Q345qD鋼T形接頭多層焊接接頭組織轉變

陳國慶，邢紫麒，祖松鶴，張戈，滕新顏

(1.哈爾濱工業大學，先進焊接與連接國家重點實驗室,哈爾濱 150001；2.中鐵科工集團軌道交通裝備有限公司,武漢 430223)

0 前言

鋼橋的制造直接反映出一個國家的工業化水準，Q345qD鋼屬于橋梁的常見結構鋼，廣泛應用于橋梁建設及鐵道工程之中[1-3]。T形焊接接頭作為梁類等空間結構最常見的連接形式，其接頭強度直接決定著整體結構的工作承載能力，是考核橋梁質量最為關鍵的因素之一[4-5]。

結構鋼的性能往往與其組織密切相關，焊接接頭組織轉變常受焊接溫度場的直接影響，因此有必要針對結構鋼研究其多層多道焊接接頭溫度場，并分析不同焊層的相互熱作用。胡龍等人[6]應用有限元模型模擬計算描述Q345qD鋼焊接的溫度場并預測接頭組織形貌，其結果與試驗結果相吻合。雷洋洋等人[7]使用Marc有限元模擬軟件探究Q355耐候鋼厚板多層焊接溫度場演變規律。Weingrill等人[8]使用SYSWELD對60E1型材和R350HT鋼軌的前十層窄間隙多層氣體保護焊進行三維瞬態有限元模擬，以研究熱影響區內溫度場并推斷相成分演變。Lin等人[9]利用ANSYS對316L不銹鋼板多層激光-電弧復合焊接進行了熱-力耦合有限元模擬，進而闡明微觀組織形成機理。

文中以Q345qD鋼T形接頭多層焊接角焊縫為研究對象，使用Abaqus有限元軟件建立數值模型，分析不同焊層溫度變化，并探究焊接過程中不同焊層間相互作用與顯微組織之間的關系。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

ER50-6焊絲向焊縫中引入Si，Mn和Cr等元素，極大地提升接頭低溫沖擊韌性[10]，適用于低碳鋼的多層多道焊接，因此選用直徑為1.2 mm的ER50-6焊絲進行焊接試驗。選取熱軋態的Q345qD鋼為試板，通過機械銑切加工成尺寸為350 mm×150 mm×24 mm的立板和350 mm×350 mm×24 mm的底板。所用焊絲與母材成分如表1所示。

表1 焊絲與母材的化學成分(質量分數，%)

1.2 工藝方案

對Q345qD立板下端單側加工45°的V形坡口，雙側施焊。焊前用丙酮清理坡口去除水分、油污以及鐵銹等。在坡口側采用合適的熔化極氣體保護焊工藝焊接3層，并以此為主要研究對象，分別為打底層、填充層、蓋面層，其具體的工藝參數及使用熱電偶實現層間溫度控制結果如表2所示。在垂直于焊接前進方向上截取部分試樣如圖1所示，使用180號～5000號砂紙對焊縫及附近母材逐級打磨，并利用2.5 μm金剛石拋光劑拋光20 min制備金相試樣，使用4%的硝酸酒精溶液對金相試樣進行腐蝕，使用VHX-1000E超景深光學金相顯微鏡觀察坡口側焊接接頭的顯微組織。

表2 焊接工藝參數

圖1 T形焊接接頭橫截面示意圖(mm)

使用Abaqus有限元模擬軟件,依據Q345qD鋼T形接頭多層焊接的坡口形貌以及焊接次序建立幾何模型，并進行網格劃分。為了提高模擬過程中的計算速率，同時保證計算準確性，焊縫熱影響區及其附近設置較小的網格，而距離焊縫較遠的區域設置較大的網格，母材及焊絲熱物理參數如表3所示[11]。

表3 ER50-6和Q345qD鋼的熱物理參數

1.2.1熱源模型

考慮到熔化極氣體保護焊熔池前端溫度上升迅速，同時后端降溫緩慢，因此選取雙橢球體熱源模擬焊接電弧能量[12]。雙橢球體熱源由兩個尺寸不同的半橢球拼合而成，如圖2所示，其熱源表達式為

圖2 雙橢球體熱源示意圖

(1)

式中：qf和qr是前后兩個半橢球的熱流密度分布函數；af和ar是前后兩個半橢球的x方向上的半軸長度；b和c分別是前后兩個半橢球的y方向及z方向上的兩個半軸長度；ff和fr為前后兩個半橢球占熱輸入的比例，ff+fr=2。

