Q345B厚鋼板對接接頭顯微組織分析及力學(xué)性能測試

(1. 中國人民解放軍63926部隊(duì)； 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

Q345B厚鋼板對接接頭顯微組織分析及力學(xué)性能測試

張?bào)努|1李宏佳2馮忠志1方洪淵2

(1. 中國人民解放軍63926部隊(duì)； 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

為評價(jià)Q345B厚鋼板焊接接頭的力學(xué)性能，使用MAG焊和埋弧焊工藝對67 mm厚的試板進(jìn)行焊接，并對焊接接頭各區(qū)域進(jìn)行金相組織分析及力學(xué)性能測試，包含拉伸、彎曲、常溫沖擊和低溫沖擊測試。結(jié)果表明，焊接工藝得到的焊接接頭成形良好，缺陷較少，其中埋弧焊焊縫呈現(xiàn)粗大的柱狀晶，為先共析鐵素體和針狀鐵素體，MAG焊焊縫為先共析鐵素體和針狀珠光體，埋弧焊層間組織晶粒較均勻，為片狀珠光體及鐵素體；焊接接頭屈服強(qiáng)度平均值為349 MPa，抗拉強(qiáng)度平均值為440 MPa，斷后伸長率平均為29.3%；彎曲角90°時(shí)，不同位置的彎曲試樣均未出現(xiàn)裂紋；除存在氣孔的試樣外，常溫沖擊吸收功大于100 J，低溫沖擊吸收能量大于65 J?？傮w來看，該工藝得到的焊接接頭力學(xué)性能良好，能夠滿足技術(shù)要求。

Q345B鋼多層多道焊顯微組織力學(xué)性能

0 序 言

Q345B鋼屬于低碳合金鋼，其綜合力學(xué)性能良好，具有優(yōu)良的焊接性，廣泛應(yīng)用于中低壓容器、車輛、起重機(jī)和橋梁等焊接結(jié)構(gòu)中[1-2]。

厚鋼板的焊接多采用多層多道焊，文中Q345B厚鋼板應(yīng)用于大尺寸平臺結(jié)構(gòu)，采用MAG焊和埋弧焊相結(jié)合的方式拼焊而成。文中根據(jù)實(shí)際焊接工藝制備了67 mm厚鋼板對接接頭，并進(jìn)行了金相組織分析及拉伸、彎曲、常溫和低溫沖擊等試驗(yàn)，以評價(jià)該種工藝下焊接接頭的力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)板由兩塊300 mm×300 mm×67 mm的Q345B厚鋼板拼焊而成，開不對稱X形坡口，上坡口占板厚的2/3,下坡口占板厚的1/3，坡口角度為45°，鈍邊和裝配間隙均為2 mm。

焊接過程使用MAG焊和埋弧焊兩種焊接方法，其中MAG焊絲型號為ER50-6，采用Ar+CO2混合氣體保護(hù)，埋弧焊絲型號為H10Mn2，選用CHF101氟堿型燒結(jié)焊劑。MAG焊和埋弧焊的焊接工藝參數(shù)見表1。

焊接方案為：①正面MAG焊打底，打底厚度約為4 mm，之后采用MAG焊填充3道，4道焊接總厚度約為18 mm。②將鋼板翻轉(zhuǎn)，焊接前先進(jìn)行氣刨清根處理，坡口填滿。③試板再次翻轉(zhuǎn)，采用埋弧焊進(jìn)行填充和蓋面，埋弧焊共計(jì)焊接17道6層，其中蓋面焊接一共4道。焊縫橫截面輪廓如圖1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

圖1 焊縫橫截面宏觀形貌

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 金相組織分析

在圖1所示的焊縫橫截面宏觀試樣上分別切下包含埋弧焊道和MAG焊道的金相試樣，分別采用200號,400號,800號,1 500號的水砂紙進(jìn)行打磨，并使用金剛石磨料拋光，然后采用2%～4%的硝酸酒精溶液腐蝕待觀察表面，最后使用金相顯微鏡觀察焊接接頭各位置的微觀組織。

圖2為焊接接頭各區(qū)域的顯微組織，包含母材、焊縫金屬和焊道層間組織。其中，母材(圖2a)為細(xì)小塊狀分布的珠光體及鐵素體組織，晶粒細(xì)??；埋弧焊焊縫區(qū)域(圖2b)則是粗大的柱狀晶組織，為先共析鐵素體和針狀鐵素體；MAG焊焊縫(圖2c)為柱狀先共析鐵素體和針狀珠光體，晶粒大小比埋弧焊焊縫小，但比母材大；焊道層間組織(圖2d)為塊狀分布的片狀珠光體及鐵素體組織，晶粒較小，但大于母材原始組織，這是由于在多層多道焊中，后一道焊道焊接會對前一道重新加熱，相當(dāng)于做了一次正火處理，細(xì)化了晶粒[3]。

圖2 埋弧焊焊縫及母材金相照片

2.2 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)按照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》，并且參考GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》，制備了如圖3的拉伸試樣。試樣總長250 mm，平行長度110 mm，平行區(qū)寬度25 mm，接頭最大寬度50 mm，過渡半徑25 mm，厚度8.5 mm，在厚度方向上共制作8個試件，8個試樣之間互相重疊，將整個焊接接頭的厚度全部覆蓋。拉伸試驗(yàn)所用設(shè)備為AG-X Plus 250 kN/50 kN電子萬能試驗(yàn)機(jī)。

