高強度細晶粒結構鋼焊接性影響因素綜述

孫 咸

（太原理工大學 焊接材料研究所，太原 030024）

0 前 言

為了應對日益增長的對承載結構鋼更高力學性能的要求，在世界各地，越來越多的大型機械設備，以及各類輸送、裝卸和起重設備被投入使用。這類機械需要有效地移動超重載荷，并同時盡可能地降低自重。為此，需要采用高強（屈服強度達690 MPa，如A514F[1]），甚至超高強（屈服強度高達1 100 MPa，如S1100QL[2]）鋼材。同時，需要更可靠的焊接材料和焊接工藝，以確保焊接接頭的使用安全性。國際上對屈服強度達690 MPa 和高達1 100 MPa 級的高強度細晶粒結構鋼已經制定了相關標準，如美國ASTM A514F和歐洲標準BS EN 10025-6[3]等。這類鋼中合金元素含量較高，具有明顯的淬硬傾向。雖然一些研究文獻[2]中使用的焊接材料及其配套工藝取得了較為滿意的接頭力學性能，但是隨著工程應用的進一步開展，該類鋼焊接性及其影響因素仍然是生產企業和用戶關注的核心問題。迄今為止，所檢索到的涉及高強度細晶粒結構鋼焊接性影響因素的專題性文獻并不多見。為此論文從高強度細晶粒結構鋼焊接性分析入手，將該類鋼焊接性與接頭強度匹配、工藝參數等相聯系，探討焊接性影響因素。該項工作對于推動該類鋼焊接材料的創新開發、配套工藝的優化升級，以及工程質量的提升，具有參考價值和實用意義。

1 高強度細晶粒結構鋼及其焊接性分析

A514F 和S1100QL、XABO?1100、Weldox 1100鋼是經調質熱處理后的細晶粒高強度結構鋼，分別屬于低碳貝氏體類和低碳馬氏體+貝氏體類高強鋼。從化學成分看（見表1[1～9]），鋼中嚴格控制C、Mn元素含量，并用Cr、Ni、Mo、V等元素進行合金化；從力學性能上看（見表2[1～8]），該類鋼獲得了高強、高韌性的綜合力學性能。這是由該類鋼的強韌化機理決定的，即除了低C以控制鋼的焊接性，并通過Cr、Ni、Mo 等元素的固溶強化，同時利用微合金化元素如V等的細晶粒強化和析出強化等效應之外，最后采用調質熱處理（淬火+高溫回火）工藝的結果。該類鋼的供貨狀態為調質處理（淬火+高溫回火），前者（A514F）顯微組織為回火板條貝氏體+回火粒狀貝氏體，后者（S1100QL）顯微組織為細晶粒馬氏體（晶粒直徑1～8 μm）+貝氏體+鐵素體（見圖1[10]）。

圖1 S1100QL鋼供貨狀態（淬火+回火）的顯微組織

表1 A514F和S1100QL鋼的化學成分

表2 A514F和S1100QL鋼的的力學性能

表3 焊接材料的化學成分

雖然說該類鋼嚴格控制了C、Mn 元素含量，但鋼中合金元素含量較多，具有相當高的空淬特性；同時在調質狀態下焊接時HAZ 晶粒粗化會影響接頭性能。這就意味著并不是在所有情況下都能獲得滿意的接頭性能，研究表明，該類鋼焊接性的主要問題是：

（1）冷裂紋傾向大。該類鋼的碳當量較高（表1），除了A514F 鋼的碳當量為0.40%～0.70%之外，其余屈服強度大于1 100 MPa 鋼的碳當量多數為0.90%以上，甚至高達1.0%以上。鋼的淬硬傾向很大，同時鋼的板厚最高150 mm，自身拘束度又很大，加之焊接過程中不可避免混入一定量的氫。因此，接頭中產生冷裂紋傾向不可低估。

（2）再熱裂紋敏感性。該類鋼中含有Cr、Mo、V、Nb、Ti等碳化物形成元素，同時也含有B、P、Cu等殘留元素（見表1）。再熱裂紋敏感指數PSR反映碳化物形成元素對再熱裂紋影響程度的排序為V、Nb、Ti、Mo、Cr、Cu。可見V 的影響最大，其次是Nb，再次是Mo、Cr等。考慮鋼的板厚最高150 mm，接頭的拘束應力很大，也是引發再熱裂紋重要因素。德國蒂森克虜伯XABO?1100焊接文件中特別指出[6]，不建議該鋼焊接后進行消除應力熱處理，其理由是消除應力熱處理可能導致調制處理獲得鋼板力學性能的較大變化。這其中，亦含有防止再熱裂紋產生的提示。