在多層焊接模擬過程中不同焊層焊接工藝參數與實際工藝參數保持一致，所選用的有限元熱源模型尺寸選擇如表4所示。

表4 熱源模型尺寸 mm

1.2.2初始條件及邊界條件

采用ABAQUS進行焊接瞬態熱分析時，需要給定初始溫度，因此假設實際焊接過程的初始溫度與室溫相同，為20 ℃。多層多道焊接溫度場模擬時，同時考慮對流換熱和輻射散熱，并將二者進行整合，模擬計算時向模型表面單元施加對流換熱系數，模擬接頭對流散熱和輻射散熱情況，而模型的內部只有熱傳導，不用考慮對流輻射等散熱?？紤]到焊接過程的復雜性，在進行焊接模擬時，對不涉及溫度或者對溫度場影響較小的因素進行了簡化處理，并對模型做了如下假設。

(1)模擬過程不考慮熔池流動及熔池內部化學反應。

(2)材料連續和各向同性，高溫時仍作固態處理。

(3)焊接過程中熱輻射損失的熱量，通過加大表面對流系數來實現。

(4)假定焊接過程中的焊接線速度一直恒定不變。

1.2.3熱源校核

圖3顯示了Q345qD鋼T形接頭焊接模擬結果。由圖可知，焊接熱源移動過程中形成的熔池形貌與實際焊接過程近似。由于模擬過程中沒有考慮液態金屬的流動作用，模擬得出的焊接熔池形貌都比較規則。通過圖3中的對比可知，焊接接頭的實際熔池形貌與有限元模擬結果雖然在局部存在一定差異，但整體的形貌擬合度較高，這也驗證了熱源模型的準確性。

圖3 實際焊縫形貌與模擬形貌對比

2 結果分析

2.1 焊縫顯微組織

焊后觀察發現焊縫成形良好，表面光滑，無未焊透和裂紋等缺陷(圖4)。Q345qD母材的顯微組織如圖4a所示，以條帶狀的鐵素體(F)和片層狀珠光體(P)為主，此外還伴隨少量細粒狀碳化物的析出，可以清晰地看到熱軋態Q345qD的軋制取向。焊縫顯微組織以奧氏體冷卻轉變的鐵素體及珠光體為主，其中鐵素體可分為先共析鐵素體(PF)和針狀鐵素體(AF)。針狀鐵素體的形成與金屬氧化物的析出存在密切聯系，由于焊縫冷卻速度很快，高熔點化合物率先析出，形成以諸如SiO2，MnO2等為核心的復合析出相，充當針狀鐵素體的形核核心[13]。凝固過程中以Cr和V元素為主元的金屬碳化物彌散分布，并成為熔池凝固的晶核，承擔細化焊縫晶粒的作用[14]。圖4b為打底層焊縫的顯微組織，其珠光體的含量相對較多。打底焊層靠近母材，母材含碳量較高使得焊縫整體含碳量增加，導致珠光體含量小幅增加，同時伴隨著羽毛狀上貝氏體(B)的形成。如圖4c所示，受到打底層保持一定余溫的影響，填充層焊縫前端過冷度小，轉變得到的先共析鐵素體相較打底層增多，而針狀鐵素體含量較少。如圖4d所示，最后一層蓋面層焊縫顯微組織中鐵素體與珠光體均勻分布，珠光體含量少于打底層但略高于填充層。

圖4 焊接接頭金相組織

2.2 焊接溫度場對接頭組織的影響

鋼材熔化極氣體保護焊是迅速升溫和降溫的過程，焊縫組織形貌受溫度場影響較大，多層焊中不同焊層間同樣存在相互的熱作用，因此有必要通過有限元仿真的方法對多層焊接溫度場進行分析。

經過去除坡口網格→添加打底層網格加熱冷卻→添加填充層網格加熱冷卻→添加蓋面層網格加熱冷卻的模擬步驟計算得出焊接溫度場分布云圖,如圖3所示，依次為熔池實際形貌、打底層、填充層及蓋面層的橫截面，灰色區域表示已達到材料熔點形成熔池。打底層熔池范圍最大，在整個焊縫尺寸占比最多，主要承擔連接T形接頭兩塊板材的作用。填充層與蓋面層熔池形貌接近半月狀，主要承擔填充焊縫金屬以及實現焊腳平滑過渡的作用。這與金相觀察的焊縫截面形貌相匹配，表明焊接模擬的結果可以為實際焊接提供指導。在3個焊層與熱影響區的焊接模擬網格中選取4點，并提取熱循環曲線，橫截面節點具體位置如圖5所示。

