石紅昌 蘇蘭 黃安明

(德陽天元重工股份有限公司，四川 德陽 618000)

索鞍是懸索橋的重要受力部件，傳統(tǒng)的索鞍有多種結構形式[1-2]。其中結合全焊和全鑄結構優(yōu)點的鑄焊式結構相對的優(yōu)勢，通過鑄造成型的鞍頭與鋼板組合的底座結合焊接成一個整體[3-4]。然而，隨著懸索橋的設計、建設正朝著大跨度的方向發(fā)展，南京仙新路過江通道跨江大橋主跨為1760 m，由于索鞍是懸索橋主纜體系的主要受力部件，結構不可更換，要求應用于懸索橋的索鞍材料的綜合性能指標更高。

鑄焊結構索鞍所用的ZG270-480H與Q345R的焊接目前已相當成熟[5-7]。近年來，國內(nèi)懸索橋的鑄焊結構索鞍進一步的開始采用ZG300-500H和Q345R材料的焊接，前期主要通過焊接工藝評定試驗來研究焊接工藝的可行性，而焊接工藝評定主要重點放在了力學性能上面，對于接頭的抗斷裂性能以及焊縫的微觀組織研究較少[8-9]。本文圍繞索鞍用高強度鑄鋼ZG300-500H和Q345R鋼的對接焊縫開展材料焊接性能分析，針對焊接接頭微觀組織、抗斷裂性能及焊縫韌性進行研究。針對主索鞍體主縱肋，采用ZG300-500H鑄鋼(板厚200 mm)和Q345R鋼板(板厚180 mm)組合焊接技術，創(chuàng)造了懸索橋單縱肋主索鞍結構焊接接頭板厚及材料強度的國內(nèi)紀錄。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用母材為鑄鋼ZG300-500H和Q345R鋼，厚度為100 mm。焊材采用ER50-G焊絲，所用材料的相關性能指標見表1和表2。

表1 所用母材和焊絲的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表2 母材的力學性能

1.2 試驗過程

鑄鋼ZG300-500H和Q345R鋼試板的焊接按照焊接工藝規(guī)程的參數(shù)采用半自動化CO2氣體保護焊接進行，Q345R鋼板側開雙面單邊V型坡口，坡口形式如圖1所示，焊接過程中根據(jù)焊接變形多次翻面焊接成型，焊后進行540℃保溫消除應力處理。

圖1 坡口形式示意圖

使用Leica DMi8顯微鏡和SU8010場發(fā)射掃描電子顯微鏡對焊接接頭進行顯微組織觀察，樣品取樣如圖2所示。使用MHVD-1000IS型顯微硬度計進行硬度測試。

參照GB/T 21143—2014《金屬材料準靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法》要求[10-11]，采用三點彎曲測試方法分別對ZG300-500H(鑄鋼側)熱影響區(qū)、Q345R(鋼板側)熱影響區(qū)和焊縫(本體焊縫)進行CTOD測試。測試樣品示意圖如圖3所示。

圖2 組織觀察取樣示意圖

圖3 三點彎曲CTOD測試樣品示意圖

2 試驗結果及分析

2.1 顯微組織

圖4為焊縫區(qū)的微觀組織照片。焊縫區(qū)低倍微觀組織如圖4(a)所示，存在大量粗大的柱狀晶，柱狀晶下方的組織非常細密，隨著位置向焊縫中心移動，組織越來越粗大。柱狀晶區(qū)域的微觀組織如圖4(b)所示，主要是鐵素體和針狀鐵素體?？拷缚p中間區(qū)域組織如圖4(c)所示，由柱狀晶區(qū)向焊縫中間靠近，等軸晶尺寸逐漸增大，此區(qū)域的鐵素體整體呈等軸網(wǎng)狀分布。焊縫區(qū)微觀組織的SEM圖如圖4(d)所示。主要由鐵素體及在其內(nèi)部分布的島狀馬氏體/奧氏體構成。針狀鐵素體的形態(tài)較為復雜。在不同的冷速下，會呈現(xiàn)不同的形貌。當冷速較低時，針狀鐵素體會以塊狀鐵素體(針狀鐵素體的一種)的形態(tài)出現(xiàn)。這時其顏色和鐵素體接近，但邊界不清晰，且內(nèi)部分布有馬氏體/奧氏體。

圖5為ZG300-500H原始區(qū)域的微觀組織金相照片。由于ZG300-500H為鑄鋼，因此在鑄造過程中存在一定程度的成分偏析形成深色網(wǎng)狀組織，主要為鐵素體、索氏體/珠光體，其中索氏體/珠光體整體呈網(wǎng)狀分布。索氏體和珠光體同屬于珠光體類組織，其中含有滲碳體，即深色網(wǎng)狀區(qū)的碳含量較其它地方高。