（3）HAZ脆化傾向。S1100QL鋼焊前的顯微組織為細晶粒馬氏體+貝氏體+鐵素體，其晶粒直徑為1～8 μm，依據晶粒長大動力學原理，晶粒越細越容易長大，焊后HAZ 粗晶區尺寸比原始晶粒大好幾倍。考慮到該鋼碳含量較低約為0.20%，粗晶區形成低碳馬氏體，對脆性影響有限。對于該類鋼，HAZ晶粒長大是該區脆化的主因。根據 Hall-Petch 效應，隨晶粒直徑增大，HAZ 脆性轉變溫度VTrs（℃）提高，脆性增加，成為接頭的薄弱環節。HAZ 的寬窄與焊接方法、焊接熱輸入，以及母材厚度等因素有關。焊接熱輸入過大時，高溫停留時間長，HAZ晶粒長大嚴重，脆化明顯。

（4）HAZ 軟化傾向。調質鋼焊接時，HAZ中硬度最低的部位，其峰值加熱溫度在Ac1附近，硬度降低（軟化）程度與母材焊前熱處理狀態有關，母材在焊前調質時的回火溫度越低（即強化程度越大），則焊后的軟化程度越大。S1100QL鋼焊前的回火溫度低（為的是獲得高強度），焊接后HAZ 會產生不同程度的軟化和失強。難怪文獻[5]特別強調“如果熱加工超過220 ℃，則會改變鋼材初始回火（狀態），從而影響力學性能（指出現軟化而失強）”。表明該鋼焊接HAZ軟化傾向值得關注。HAZ 性能的劣化會明顯影響焊接接頭的使用性能（含接頭的力學性能和疲勞性能），將在下文論述。

2 高強度細晶粒結構鋼焊接性影響因素

2.1 焊縫強度匹配對冷裂紋的影響

圖2[4]是鐵研試件橫截面裂紋部位和形態實物照片。其中，圖2（a）中母材為ASTM A514F，填充焊絲為ER120S-G，是高強匹配接頭；圖2（b）中母材為EN S1100QL，填充焊絲為ER120S-G，屬于低強匹配接頭。表1[1-9]～表4[11]分別列出了鐵研試驗所用母材和填充材料的化學成分和力學性能。表5 是2 種接頭中擴散氫行為的對比分析。

圖2 鐵研試件中接頭冷裂紋部位及形態

表4 焊接材料的力學性能

表5 焊縫金屬中擴散氫行為的影響分析

對于ER120S-G/A514F 組合的高強匹配焊接接頭，由于焊縫金屬的γ→a（M）轉變溫度MS（399.89 ℃）高于母材（392.55 ℃）金屬，接頭中氫的擴散方向為焊縫向熱影響區（WM→HAZ），致使HAZ 成為富氫區而脆化，在接頭拘束應力作用下，裂紋首先在根部應力集中區啟裂，并沿焊縫HAZ 一直向上擴展，在焊縫厚度的2/3 處拐入焊縫并穿透焊縫表面（圖2（a））。對于S1100QL/ER120S-G 組合的低強匹配焊接接頭，轉變溫度MS有兩種情況：一種是焊縫金屬的γ →a （M）轉變溫度MS（382.27 ℃）低于母材（420.87 ℃，見表1[2]），母材先轉變，形成M 為主+B 組織，阻礙焊縫中氫向HAZ 擴散，此時焊縫中的氫只能向后面焊縫（WM→WM）擴散，焊縫金屬成為富氫區而脆化，在接頭拘束應力作用下，兩條裂紋首先在根部應力集中區啟裂，沿焊縫厚度方向穿透擴展（圖2（b））；另一種情況，是采用德國蒂森Union X 96 焊絲，焊縫的轉變溫度MS（382.27 ℃）高于母材（318.88 ℃，見表1[4]；329.36 ℃，見表1[3]），接頭中氫的擴散方向為焊縫向熱影響區（WM→HAZ），HAZ 成為富氫區而脆化，裂紋可能在根部應力集中區啟裂，沿焊縫HAZ 向上擴展，其趨勢如圖2 （a）所示。

在鐵研試驗條件下，接頭裂紋部位的變化，看起來主要取決于接頭中氫的擴散方向，實際上氫的擴散方向是受控于焊縫和母材金屬γ→a（M）轉變溫度MS，而轉變溫度MS的高低最先是受到焊縫與母材化學成分所支配。可以看出，裂紋形態部位差異的內在原因是焊縫與母材的化學成分的差異。

