低碳贝氏体高强钢焊接工艺研究

摘要：对Q690E低碳贝氏体高强钢进行80%CO2+20%Ar混合气体保护焊接试验，并检测母材、焊接接头金相组织和力学性能，通过SEM手段观察母材和焊接接头冲击试样断口形貌。结果表明:Q690E钢母材冲击断口形貌表现为韧性断裂，焊接后热影响区(HAZ)冲击断口形貌表现为解理断裂;经过微观组织分析，HAZ冲击韧性下降，主要原因是HAZ区贝氏体组织中出现大量的M－A组元。HS－70焊丝低强匹配及熔合区贝氏体片层粗化导致焊接接头强度明显低于母材。

关键词：低碳贝氏体高强钢；气体保护焊接；冲击韧性；焊接工艺

随着我国装备制造业的迅猛发展，工程机械用钢市场需求增大，发展前景广阔。高强度机械用钢由于具有超高强度、加工成型性良好、冲击韧性高等优点，可广泛应用于起重机、机动车底盘、推土机附件等重型装备高强度、可挠性部件的制造，并能降低成本、减轻质量和增加有效负载［1－2］。传统的600MPa以上屈服强度级别高强度钢板主要通过固溶强化、析出强化提高强度，且合金元素含量较高，大多采用淬火加回火的调质热处理工艺生产［2－3］。近年来，随着工程机械用高强度钢的发展，对降低成本和提高性能的要求越来越高，通过合理成分设计、充分利用控轧控冷技术开发的Q690E低碳贝氏体高强度钢应运而生［1］。低碳贝氏体钢是国际上新发展的一类高强度、高韧性多用型钢种，其组织类型复杂多样，一般为准多边形铁素体、针状铁素体、粒状贝氏体、板条状贝氏体以及M－A岛等几种非平衡组织的混合组织［4－5］，低碳贝氏体钢在连续冷却下的最终组织受钢种成分、相变前奥氏体晶粒状态、奥氏体在非再结晶区的畸变、冷却条件以及其他生产工艺的影响很大［6］。为了保证Q690E钢的强韧性，通过不同加速冷却工艺，尽可能地细化晶粒、获得低温组织，这却给焊接带来热影响区晶粒长大、焊接接头强度低、韧性恶化等严重问题［7－10］。本文针对某钢厂生产的20mm厚Q690E低碳贝氏体高强钢板进行80%CO2+20%Ar混合气体保护焊接试验，并检测母材、焊接接头金相组织和拉伸、冲击性能，通过SEM观察母材和焊接接头冲击试样断口形貌，研究了Q690E低碳贝氏体高强钢板母材与焊接接头组织性能特征，为Q690E低碳贝氏体高强钢的开发提供参考依据。

1试验方法

试验钢为控轧控冷工艺生产的20mm厚Q690E低碳贝氏体钢，利用Ti、Nb、B、Cr、Mo等微合金元素进行沉淀强化，其熔炼成分见表1。钢的抗拉强度810MPa，屈服强度732MPa，室温延伸率17%，－40℃的平均冲击吸收功为143J。对上述Q690E钢进行焊接试验，焊接试板尺寸为(20×l50×500)mm，开X形坡口，试件坡口形式及尺寸见图1。焊接前将试板坡口附近油污、铁锈、杂质等清理干净。采用松下KR－500型半自动焊机、80%CO2+20%Ar混合气体作为保护气体和直流反极性接法对焊接试板进行多层多道焊接，正反面均使用直径1．2mm的HS－70型号焊条。从表1中成分可知，Q690E试验钢的碳当量Ceq=0．55%，热影响区淬硬倾向增大，使焊接接头的熔合性能降低，且易产生冷裂纹，因此焊接之前采取预热措施，焊后保温缓冷。试板焊后进行250℃、保温2h消氢处理。对接接头焊接试验的焊接工艺见表2。试板焊接24h后进行超声波探伤检验。焊后分别截取母材及焊接接头制备拉伸、冲击、金相试样，在CSS－44100型电子万能拉伸试验机上进行拉伸试验，在JB－300型摆锤式冲击试验机上进行冲击试验。将金相试样研磨、抛光及4%浓度硝酸酒精溶液腐蚀后，用Leica光学显微镜观察其微观组织;通过JSM－6700F型扫描电镜观察分析母材和焊接接头HAZ冲击断口形貌。

2试验结果及分析

2．1母材组织分析

Q690E钢母材金相组织为低碳下贝氏体，如图2所示。奥氏体晶粒沿原钢板的轧制方向被拉长，细小板条贝氏体组织分布于被拉长的原始奥氏体晶粒内。这种贝氏体板条内存在大量高密度的位错，钢板在轧态时强度较高。

