1 700 MPa級超高強鋼和Q550D高強鋼異種接頭組織性能研究

劉春柏 周明文 劉敏 趙醍 呂緒騰

摘要： 通過采用MAG熔焊方法并選擇合適的高強鋼焊絲，進行1 700 MPa級超高強鋼和Q550D高強鋼板的異種焊接，得出了最佳焊接工藝參數，并對焊接機頭進行了組織及力學性能試驗。結果表明，異種焊縫組織主要由羽毛狀的下貝氏體組成，在焊態焊縫組織中沒有發現馬氏體組織；而在1 700 MPa級超高強鋼的熔合線附近一側，發現大量沿熔合線垂直生長的板條馬氏體組織；力學性能測試表明，焊接接頭性能滿足生產使用要求，為超高強鋼的應用提供了試驗依據。

關鍵詞： 1 700 MPa級超高強鋼；Q550D高強鋼；MAG焊；組織性能

中圖分類號：TG 47

Research on the microstructure and properties of dissimilar joints between 1 700 MPa grade ultrahigh strength steel and Q550D high strength steel

Liu Chunbai1，Zhou ?mingwen1，Liu ?min1，Zhao Ti1，Lü Xüteng2

（1. China First Automobile Group Corporation， Changchun 130013，China;2. Harbin Institute of Technology， Harbin 150001，China）

Abstract： By using MAG fusion welding method and selecting appropriate highstrength steel welding wires， the optimal welding process parameters were obtained for dissimilar welding of 1 700 MPa grade UHSS （ultrahigh strength steel） and Q550D highstrength steel plate. The microstructure and mechanical properties of the welding head were tested. The results show that the microstructure of dissimilar welds is mainly composed of feathery lower bainite， and no martensite structure was found in the welded weld microstructure; On the side near the fusion line of 1 700 MPa grade ultrahigh strength steel， a large amount of lath martensite was found growing vertically along the fusion line; Mechanical performance tests have shown that the performance of welded joints meets production and usage requirements， providing experimental basis for the application of ultrahigh strength steel.

Key words： ?1 700 MPa grade ultrahigh strength steel; Q550D highstrength steel; MAG welding; organizational performance

0前言1 700 MPa級超高強鋼（UHSS）板是一種專門用于制造防護裝備的高強度低合金鋼板[1]。它的高強度和優異的防護性能使其成為許多領域的首選材料，如軍事、警用、安防等。在其化學成分中，含有較多的錳、硅、鉬等元素，這些元素的存在可以提高鋼板的強度和硬度，同時控制了其韌性和可焊性[2]。最重要的是，1 700 MPa級超高強防護鋼板具有較高的硬度、抗沖擊性和抗穿透性能，在軍工制造領域如裝甲防護、坦克車體、直升機油箱防護板、防護玻璃等方面有著廣泛的應用前景。此外，它還可以用于制造各種安全裝備，如防刺背心、防護頭盔等[3-5]。

超高強鋼中薄板的主要焊接方法為MIG或MAG焊。這2種方法分別采用惰性氣體（氬氣），富氬混合氣體進行保護，可以有效防止焊縫和熔池受到氧化和污染。相對于熔絲埋弧焊接，氣體保護焊接的熱輸入小，焊縫深度較淺，因此適用于板厚較小的超高強鋼板[6]。超細晶強化鋼由特定工藝軋制，在細晶強化的作用下獲得了極高的強度和硬度，而這也導致其在焊接加工過程中的晶粒長大和組織相變不可避免，例如在焊縫區發生的組織相變以及熱影響區晶粒長大都會嚴重影響焊接接頭性能，需要通過焊接工藝加以調控。近年來，國內外相關學者已經相繼開展了超高強鋼的焊接性以及去應力研究。于思彬等人[7]分析了超高強鋼與低合金鋼異種材料拼焊的激光焊接性能。他使用3 kW的Yb：YAG激光熱源系統獲得了成型優良，無裂紋、氣孔等明顯缺陷的焊接接頭。焊縫組織以馬氏體為主，呈板條狀，且經過硬度測試，超高強度鋼HAZ一側硬度下降，軟化明顯。經拉伸性能測試，拼焊頭在低合金鋼母材一側斷裂失效，說明焊縫強度遠超低合金鋼母材一側。許連輔等人[8]對超高強鋼35CrMnSiA大厚壁管與08Al薄壁管異種材料MAG焊接工藝進行了探索研究，焊縫成形美觀，厚壁管一側坡口角度30°，填充焊絲為直徑1.2 mm的HS-80，焊槍與環焊縫法線夾角4～7°，保護氣體為純度不低于99.9%的氬氣和二氧化碳混合氣體。焊后除氫溫度為300～350 ?℃，控制保溫時間大于2 h。經外觀檢查、X射線探傷檢驗，焊縫質量均滿足設計要求，選用的焊接工藝參數是合理的。雷正龍等人[9]對Q890/Q550異種鋼激光—MAG復合焊接接頭的顯微組織及力學性能進行了研究。Q550/Q890激光MAG復合焊接接頭母材兩側HAZ組織相同，均為過熱區由板條M以及B組織組成，板條M組織出現在細晶區。3種熱輸入下的拉伸試件均斷在母材Q550高強鋼處，斷后伸長率相當，斷裂方式同樣以韌性斷裂為主；在沖擊試驗斷口處發現剪切韌窩，焊縫位置沖擊韌性優于兩側HAZ。文中借助KUKA機器人自動焊接系統、光學顯微鏡及萬能拉伸試驗機，研究了高強鋼異種接頭最佳工藝參數下的接頭組織以及力學性能，從而為超高強鋼焊接應用提供試驗依據。