(a)焊縫區(qū) (b)柱狀晶 (c)靠近焊縫中間區(qū)域 (d)SEM

圖5 ZG300-500H原始組織金相照片

圖6(a)、(b)分別為ZG300-500H側熱影響區(qū)的粗晶區(qū)及細晶區(qū)金相組織照片?？梢猿醪脚袛嘣谏鲜鰠^(qū)域并不存在索氏體及珠光體。由此可以看出，經(jīng)過焊接熱循環(huán)后，熱影響區(qū)的組織發(fā)生了明顯變化。此外，深色的網(wǎng)狀組織依然存在。圖6(c)是ZG300-500H熱影響區(qū)的粗晶區(qū)微觀組織SEM照片。主要由貝氏體鐵素體和少量馬氏體構成。貝氏體鐵素體和馬氏體轉變均不會破壞原奧氏體晶界，可以清楚地觀察到原奧氏體晶界，可以大致判斷奧氏體的晶粒尺寸約為40 μm。

ZG300-500H熱影響區(qū)細晶區(qū)的微觀組織如圖7(a)所示，該區(qū)域組織明顯細化，主要為針狀鐵素體。在臨近不完全正火區(qū)的區(qū)域，除了針狀鐵素體外，還存在少量的多邊形鐵素體，其尺寸不足10 μm，遠低于母材正常區(qū)域的鐵素體晶粒尺寸。圖7(b)存在部分不完全正火區(qū)的組織，其中除了鐵素體外，還存在著大量的“墨菊”狀組織。圖7(c)為其SEM圖，該組織為托氏體，由鐵素體和滲碳體構成，其片層間距平均小于0.1 μm。在不完全正火區(qū)，原來的珠光體在加熱過程中發(fā)生相變，轉變?yōu)閵W氏體。由于在焊接熱循環(huán)過程中，冷卻速度較高，因此過冷奧氏體在轉變過程中，并沒有重新形成珠光體，而是轉變?yōu)楦鼮榧毭艿耐惺象w。

(a)粗晶區(qū) (b)細晶區(qū) (c)粗晶區(qū)SEM

(a)細晶區(qū) (b)不完全正火區(qū) (c)SEM

圖8 Q345R基體微觀組織

Q345R基體微觀組織如圖8所示，可以看到明顯的灰色帶狀組織，由多邊形鐵素體、塊狀鐵素體和珠光體類組織(珠光體和索氏體)構成。

圖9(a)為熔合區(qū)及其兩側的微觀組織金相照片。熔合線左下角為焊縫區(qū)，右上方為Q345R熱影響區(qū)。從左及右依次為粗晶區(qū)、細晶區(qū)和不完全正火區(qū)。該區(qū)域的SEM照片如圖9(b)、(c)所示，粗晶區(qū)的微觀組織主要為貝氏體鐵素體。隨著區(qū)域向母材基體處移動，塊狀鐵素體出現(xiàn)，且數(shù)量逐漸增多，同時微觀組織明顯細化。到達不完全正火區(qū)后，晶粒尺寸開始明顯增大，同時多邊形鐵素體和珠光體類組織也開始出現(xiàn)。

(a)金相 (b)粗晶區(qū) (c)不完全正火區(qū)

圖10為焊縫區(qū)域EBSD測試結果。圖10(a)為Local Misorientation圖，從圖中可以確定該區(qū)域存在殘余應力，藍色區(qū)域為無應力區(qū)域，綠色、黃色和紅色區(qū)域應力依次增加。兩側應力較低，中間區(qū)域應力較大。受力方向與晶面及其法線夾角為θ和φ，那么該晶面受的分應力系數(shù)為取向因子或施密特因子(cosθcosφ)，以SF表示。以(001)為施密特基面，該區(qū)域SF分布如圖10(b)所示。SF數(shù)值主要分布在0.43～0.5之間，且分布均勻。圖10(c)IPF圖中并無明顯的織構存在，局部存在帶狀取向分布近似區(qū)域，整體取向分布隨機。圖10(d)為晶界角度與極圖，相鄰晶界角度主要分布在兩個區(qū)域，一個是小角度晶界，晶界錯配度在10°以內(nèi)；另一個是大角度晶界，晶界錯配度在50°～60°。晶粒度主要集中在10～20 μm，占比為70%，另外30%晶粒度為20～40 μm，整體晶粒度較為均勻分布在10～40 μm范圍內(nèi)。晶向和晶面的取向一致性(織構)強度不超過2，晶向織構強度最高為1.36，晶面織構強度最高為1.72。

圖10 焊縫區(qū)域EBSD結果

圖11為ZG300-500H熱影響區(qū)EBSD測試分析結果。圖11(a)為Local Misorientation圖，從圖中可以確定該區(qū)域存在殘余應力，藍色區(qū)域為無應力區(qū)域，綠色、黃色和紅色區(qū)域應力依次增加。兩側應力較低，中間區(qū)域應力較大。以(001)為施密特基面，該區(qū)域SF分布如圖11(b)所示。SF數(shù)值主要分布在0.43～0.5之間，且分布均勻。圖11(c)IPF圖中并無明顯的織構存在，整體取向分布隨機。圖11(d)為晶界角度與極圖，相鄰晶界角度在小角度區(qū)域集中于2°附近，小角度晶界整體比例為60%，大角度晶界均勻分布，占40%。晶粒度主要集中在10～30 μm，占比為90%，另外10%晶粒度為30～40 μm，整體晶粒度較為均勻分布在10～30 μm范圍內(nèi)。晶向和晶面的取向一致性(織構)強度不超過3，晶向織構強度最高為1.63，晶面織構強度最高為2.11。