2．2焊接接头组织分析

焊后对焊接件进行外观检查和超声波探伤检测。结果表明，焊接件无气孔、夹杂、裂纹等超标缺陷存在。在金相显微镜下观察焊接接头焊缝、熔合区、粗晶区、混晶区以及细晶区的组织形貌，见图3。从图3(a)可以看出，焊缝组织主要为针状铁素体+贝氏体。整个焊缝区金属的显微组织变化较大，组织分布不均匀。焊缝组织中的针状铁素体因呈大角度晶界，微裂纹解理跨越针状铁素体需要消耗较高的能量，提高焊缝强度及低温冲击韧性。但整个焊缝区组织变化大、分布不均，易导致焊接接头冲击韧性下降。从图3(b)中可以看出，熔合区主要组织为贝氏体及渗碳体。贝氏体片层较为粗大，渗碳体颗粒球化，抗裂纹扩展能力较低，恶化了焊接接头的强度与低温冲击韧性。图3(c)～(e)所示为焊接接头热影响区(HAZ)金相组织。图3(c)粗晶区组织主要为板条状贝氏体，由图可见，粗晶区原始奥氏体晶粒粗大，平均晶粒尺寸可达193μm。这是因为焊接热循环时的峰值温度超过Q690E钢的奥氏体再结晶温度，奥氏体晶粒充分长大。在图3(d)所示的混晶区中，因峰值温度超过铁素体奥氏体平衡相变开始转变温度(Ac1)，加热时发生部分再结晶，部分原始奥氏体晶粒明显比母材的粗大。冷却时组织中出现大量富C第二相组织，即M－A组元［10］，形成典型的粒状贝氏体和M－A组元混合组织，此时的平均晶粒尺寸为58．2μm。在图3(e)所示的细晶区内，峰值温度未超过Ac1，加热时不发生再结晶，高温停留时间短，奥氏体晶粒来不及长大，冷却过程中形成细小而均匀的板条贝氏体组织，与混晶区组织一样，出现大量的M－A组元，且保留了清晰的原始奥氏体晶界，平均奥氏体晶粒尺寸约为8．5μm。当M－A组元的形态从高冷却速度下的薄膜/细小晶界型位错M－A组元转变成低冷却速率下的大块状位错或孪晶M－A组元后，裂纹形核功将明显降低。随着M－A组元尺寸的增加，所占体积百分数的增多，裂纹扩展吸收功也降低。

2．3焊接接头力学性能分析

在拉伸试验中，焊接接头断于熔合区，抗拉强度为735MPa，低于母材抗拉强度810MPa，其原因在于:(1)焊接试验采用HS－70型号70kg级焊丝，强度略低于母材，属于低强匹配。(2)焊接过程中熔合区温度高，有利于碳的扩散，在促进贝氏体相变形核的同时，也促进了贝氏体片层的长大，熔合区贝氏体片层较为粗大是焊接接头强度下降的主要原因。HAZ区的平均冲击吸收功约为17．3J，大大低于母材的平均冲击吸收功143J。焊接接头的拉伸性能、HAZ区的冲击性能如表3所示。为了进一步分析焊接接头韧性下降的原因，进行母材与焊接接头HAZ区冲击断口SEM形貌比较分析，结果如图4所示。图4(a)中显示母材冲击试样断口，该断口呈等轴韧窝特征，韧窝尺寸略小，深度较浅，属于韧性断裂，试样的韧窝干净、清晰、基本上都是等轴形状。图4(b)为HAZ区冲击试样断口形貌，从中可发现明显的河流花样及解理台阶，属于典型的解理断裂，表现为脆性断裂。20mm厚度低碳贝氏体Q690E材料碳当量较大，Ceq=0．55%，80%CO2+20%Ar混合气体保护焊接接头在高温骤冷情况下，HAZ组织中出现大量的M－A组元，且尺寸较大，如图3所示，导致焊缝HAZ区韧性下降明显。

3结论

(1)Q690E低碳贝氏体高强钢母材组织为下贝氏体，经过80%CO2+20%Ar混合气体保护焊接后，焊缝热影响区组织为典型的粒状贝氏体和M－A组元混合组织，大量的M－A组元恶化了焊接接头冲击韧性。(2)采用HS－70焊丝低强匹配焊接Q690E低碳贝氏体高强钢，焊接后拉伸断于焊缝熔合区，强度略低于母材，与熔合区贝氏体片层粗化有关。

作者：刘朝霞 刘俊 孟羽 宁康康 许晓红 单位：江阴兴澄特种钢铁有限公司研究院