1試驗材料和方法

1.1試驗材料

研究的母材為4.5 mm厚的1 700 MPa級超高強鋼和Q550D低合金高強結構鋼，填充材料使用ER120SG焊絲。母材及填充材料成分如表1所示。按照AWS規范對250 mm×100 mm板件開常規V形槽，坡口角度45～60°，清洗并打磨，使用夾具固定，焊接材料力學性能如表2所示。

1 700 MPa級超高強鋼母材顯微組織如圖1（a）所示，經回火和空冷后其組織形態為粒狀貝氏體組織，貝氏體晶粒尺寸極細，對應ASTM A751-14標準其平均線性截距晶粒度為5um，這也是其具有超高強度的原因[11-12]。圖1（b）顯示了Q550D組織存在的晶粒較大尺寸的貝氏體和沿晶界析出的多邊形鐵素體。

1.2試驗方法

進行1 700 MPa級超高強鋼和Q550D低合金鋼的MAG異種對焊試驗。焊接電源為Fronius TPS5000b，利用KUKA KR16機器人實現自動化焊接。焊接參數如表3所示。

為研究異種金屬焊后硬化對1 700 MPa級裝甲鋼焊縫組織及力學性能的影響，分別采用光學顯微鏡和電子顯微鏡觀察接頭微觀組織和斷口形貌，測試了焊接接頭的抗拉強度和維氏顯微硬度，金相測試樣品、拉伸以及硬度試樣的形狀尺寸分別按照ASTM A751-14、ASTM E8/E8M-19b以及ASTM E165-20制備。

2試驗結果分析與討論

2.1保護氣CO2占比對打底焊縫成形分析

分別設置保護氣體中CO2占比為0%、10%、20%和30%，其余為Ar，設置打底焊焊接功率4 kW，送絲速度7.5 m/ min，焊接速度0.4 m/ min，對接間隙0.7 mm，進行不同保護氣占比下的打底焊工藝試驗，焊縫成形及焊縫橫截面熔合情況如圖2，圖3所示。

當保護氣體中CO2氣體含量為0%、10%以及20%時，異種對接焊縫表面均未出現明顯的裂紋、未熔合等明顯缺陷。保護氣體CO2含量為0%時，異種焊縫根部出現未焊透的情況，隨著保護氣中CO2含量逐漸升高，焊縫滲透性逐漸增加，在焊縫橫截面上表現為熔寬和熔深的增加以及焊縫余高的減小。當混合氣中CO2占比增加至20%時，焊縫表面幾乎與兩側母材平齊。

另外，由于混合氣中CO2導熱率更高，因此CO2的增加也使得兩側母材的熔化量顯著增加，提高了焊接接頭的連接強度，擴大了強度和硬度的緩沖區。當CO2含量增加至30%時，部分熔池穿透母材背面，導致焊穿缺陷的產生。從未焊穿的焊縫橫截面來看，是由于背板成形所填充的兩側母材以及焊絲量過多所產生的重力超出了熔池底部的表面張力所承受的范圍。焊縫表面也略微凹陷，同時焊接過程中產生了嚴重的飛濺[10]。

2.2組織與性能分析

ER120S-G焊絲填充下焊縫組織及取樣位置如圖4a所示。圖4（b）～圖4（e）和圖5為采用ER120S-G焊接1 700 MPa級超高強鋼與Q550D鋼板接頭各位置的光學顯微組織。焊縫組織為下貝氏體，存在少許非金屬夾雜物，可觀察到較大的鐵素體片，其余鐵素體呈針狀沿柱狀晶分布，宏觀金相照片中可觀察到明顯的沿含焊縫中心線生長的柱狀晶。焊縫左側（Q550D）熔合線區如圖4（d）所示，由于靠近焊縫，熱輸入大，塊狀先共析鐵素體沿晶界析出，奧氏體晶粒嚴重長大，冷卻后在Q550D熔合線處生成魏氏組織，基體組織為珠光體。隨著距焊縫中心距離增大，熱循環峰值溫度逐漸減小，焊縫左側（Q550D）熱影響區組織晶粒逐漸細化。