2.2 焊接接頭硬度分布對接頭拉伸試件斷口部位的影響

文獻[12]采用數值模擬方法對S1100QL 鋼焊接接頭橫截面的硬度進行了預測（圖3[12]），圖4[12]為分析預測與作者[10]測試數據的比較（應當是采用熱輸入Q=6.0 kJ/cm 時的硬度分布）。至于采用Q=7.0 kJ/cm 時的硬度分布，HAZ 軟化區的寬度增大，測點硬度大有下降趨勢，但實測數據不足，難以認定。僅從圖4 已經看出了HAZ 軟化傾向，HAZ 最低硬度為270HV，比母材硬度低50HV，如果繼續測試，測點硬度仍可能有下降趨勢。再比較圖4（a）與圖4（b），發現根部比表面軟化傾向更大。這是由于根部高溫停留時間比表面更長，回火程度更大所致。分析圖4（b），焊縫區和母材區的平均硬度為320HV，而HAZ 軟化區的硬度為270HV，顯然成為接頭承載的薄弱環節。盡管HAZ軟化區尺寸很薄，在試件拉伸過程中會產生拘束強化效應，但在連續加載狀態下，軟化區終因失強而斷裂。

圖3 焊接接頭的橫截面和硬度測量點［12］

圖4 S1100QL鋼焊接接頭橫截面的硬度分布

最后，在焊接熱循環作用下接頭HAZ 回火形成軟化區，而接頭拉伸試樣斷口亦位于接頭HAZ（而非焊縫區）[10]，進一步佐證了HAZ 軟化區是該類接頭的薄弱環節。

2.3 熱輸入對接頭力學性能的影響

為了考查工藝參數對S1100QL 鋼焊接接頭力學性能的影響，文獻[10]采用表6、表7 所列參數及試驗條件，對2 種熱輸入的焊件進行了顯微硬度、接頭拉伸和落錘沖擊以及相關檢測試驗。表8 列出了2 種熱輸入焊接接頭拉伸試驗結果，可以看出，熱輸入增大，抗拉和屈服強度均降低，由于HAZ 被回火所致。該接頭屬于低強匹配型，接頭拉伸試件的斷裂部位通常位于焊縫區，但是文獻[10]給出的斷裂部位卻是HAZ, 表明與焊縫相比較，HAZ 更加弱化。從圖5[10]和表9 可以看出，在QGMAW=6.0 kJ/cm 試件中（根部硬度分布曲線），位于右側HAZ 的270HV 硬度最低值處正是接頭HAZ 軟化區。盡管該軟化區很窄，在試樣拉伸過程中會發生拘束強化效應，對接頭獲得高于母材的抗拉強度作出了應有的貢獻，但在連續加載狀態下終因拘束強化效應失效（脆化）而導致試件在該處開裂；然而接頭斷裂部位與HAZ 軟化區較為吻合，這絕不是偶然現象。遺憾的是文獻[10]沒有提供拉伸試件斷口區弱化導致斷裂結果的斷口形貌。

圖5 2種焊接熱輸入試樣橫截面的硬度分布

表7 試驗用材料的化學成分和力學性能

表8 2種熱輸入焊接接頭拉伸試驗結果（斷裂部位：HAZ）

表9 2種熱輸入焊接接頭橫截面根部硬度分布（根據圖5制作）

表10[10]是2種熱輸入試件斷口形貌與沖擊吸收能量的關系。可以看出，較低熱輸入試樣的沖擊吸收能量比較高熱輸入試樣的高一些，即前者的韌性相對好一些。這是由于較低熱輸入使接頭HAZ回火輕微，HAZ硬度未降低，韌性較高。反之，較高熱輸入試樣HAZ被回火，硬度略降低，韌性略差。從2種沖擊試樣斷口形貌（圖6[10]）亦可看出熱輸入與HAZ韌性的對應關系，即熱輸入較低的試樣斷口為均勻的韌窩花樣，而熱輸入較高的試樣斷口為不均勻韌窩+坑內準解理混合花樣。

圖6 2種熱輸入焊接試樣的斷口SEM顯微圖像

表10 2種熱輸入試件落錘斷口形貌與沖擊吸收能量的關系

熱輸入對接頭力學性能的影響可以概括為3方面：一是隨熱輸入增大抗拉和屈服強度均被降低，其中抗拉強度低于標準下限要求（1 187.8 MPa）；二是隨熱輸入增大HAZ 軟化區增大，拉伸過程中的拘束強化效應減弱，抗拉強度被降低；三是隨熱輸入增大，焊縫和HAZ 區的落錘沖擊吸收能量略有減小。