圖11 ZG300-500H熱影響區(qū)EBSD結果

圖12為Q345R熱影響區(qū)EBSD測試分析結果。圖12(a)為Local Misorientation圖，從圖中可以確定該區(qū)域存在殘余應力，藍色區(qū)域為無應力區(qū)域，綠色彌散分布的為低應力區(qū)，無明顯高應力區(qū)域。(001)為施密特基面，該區(qū)域SF分布如圖12(b)所示。SF數(shù)值主要分布在0.43～0.5之間，且分布均勻。圖12(c)IPF圖中并無明顯的織構存在，整體取向分布隨機。圖12(d)為晶界角度與極圖，相鄰晶界角度在小角度區(qū)域集中于2°附近，小角度晶界整體比例為30%，大角度晶界均勻分布，占70%。晶粒度主要集中在10～30 μm，占比為90%，另外10%晶粒度為30～40 μm，整體晶粒度較為均勻分布在10～30 μm范圍內(nèi)。晶向和晶面的取向一致性(織構)強度不超過1.5，晶向織構強度最高為1.24，晶面織構強度最高為1.47。因此，結合圖12(c)和圖12(d)可以確定該區(qū)域并無明顯織構形成。

圖12 Q345R熱影響區(qū)EBSD結果

圖13 焊接接頭顯微硬度

2.2 焊接接頭顯微硬度

圖13為焊接接頭處的顯微硬度分布圖。所測區(qū)域涵蓋整個焊縫和兩側熱影響區(qū)，并包括焊縫兩側的部分母材區(qū)域。從圖中可以看出在ZG300-500H一側，緊挨焊縫的熱影響區(qū)硬度較高，這是由于該區(qū)域為粗晶區(qū)，以貝氏體鐵素體為主。該組織具有細密的板條結構，因此硬度較高。隨著向母材繼續(xù)靠近，貝氏體鐵素體逐漸減少，針狀鐵素體開始增加。此外顯微組織也逐漸粗化，從而導致硬度逐漸降低。但到達母材后，硬度值開始出現(xiàn)較大的浮動。這主要是因為ZG300-500H母材區(qū)的顯微組織為鐵素體和珠光體類組織，兩者硬度值相差較大。焊縫區(qū)的硬度值雖然存在一定的浮動，但從整體上呈左高右低的趨勢。這和組織不均勻以及焊縫兩側母材不一致等因素相關?？傊?，焊縫兩側熱影響區(qū)的組織類型接近，但ZG300-500H側硬度更高，這與該材質(zhì)具有相對高的碳含量有關。這也使得左側熔合區(qū)含有更多的碳，從而促進了硬度的提升。

2.3 CTOD試驗

CTOD試驗檢測結果參見表3。CTOD值大小依次為ZG300-500H側熱影響區(qū)<焊縫

表3 焊接接頭的CTOD實測值

3 結論

(1)焊縫區(qū)的微觀組織主要是針狀鐵素體，越靠近焊縫中心，鐵素體含量越高。ZG300-500H母材區(qū)的組織為鐵素體和珠光體類組織(珠光體和索氏體)。在其焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)微觀組織以貝氏體鐵素體為主，同時含有極少量的馬氏體。在細晶區(qū)主要是針狀鐵素體。而在不完全正

火區(qū)，以鐵素體和托氏體為主。Q345R母材區(qū)的組織為鐵素體、塊狀鐵素體和珠光體類組織(珠光體和索氏體)。在其焊接熱影響區(qū)的部分粗晶區(qū)，貝氏體鐵素體是其主要組織。位置越靠近母材，塊狀鐵素體越多。但有部分熱影響區(qū)為塊狀鐵素體、針狀鐵素體和珠光體類組織的混合組織。不論是粗晶區(qū)還是細晶區(qū)，其組織構成基本不變。

(2)EBSD測試結果表明焊縫處存在較大的殘余應力，主要集中于中間位置，同時存在條帶狀局部取向一致，整體無明顯織構，晶粒度均勻分布在10～40 μm，晶界角度分布不均勻，分別集中在在10°以內(nèi)和50°～60°兩個范圍。兩側熱影響區(qū)殘余應力均較小，殘余應力整體分布均勻，沒有明顯應力集中。各部分晶粒取向隨機分布，無明顯織構形成，晶粒度均勻分布在10～30 μm，晶界角度均勻分布在2°～60°。

(3)焊縫及兩側熱影響區(qū)硬度存在一定浮動，ZG300-500H母材區(qū)至Q345R母材區(qū)硬度整體呈現(xiàn)連續(xù)過渡下降，硬度范圍為150～300HV。

(4)焊縫及雙側熱影響區(qū)三點彎曲CTOD值均較為穩(wěn)定，CTOD大小依次為ZG300-500H側熱影響區(qū)<焊縫