熱影響細晶區如圖4（b）所示，遠離焊縫中心位置，相較于粗晶區的貝氏體組織晶粒度減小，晶間析出的鐵素體更少，原奧氏體的晶界可以被清晰觀察到[13]。

焊縫右側（1 700 MPa級高強鋼）組織如圖5（a）～圖5（c）所示，該側熱影響區分布與左側類似，都存在近焊縫的粗晶HAZ和遠離焊縫中心的細晶HAZ。熔合線區以樹枝晶為主，垂直于熔合線向冷卻速度較快的兩側生長。粗晶區熱循環最高溫度在1 100 ?℃以上，釋放了大量的相變組織應力，冷卻后形成大量板條馬氏體（M）和少量貝氏體（B）組織，這與材料在常溫下的低熱導率表現不符，可能由于該側晶粒長大吸收了大量的熱[14]。同樣隨距焊縫中心距離增加，焊接熱循環峰值溫度減小，HAZ組織晶粒漸漸細化，馬氏體組織逐漸被P替代，F析出減少。細晶區組織為粒狀貝氏體和少量鐵素體，晶粒尺寸大小與1 700 MPa級 UHSS母材相當[15～16]。

2.3力學性能分析

對焊縫橫截面水平方向進行顯微硬度試驗，分析焊縫橫截面上硬度分布規律，設置設備操作參數：載荷0.5 kg，加載時間10 s。焊縫熔寬方向（等距0.5 mm、硬度線穿過打底層）進行顯微硬度測試，測試位置及結果如圖6所示。焊縫橫截面垂直方向硬度呈階梯形分布，打底層以及蓋面層在Q550D側熱影響區平均硬度約為220 HV，而焊縫區平均硬度分別約為390 HV、410 HV；相比Q550D，1 700 MPa超高強鋼一側熔合線區焊后硬度均達到了母材水平，硬度值約為530 HV，最高可達550 HV左右。該側由于母材晶粒尺寸極細，材料內部導熱系數低，在焊接過程中積累了大量的熱，使得其在焊后具有更快的冷卻速度，再加上1 700 MPa級超高強鋼中Mn、Cr、Mo等淬硬性元素的影響在該側熔合線附近生成了大量的高強高硬的板條馬氏體，使得該區硬度能夠抵消晶粒長大的軟化效果，從而使硬度水平與母材一致。圖7為拉伸試驗件斷裂失效前后。由于1 700 MPa超高強鋼與Q550D低合金鋼強度差異巨大，焊縫區熔敷金屬摻雜了強化元素，使得焊縫強度能夠輕易超過Q550D合金鋼使失效位置處于強度較弱的Q550D側。而熱影響過熱區雖然在焊接熱循環作用下晶粒長大使強度有下降趨勢，但Q550D含碳量低，在多種合金元素作用下生成彌散質點對熱影響區起強化作用。焊接接頭強度超過Q550D，達到強度要求。另外，觀察并測量拉伸件斷后焊縫位置尺寸，試樣斷裂前后焊縫處不存在明顯的塑性變形趨勢，說明焊縫處屈服強度超過790 MPa。

3結論

（1）在4.5 mm厚的高強鋼異種連接中，當保護氣中CO2氣體含量為0%、10%以及20%時，異種對接焊縫表面均未出現明顯的裂紋、未熔合等明顯缺陷；當混合氣中CO2占比增加至20%時，焊縫表面幾乎與兩側母材平齊。繼續增加CO2占比，焊縫表面略微凹陷，焊接過程中產生了嚴重飛濺。

（2）在焊接接頭組織結構方面進行了金相組織觀察。發現在ER120S-G高強鋼焊絲填充下，焊縫中形成了大量的下貝氏體組織，而在1 700 MPa級超高強鋼熔合線附近則是生成了大量的板條馬氏體，焊接接頭兩側組織區別明顯。

（3）力學性能試驗表明，焊接接頭橫截面水平方向硬度呈階梯形分布，焊縫區打底焊、蓋面焊平均硬度分別約為390 HV、410 HV，接頭硬度最大值出現在1 700 MPa超高強鋼側熱影響區。拉伸試樣斷裂位置為Q550D母材，焊接接頭度達到應用要求。

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收稿日期： 2023-09-09

劉春柏簡介： 主要從事車輛焊接方面的工作。

通信作者簡介： 呂緒騰，碩士；1020627395@qq.com。