Nb对低碳钢焊接区组织和性能的影响

路宝学， 万荣春， 刘佳

（1.渤海船舶职业学院，辽宁葫芦岛125000；2.渤海船舶重工有限责任公司，辽宁葫芦岛125000）

Nb对低碳钢焊接区组织和性能的影响

路宝学1， 万荣春1， 刘佳2

（1.渤海船舶职业学院，辽宁葫芦岛125000；2.渤海船舶重工有限责任公司，辽宁葫芦岛125000）

通过微观组织分析研究了含铌低碳钢焊接接头的组织特征，测定了焊接接头各区域的硬度分布。结果表明钢中由于Nb的存在，使焊接区组织发生变化，粗晶区得到细化，同时降低了焊缝脆化的倾向，使钢具有良好的焊接性能与力学性能。

Nb；焊接区；低碳钢；硬度

0 引言

微合金化钢近几十年迅猛发展，因其良好的强韧性与焊接性能［1］，广泛用于桥梁、船舶、压力容器等重要焊接结构件中。在微合金钢焊接时，焊接接头的韧性首先取决于钢的化学成分，在成分已定的情况下则主要取决于其显微组织。本文将通过金相和硬度试验，来研究微合金化元素Nb对低碳钢焊接区的组织和性能。

1 试验材料与方法

焊接试验用钢选用厚14 mm的热轧含铌低碳钢板，其中Nb含量为0.046%，其具体化学成分如表1所示。

焊材选用直径为3.2 mm的MK507碱性焊条，焊条化学成分如表2，其ReL≥410 MPa，Rm≥490 MPa，A≥24%。同时将钢板加工成14 mm×80 mm× 200 mm，并且切割成30°V形坡口。

表1 试验钢的化学成分质量分数 %

表2 焊条的化学成分质量分数 %

试件采用焊条电弧焊单面焊双面成型，首先进行装配，在试样两端定位焊，定位焊缝长度10 mm，试板间隙3 mm，焊接电流选择130 A，焊接电压选择24 V，焊接速度150 mm/min，焊接6道次［2］。

焊接后试验钢的焊缝横剖面经切割、研磨、抛光及4%硝酸乙醇溶液腐蚀后，在德国蔡司Axiophot2型光学金相显微镜下观察组织并照相。

利用HR-150洛氏硬度计测试焊接后试验钢的焊缝横剖面的硬度，试验温度为室温（实测温度为15℃）。加预载10 N，主载荷140 N，保持时间为15 s，每个待测点测3个硬度值，再取平均值。

2 试验结果与分析

2.1 试验钢显微组织

如图1所示为试验钢焊接接头的显微组织。焊接接头一般分为4部分：焊缝区、过热粗晶区、细晶区和母材。图1（a）显示为焊缝区中心，为铁素体+珠光体组织。焊缝区中心的晶粒为等轴，而不是一般焊缝区的柱状晶。粗大针状铁素体（柱状晶）和珠光体出现在焊缝区边缘，如图1（b）所示熔合线附近。粗晶区（图1（c））紧靠焊缝，此区域温度较高，奥氏体晶粒易发生严重的长大现象，冷却后便得到相对较粗大的组织，但未发现马氏体，仅观察到类似贝氏体组织的针状铁素体。细晶区为等轴铁素体+珠光体组织，如图1（d）所示，细晶区组织晶粒尺寸与焊缝区中心组织晶粒尺寸接近。相对母材区，焊接时细晶区温度升至Ac3以上，相变重结晶进行完全，即组织全部转变为奥氏体，空冷后得到均匀细小的铁素体+珠光体组织［3-4］。图1（e）显示为母材区的组织，为铁素体+珠光体。母材区组织的晶粒尺寸明显大于细晶区。另外，在细晶区与母材之间还存在不同温度的过渡区，这个区域为部分相变区图1（f），此区在焊接时，珠光体部分转变为奥氏体，铁素体部分溶解，未发生完全相变［5］。冷却时奥氏体转变为细小的珠光体和铁素体，加热时未溶解的铁素体成为粗大的铁素体，因此此区域晶粒大小不一，组织不够均匀。

图1 试验钢焊接区的组织

2.2 力学性能

焊接接头硬度测试结果见图2，从显微硬度变化曲线看，沿焊接区硬度变化不是很大，其中母材区最低，焊缝部分与热影响区中粗晶区硬度最高。热影响区中最高硬度值为216HV10。热影响区由于受热循环作用，产生很大的热应力和组织应力，使该区硬度升高，塑性下降，从而增加热影响区开裂倾向［6-7］。实践中根据经验往往用热影响区的硬度值来衡量其焊接性能的好坏，当热影响区的硬度值达到350HV10以上时就容易产生开裂。所研究钢焊接时未发现开裂现象，且其最高硬度值为216HV10，故可认为该钢具有较好的焊接性能，可在不预热的条件下进行焊接。

图2 试验钢焊接区的硬度

3 结论

1）低碳钢中由于Nb的存在，使焊接区组织发生变化，粗晶区得到细化。

2）试验钢种具有较好的焊接性能，可在不预热的条件下进行焊接。

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［2］ 杨春楣，卜红旗，范永革.含铌微合金钢焊接性能研究［J］.金属成型工艺，2002（3）：34－36.

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［4］ 彭云，徐祖泽，陈钰珊.钒、钛对含铌微合金钢焊接热影响区韧性的影响［J］.钢铁，1996，31（4）：53－55.

［5］ 韩强，陈沅，麻永林，等.热轧DP590双相钢焊接接头组织的研究［J］.焊接技术，2011，40（7）：13－15.

［6］ 孙齐磊，曹备，吴荫顺.Q235管线钢焊接接头微区电化学行为［J］.北京科技大学学报，2009，31（1）：41－47.

［7］ 赵宇，冉旭，刘浩.Q235板材焊接结构失效分析［J］.吉林工学院学报，1998，19（4）：24－30.

（编辑昊 天）

Effect of Nb on Microstructure and Properties of Welding Zone in Low-carbon Steel

LU Baoxue1， WAN Rongchun1,LIU Jia2
（1.Materials Engineering Department,Bohai Shipbuilding Vocational College,Huludao 125005,China; 2.Bohai Shipbuilding Heavy Industry Co.,Ltd.,Huludao 12500,China）

The microstructure in welding zone of low-carbon steel was investigated by microscope.The hardness distribution measurements on the different welded specimens were conducted.The results show that microstructure of welding zone has been refined and embrittling tendency of welding line is decreased due to Nb solubilization and precipitation.The steel exhibits excellent mechanical properties and welding properties.

Nb;welding zone;low-carbon steel;hardness

TG 142.1

A

1002－2333（2014）05－0057－02

路宝学（1982—），男，实验师，主要研究方向为材料成型。

2014-02-26