻，撕裂脊更為陡峭。因此，熱輸入為13.4 kJ/cm的焊縫金屬在室溫和-50 ℃均表現出最好的韌性。

由圖6～圖9可知，-50 ℃下焊縫金屬沖擊斷口均為準解理斷裂，解理斷裂起裂源處均為Fe、Mn、Si、Cr合金元素的氧化物或硫化物等夾雜物，相應的起裂源點分析結果如圖10所示。細小的夾雜物僅作為最終解理斷裂的起裂源，并不能決定沖擊韌性的高低，沖擊韌性的高低主要與其微觀組織、晶粒尺寸以及M/A含量等直接相關。

2.4 熱輸入對焊縫金屬顯微硬度的影響

不同熱輸入下焊縫熔敷金屬的顯微硬度如表7所示。隨著熱輸入的增加，原始焊縫、焊縫內再熱區的顯微硬度呈現出先增加后降低的趨勢，隨著熱輸入的增加，原始焊縫和焊縫內再熱區的粒狀貝氏體含量增多，粒狀貝氏體中大量M/A組元的存在使其硬度可達600 HV，故整體硬度增加。但20.6 kJ/cm熱輸入下的硬度值低于13.4 kJ/cm對應的硬度值，這是因為20.6 kJ/cm熱輸入下的粗大晶粒導致其硬度值降低。焊縫再熱區的硬度均高于原始焊縫的硬度，這是由于再熱區受到前面焊道的再熱作用產生的晶粒細化所導致的。

3 結論

（1）熱輸入從13.4 kJ/cm、15.8 kJ/cm、17.9 kJ/cm到20.6 kJ/cm逐漸增加，焊縫金屬的強度和硬度呈現先增加后降低的趨勢，這主要是由于焊縫金屬組織中粒狀貝氏體的含量先增加后降低引起的。在熱輸入為17.9 kJ/cm的焊縫金屬中粒狀貝氏體的含量達到最大值，因此其強度和硬度也達到最大值。

（2）熱輸入從13.4 kJ/cm、15.8 kJ/cm、17.9 kJ/cm到20.6 kJ/cm逐漸增加，晶粒粗大導致焊縫金屬的拉伸延伸率和沖擊韌性依次降低。焊縫金屬沖擊韌性的高低直接與晶粒大小以及組織相關，晶粒尺寸的影響程度高于粒狀貝氏體的含量對沖擊韌性的影響。

（3）13.4 kJ/cm下的焊縫金屬在室溫及-50 ℃時具有最好的拉伸塑性和韌性，在室溫和-50 ℃的屈服強度分別為636.5 MPa和679.2 MPa，抗拉強度分別為678.6 MPa和826.9 MPa，沖擊韌性分別為75.1 J和49.1 J。

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