為了獲得較為滿意的力學性能，文獻[13]的模擬研究表明，需對該鋼焊接熱輸入進行精確調整，以避免在快速冷卻時因HAZ 過度硬化而增加冷裂紋發生的風險，以及在過高的焊接熱輸入情況下降低接頭的強韌性能。

2.4 焊接方法對接頭疲勞性能的影響

為了考查焊接方法對高強度細晶粒結構鋼焊接接頭疲勞性能的影響，文獻[14]采用表11所列參數制備的試件進行了疲勞試驗。圖7是疲勞試樣尺寸，圖8是4種疲勞試樣（3種焊接接頭試樣、1種母材試樣）的疲勞壽命試驗結果（試樣的總應變振幅與循環次數之間的關系）。可以看出，MAG試樣隨總應變振幅εac減小，試驗循環次數Nf增大；大載荷（εac=0.5%）時，MAG 試樣的循環次數Nf遠低于L1（激光焊接）試樣；中等載荷（εac=0.3%）時，L1和L2（激光焊接）試樣與母材試樣（PM）的Nf有不小差距（L1試樣Nf=3×103，PM試樣Nf=5×104），而MAG試樣的循環次數Nf遠低于激光焊接試樣。試驗還發現，在2種激光焊接接頭試樣中，疲勞壽命較低接頭中的未熔合缺陷總計約為焊縫橫截面的8%，即使這樣，該試樣的壽命與GMAW接頭試樣的壽命相當。這是由于激光焊縫表面和根部的有利幾何形狀（可降低應力集中），以及較窄的 HAZ所致（無需額外的填充材料，而且熱輸入量較小）。

圖7 疲勞試驗試樣尺寸（單位：mm）

圖8 S1100QL鋼、GMAW 和激光焊接接頭的應變與壽命圖

表11 疲勞試驗用試件制備工藝參數

表12 列出了MAG 和L1 兩種試樣的疲勞試驗斷口特征。可以看出，在大載荷（Deac=0.5%）條件下，L1 試樣的疲勞壽命是MAG 試樣的4.3 倍。試樣的斷口形貌特征與接頭壽命具有較好的對應性，前者（MAG 試樣）斷裂初始階段的脆性特征及斷裂面的二次裂紋分別見圖9（a）和圖10（a），后者（L1 試樣）裂紋的擴展較為平緩，具有許多斷裂抑制（受阻）空間和脆韌性剪切區，分別見圖9（b）和圖10（b）。

圖9 Deac=0.5%時2種焊接試樣中裂紋的萌生

圖10 2種焊接方法焊接接頭中的壓縮疲勞條紋

表12 兩種試樣疲勞斷口特征

文獻[14]指出，與沒有焊縫的母材試樣相比，焊接接頭試樣的疲勞壽命降低了 50～60%。具體到激光焊接試樣與GMAW 試樣的疲勞試驗結果，雖然在大載荷下（Deac=0.5%）激光焊接試樣比GMAW試樣的疲勞壽命高，但與母材的疲勞壽命差距很大。這與焊接接頭試樣HAZ性能被弱化有關。至于激光焊接試樣的較高壽命則是激光焊接工藝特性（無填充材料、熱輸入小、焊縫窄、HAZ窄、焊縫外觀應力集中小等）所決定。

3 結 論

（1）高強度細晶粒結構鋼焊接性主要問題是接頭的冷裂紋敏感性、HAZ 的軟化和脆化傾向，以及再熱裂紋敏感性。

（2）不同焊縫強度匹配的鐵研試件裂紋形成部位的不同，主要受焊縫與母材的化學成分決定的相變溫度的差異，以及焊縫中氫的擴散行為所影響。

（3）焊接接頭硬度分布中呈現的低硬度HAZ軟化區與接頭拉伸試件斷口部位相一致，表明HAZ軟化區是該接頭的薄弱環節。

（4）熱輸入對接頭力學性能的影響表現為隨熱輸入增大抗拉和屈服強度均被降低，其中抗拉強度低于標準下限要求，同時焊縫和HAZ 的沖擊吸收能量略有減小。

（5）激光焊接試樣的較高疲勞壽命是激光焊接工藝特性（無填充材料、熱輸入小、焊縫窄、HAZ 窄、焊縫外觀應力集中小等）所決定。