圖3 拉伸試樣尺寸

由于試驗(yàn)所用鋼板厚度達(dá)到67 mm，根據(jù)GB/T 2651—2008標(biāo)準(zhǔn)，厚度超過30 mm的試樣做全厚度拉伸試驗(yàn)時(shí)，可從接頭截取若干試樣并覆蓋整個厚度。根據(jù)這一要求，文中試驗(yàn)在接頭處截取8個厚度為8.5 mm的試樣，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

試樣拉斷后整體形貌如圖4所示，可以清晰地看到，材料在斷裂處發(fā)生了頸縮，材料有較大的塑性變形，較大的斷后伸長率。從表2中可以看到，斷后伸長率最小值為27.1%，最大值達(dá)到31.4%，平均值達(dá)29.3%。另外，各試件屈服強(qiáng)度存在一定差異，在300～400 MPa之間，平均值為349 MPa；抗拉強(qiáng)度處于440～455 MPa之間，平均值為447 MPa。焊接接頭的綜合拉伸性能與Q345B母材同等級，達(dá)到使用要求。

圖4 斷裂后的拉伸試樣

試件屈服強(qiáng)度ReL/MPa抗拉強(qiáng)度Rm/MPa斷后伸長率A(%)137445527.4234644931.5330444630.3433544829.6536144727.1631044329.7740144430.5836444628.3平均值34944729.3

2.3 彎曲試驗(yàn)

按照GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》，進(jìn)行了焊接接頭彎曲試驗(yàn)。與拉伸試驗(yàn)類似，在板厚方向截取3個正彎試樣，焊縫位于彎曲試件的中心位置，試樣截取位置如圖5a所示，試樣尺寸為400 mm×30 mm×20 mm。彎曲試驗(yàn)的壓頭直徑為20 mm，輥筒間距離為120 mm，彎曲角為90°，3個試樣均未出現(xiàn)裂紋。

圖5 彎曲試樣截取位置

2.4 沖擊試驗(yàn)

按照GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》，制備了如圖6所示的夏比落錘沖擊試樣，即試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，開U形缺口，缺口寬度2 mm，槽深2 mm，底部為半徑為1 mm的過渡圓弧。沖擊試樣取樣位置如圖6c所示，分別編號①②③④⑤，缺口位置分別對應(yīng)埋弧焊熔合線、埋弧焊焊縫、MAG焊熔合線、MAG焊焊縫和上下坡口交叉處。

采用Instron-9250HV型儀器化落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行常溫和低溫兩組沖擊試驗(yàn)。常溫(20 ℃)和低溫(-40 ℃)沖擊試驗(yàn)，各包含5個測試位置，每個位置取3個試樣。低溫沖擊試驗(yàn)將試件置于液氮中降溫，使其維持在-44～-46 ℃，保證試件在進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，溫度能夠達(dá)到-40 ℃。

圖6 沖擊試樣尺寸及取樣位置

試樣沖斷后的整體形貌如圖7所示。表3為常溫沖擊試樣的沖擊吸收能量。由表3可以看到，5個位置試樣的沖擊吸收能量較高，除位置⑤(X形坡口交叉處)外均高于100 J，位置⑤的平均沖擊吸收能量為57 J，其原因?yàn)樵撐恢迷嚇拥腢形槽處存在細(xì)小的圓形孔洞，可能為氣刨清根工藝不當(dāng)產(chǎn)生的氣孔，因而其抗沖擊性能較差。焊接過程中應(yīng)當(dāng)避免該位置氣孔的產(chǎn)生，必要時(shí)應(yīng)輔以無損檢測工序。

圖7 沖擊試樣斷后形貌

表3 常溫沖擊試樣沖擊吸收能量 J

表4為低溫沖擊試樣的沖擊吸收能量?？梢钥吹?，低溫沖擊吸收能量的數(shù)值比常溫有明顯的下降，同樣由于氣孔的存在，位置⑤(X形坡口交叉處)試樣沖擊吸收能量最低，平均為45 J，其余位置的低溫平均沖擊吸收能量均大于65 J。

表4 低溫沖擊試樣沖擊吸收能量 J

3 結(jié) 論

(1)埋弧焊焊縫中為粗大柱狀晶，主要為先共析鐵素體和針狀鐵素體，MAG焊焊縫為柱狀先共析鐵素體和針狀珠光體，焊道層間為片狀珠光體及鐵素體組織，母材為細(xì)小塊狀分布的珠光體及鐵素體組織；并且晶粒依次變小。

(2)焊接接頭的拉伸、彎曲和抗沖擊(常溫和低溫)性能均較為優(yōu)異，能夠滿足使用要求，但焊接接頭上下坡口交叉位置存在的氣孔對沖擊性能存在一定的影響，該位置試樣的沖擊吸收能量低于其他位置。

[1] 王秀琴,田 川,郭 旭. Q345B轉(zhuǎn)向架焊接及焊后熱處理工藝[J]. 焊接,2011(7):69-71.

[2] 楊永建, 張緒平, 祁曉乾,等. Q345鋼的MAG焊接接頭組織及力學(xué)性能分析[J]. 焊接技術(shù), 2011, 40(12):6-8.

[3] 劉會杰. 焊接冶金與焊接性[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.

TG407

2017-05-31

張?bào)努|，1979年出生，博士，高級工程師。主要從事特種工程技術(shù)研究，已發(fā)表論文9篇。

李宏佳，1994年出生，碩士研究生。主要從事焊接力學(xué)及可靠性評估方面的研究。