圖5 橫截面節點位置

2.2.1溫度場對焊縫組織的影響

圖6和圖7為焊縫熱循環曲線及焊縫掃描電鏡顯微組織形貌。圖6a對應打底焊焊層，可以觀察到點1的最高溫度達到1 591 ℃并迅速降溫，在施焊填充層后溫度再次升至659 ℃，在施焊蓋面層后溫度上升至467 ℃，隨著焊接過程結束溫度緩慢下降至室溫。打底層焊縫與室溫母材之間過冷度大，導致第一階段冷卻速度較大，并且Q345qD鋼焊縫中珠光體的含量與冷卻速度正相關，這也是打底焊層珠光體含量較多的另一個原因。此外上貝氏體的形成溫度約為350～550 ℃，與打底焊第三次熱循環相吻合。如圖7a所示，打底層焊縫生成羽毛狀的上貝氏體，同時經歷過兩次后熱處理，打底層晶粒也得到一定程度的細化。

圖6b顯示位于填充層的點2最高溫度達到1 926 ℃并快速降溫，在施焊打底層后溫度升至Q345qD鋼的正火溫度以上并保持較長時間，使得填充層經歷二次熱循環重新奧氏體化，并在降溫過程中轉變為圖7b中塊狀的先共析鐵素體以及珠光體。焊縫金屬和SiO2，MnO2等高熔點化合物之間存在線膨脹系數的差異，因此會在二者之間形成一定體積的空洞，由此釋放出的應變能為針狀鐵素體的形核提供驅動力[13]。但在這種近似正火的熱處理影響下，釋放的能量甚至會高于塊狀鐵素體的形核驅動力，這導致打底層中鐵素體同樣容易形成塊狀鐵素體。

圖6 焊縫熱循環曲線

圖7 焊縫掃描電鏡顯微組織形貌

圖6c顯示位于蓋面層點3快速升溫最高至2 222 ℃后迅速降溫，并且不再受后續焊接過程的影響。由圖7c可以看到鐵素體與珠光體均勻分布，焊縫中得到的針狀鐵素體可以有效阻止裂紋的擴展。

2.2.2溫度場對熱影響區組織的影響

從圖8可以看出熱影響區經歷3次升溫階段，受打底層焊接影響的溫度可達到AC3溫度線以上，并且受其它兩層焊接的影響，熱影響區長時間處于被加熱的狀態，導致熱影響區熱輸入增大、保溫時間延長。圖9為試樣熱影響區在掃描電子顯微鏡下組織分布。經顯微組織分析，此處珠光體和鐵素體組織均勻且細小，相當于正火組織。本應該粗大的晶粒實際長大并不嚴重，這是母材中V等元素的碳化物彌散分布在晶界，抑制奧氏體晶粒長大所導致的[15-16]，最終可以得到相對細小的鐵素體和珠光體，并伴隨細粒狀貝氏體的產生。

圖8 熱影響區熱循環曲線(點4)

圖9 焊接熱影響區顯微組織

3 結論

(1)對Q345qD鋼T形接頭角焊縫使用熔化極氣體保護焊施焊3層，焊縫成形良好表面光滑，不存在未焊透或裂紋等焊接缺陷。

(2)焊縫顯微組織以鐵素體與珠光體為主，其中鐵素體主要形態為塊狀與針狀。打底焊層受較快冷卻速度的影響珠光體含量相對較高，填充層中奧氏體傾向于轉變為塊狀鐵素體，其珠光體含量相對較少，而蓋面層珠光體鐵素體均勻分布。

(3)由模擬結果可知打底層迅速升溫至1 591 ℃，降溫后受到后兩層焊接過程的反復升溫影響，導致晶粒細化；填充層受到后一層近似正火的熱處理更容易轉變成塊狀鐵素體；蓋面層在預熱的金屬表面施焊最高溫度可達2 222 ℃；熱影響區被加熱到AC3溫度以上，并被延長保溫時間，長時間處于被加熱狀態中。