低碳鋼焊接層間溫度對焊縫金屬沖擊韌性的影響

隋旭日 欒豐飛

【摘 要】低碳鋼對接平焊時，層間溫度對焊縫金屬性能的影響，在焊接零件的機(jī)器中，機(jī)器運(yùn)行中焊縫同樣也要受到?jīng)_擊力，生產(chǎn)廠家大多做做無損檢測，合格后就投入使用。本文就特別是對沖擊韌性的影響進(jìn)行了初步探討，結(jié)果表明，低碳鋼焊接隨層間溫度的降低，沖擊韌性增加。

【關(guān)鍵詞】層間溫度；熔敷金屬

由于低碳鋼的碳、錳、硅的含量低，焊接時不會因焊接而引起嚴(yán)重組織硬化或出現(xiàn)淬火組織而且焊接接頭有很強(qiáng)的塑性以及韌性，在所有鋼材中低碳鋼的焊接性能最強(qiáng)。許多機(jī)器零件在工作時要遇到?jīng)_擊負(fù)荷，如鍛錘的錘桿、沖床的沖頭、火車和汽車在開車、剎車時的部分傳動零件等，這些零件在沖擊載荷的作用下，韌性差的材料往往易于發(fā)生突然斷裂，造成嚴(yán)重的安全事故，因此研究材料的沖擊韌性具有十分重要的意義。在焊接行業(yè)，大家研究更多的是焊接熱影響區(qū)的機(jī)械性能，應(yīng)當(dāng)說，目前對焊接熱影響區(qū)的研究，已很成熟，零件設(shè)計(jì)時，充分考慮了熱影響區(qū)這一影響因素。但在有焊接零件的機(jī)器中，機(jī)器運(yùn)行中焊縫同樣也要受到?jīng)_擊力，生產(chǎn)廠家大多做做無損檢測，合格后就投入使用，但實(shí)際上，因焊縫質(zhì)量造成事故的也不乏其例，因此，研究焊縫本身的熔焊機(jī)理、焊后的機(jī)械性能同樣具有意義。

一、鋼材焊接性能特點(diǎn)

低碳鋼一般軋成角鋼、槽鋼、工字鋼、鋼管、鋼帶或鋼板，用于制作各種建筑構(gòu)件、容器、箱體、爐體和農(nóng)機(jī)具等。優(yōu)質(zhì)低碳鋼軋成薄板，制作汽車駕駛室、發(fā)動機(jī)罩等深沖制品；還軋成棒材，用于制作強(qiáng)度要求不高的機(jī)械零件。低碳鋼在使用前一般不經(jīng)熱處理，碳含量在0.15%以上的經(jīng)滲碳或氰化處理，用于要求表層溫度高、耐磨性好的軸、軸套、鏈輪等零件。低碳鋼由于強(qiáng)度較低，使用受到限制。適當(dāng)增加碳鋼中錳含量，并加入微量釩、鈦、鈮等合金元素，可大大提高鋼的強(qiáng)度。若降低鋼中碳含量并加入少量鋁、少量硼和碳化物形成元素，則可得到超低碳貝氏體組夠其強(qiáng)度很高，并保持較好的塑性和韌性。

低碳鋼退火組織為鐵素體和少量珠光體，其強(qiáng)度和硬度較低，塑性和韌性較好。因此，其冷成形性良好可采用卷邊、折彎、沖壓等方法進(jìn)行冷成形。這種鋼材具有良好的焊接性。碳含量很低的低碳鋼硬度很低，切削加工性不佳，正火處理可以改善其切削加工性。

低碳鋼有較大的時效傾向，既有淬火時效傾向，還有形變時效傾向。當(dāng)鋼從高溫較快冷卻時，鐵素體中碳、氮處于過飽和狀態(tài)，它在常溫也能緩慢地形成鐵的碳氮物，因而鋼的強(qiáng)度和硬度提高，而塑性和韌性降低，這種現(xiàn)象稱為淬火時效。低碳鋼即使不淬火而空冷也會產(chǎn)生時效。低碳鋼經(jīng)形變產(chǎn)生大量位錯，鐵素體中的碳、氮原子與位錯發(fā)生彈性交互作用，碳、氮原子聚集在位錯線周圍。這種碳、氮原子與位錯線的結(jié)合體稱歲柯氏氣團(tuán)（柯垂耳氣團(tuán)）。它會使鋼的強(qiáng)度和硬度提高而塑性和韌性降低，這種現(xiàn)象稱為形變時效。形變時效比淬火時效對低碳鋼的塑性和韌性有更大的危害性，在低碳鋼的拉伸曲線上有明顯的上、下兩個屈服點(diǎn)。自上屈服點(diǎn)出現(xiàn)直到屈服延伸結(jié)束，在試樣表面出現(xiàn)由于不均勻變形而形成的表面皺褶帶，稱為呂德斯帶。不少沖壓件往往因此而報(bào)廢。其防止方法有兩種。一種高預(yù)形變法，預(yù)形變的鋼放置一段時間后沖壓時也會產(chǎn)生呂德斯帶，因此預(yù)形變的鋼在沖壓之前放置時間不宜過長。另一種是鋼中加入鋁或鈦，使其與氮形成穩(wěn)定的化合物，防止形成柯氏氣團(tuán)引起的形變時效。

二、實(shí)驗(yàn)

（一）實(shí)驗(yàn)用材料

（1）板材：材質(zhì)Q235B，板厚：12mm。

（2）焊接材料：E4303電焊條，規(guī)格：￠3.2。

（二）試樣加工

將板材送加工車間，按尺寸加工出試板并組裝，共12套。

（三）焊制試板

在同一實(shí)驗(yàn)室，由同一焊接技師在其它工藝參數(shù)不變，只改變層間溫度的條件下完成12套試板的平位焊接，層間溫度分別為50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃，每一溫度下焊制兩套試板。

焊接過程中用表面溫度計(jì)測量層間溫度，每一層燒完后，當(dāng)層溫降到規(guī)定的溫度時，開始焊下一層。

（四）試樣加工

完成焊接，將試件進(jìn)行X光檢測，合格后拉伸、沖擊試樣。拉伸試樣從焊縫中截出，沖擊試樣的V型缺口開在焊縫中間。每塊試板加工出一個拉伸試樣，五個沖擊試樣。

（五）力學(xué)性能試驗(yàn)

（1）熔敷金屬的拉伸試驗(yàn)按GB2652-81《焊縫（及堆焊）金屬拉伸試驗(yàn)法》進(jìn)行。

（2）焊縫金屬沖擊試驗(yàn)按GB2650-81《焊接接頭沖擊試驗(yàn)法》進(jìn)行，五個試樣中，最大和最小值舍去，對余下的三個試樣進(jìn)行討論。

三、分析討論

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，隨著層間溫度的下降，熔敷金屬的沖擊韌性和強(qiáng)度是增加的，而塑性下降不是很明顯，層間溫度在100℃—200℃區(qū)間，熔敷金屬綜合機(jī)械性能較好。

沖擊韌性ak是金屬機(jī)械性能中的一個重要指標(biāo)，長期的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，ak對材料的一些缺陷是很敏感的，它不僅能靈敏地反映材料品質(zhì)、宏觀缺陷，就是顯微組織方面微小的變化對它的影響也是很大的，在無宏觀缺陷的情況下，ak值基本上是強(qiáng)度和塑性的函數(shù)，強(qiáng)度、塑性增大，韌性也增大，但一般鋼材其強(qiáng)度和塑性是矛盾的，同一強(qiáng)度等級的材料只有通過細(xì)化晶粒才能使強(qiáng)度和塑性同時增加。

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