矩阵法对焊接接头硬度值分布的分析研究

褚　峰，李小宝，张　珂，岑　风

（江苏省（沙钢）钢铁研究院，江苏 张家港 215625）

矩阵法对焊接接头硬度值分布的分析研究

褚峰，李小宝，张珂，岑风

（江苏省（沙钢）钢铁研究院，江苏 张家港 215625）

为解决标线法对50mm厚EQ47调质态钢板多层多道焊接接头维氏硬度测试的局限性，采用一种矩阵测试方法，通过对焊接接头进行详细的微区硬度测试，并根据硬度值绘制硬度等值线图，结果显示该方法可以直观显示焊接接头的硬度值分布以及各硬度值区域所占比例；同时对硬度等值线图上不同硬度值区域的显微组织和微区成分进行较深入的分析和研究。结果表明：不同位置硬度值的差别与显微组织有关，与元素的分布基本无关，该方法既能定性又能定量进行硬度值分布表征，更加有利于对焊接接头的组织及力学性能进行分析。

焊接接头；矩阵法；维氏硬度；标线法

0　引　言

焊接接头的硬度测试可以直观地反映经过焊接热循环后，钢板焊接热影响区的硬化与软化情况，同时也能反映出焊缝区的硬度变化，是焊接接头力学性能分析的重要组成部分[1-2]。目前国内外对于焊接接头硬度的测试，大多采用标线式直线行排列方法[3-5]，但标线法测试数据偏少，可能会漏掉一些重要部位，使得测量的硬度值无法真实反映焊接头硬度分布情况，特别是针对比较复杂的接头，如多层多道焊接头，前一道次焊缝由于受后续道次焊接热循环的影响，组织不均匀[6-8]，采用标线法通常只能测试根焊和盖面焊的硬度值，反映焊接头局部区域硬度分布情况，不具代表性。

鉴于标线法客观存在不足，采用一种矩阵法[9-11]，对焊缝及热影响区按照二维阵列的方式进行硬度测试，并通过origin软件绘制硬度等值线图，可直观地观察焊接接头代表区域硬度分布状况。该方法对于分析材料组织结构的均匀性、估算材料的强度以及确定正确的热处理温度都非常有利。本文分别采用标线法和矩阵法对50mm厚EQ47调质态钢板多层多道焊接接头进行了维氏硬度测试，并对测试结果进行对比分析，且从微观组织机理方面研究产生硬度差异分布的原因，可对相关检验人员提供有益参考。

1　试验材料与设备

50mm厚EQ47调质态钢板，化学成份（质量分数，%）为0.07C、0.25Si、1.08Mn、0.006P、0.002S、0.03Al、0.015Ti，该钢板为海工钢，通常需要焊接成型。本文采用林肯PowerWave 455M/STT多功能气保焊机，对50 mm厚EQ47钢板进行焊接，其焊接电流为280 A，电压为29 V，焊接速度为28 cm/min，焊接热输入量为17kJ/cm；焊板坡口为50°单面V型，焊前预热80℃，层间温度≤200℃，焊后缓冷。焊接接头经研磨抛光后，用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，以便进行组织观察与硬度测试。钢板母材组织及焊接接头的宏观金相照片如图1所示。

图1　钢板母材组织及焊接接头宏观金相

EQ47焊接接头中，焊接热影响区范围窄，组织复杂多变，因此，对其硬度测试通常采用可以直观反映微区硬度值的维氏硬度测试方法。本文硬度测试设备采用威尔逊Wilson Tukon 2500全自动维氏硬度计，其试验力范围为0.01～50 kg，综合了显微维氏和大部分普通维氏标尺，因此既能测试镶件、薄片的硬度也能测试原材料、铸件的硬度。本文选用HV5的硬度标尺对焊接接头进行硬度测试，测试点之间的距离间隔为0.7mm。

显微组织测试设备为蔡司AXIO Z1m Imager金相显微镜，该设备配有马赛克自动拼图功能，可以完成较大焊接样宏观形貌的全景观察以及不同区域的显微组织观察。

微区成分测试设备为岛津EPMA-1610电子探针，面扫描区域面积约4 mm×3 mm，覆盖从母材、热影响区到焊缝3个区域，扫描步进6μm。

2　试验结果分析

2.1标线法测试结果

参照国家标准GB/T 2654——2008《焊接接头硬度试验方法》，采用标线法测试EQ47多层多道焊接接头的硬度，在距离钢板表面2mm处以及根部焊道处分别测试，测试时由焊接接头一侧的母材处开始，间隔0.7mm测量一个点，直到接头另一侧的母材位置，母材处测试3个值，焊接粗晶热影响区硬度值的测点距离熔合线≤0.5mm，且在测试点上下位置补测两个点，取平均值作为焊接粗晶热影响区的硬度值，该方法的示意图如图1（b）所示。

图2为EQ47焊接接头标线法硬度测试结果。由图可知：在焊接热影响区，熔合线附近的粗晶区硬度值最高，可达HV400，随着与熔合线距离的增加，硬度值逐渐降低，到靠近母材处的临界区，硬度值则降低到HV370。焊缝区的硬度值则为HV210～270，母材硬度值为HV235。由此可知，在焊接热影响区有明显的硬化现象。

2.2矩阵法测试结果

矩阵法硬度测试步骤为：1）以焊缝中心和根部焊道为分界线将整个焊接接头划分为4个对称区域，选取左上1/4区域为代表区域进行硬度测试；2）确定横向和纵向相邻硬度点的间距均为0.7mm，选用HV5的硬度标尺进行测试，并记录每个点的硬度值；3）采用origin软件对测试的硬度值进行处理，绘制硬度等值线图。

图2　标线法硬度测试结果

图3　矩阵法硬度测试结果

图3为矩阵法硬度测试结果。由图可知：1）焊缝、热影响区、母材处的硬度值界限明显，与焊接接头的低倍宏观照片各区域能够很好地对应上；2）焊缝区的硬度值主要分布在HV225～275之间，其中大部分区域为HV225～250；3）焊接热影响区的硬度值极不均匀，硬度值高的区域可达HV400以上，该区域的范围很小，位于靠近钢板表面处，而硬度值低的区域则低至HV225，位于临近母材一侧；4）母材处的硬度值分布均匀，在HV200～225之间。

在得到焊接接头硬度值分布的同时，利用photoshop等图像处理软件可以得到不同颜色区域所占的体积百分含量，结果为大于HV350的区域0.6%，HV325～350的区域0.3%，HV300～325的区域1.8%，HV250～300的区域18.9%，HV225～250的区域42.6%，HV200～225的区域35.8%。

2.3显微组织分析

从图3焊接接头的硬度等值线图中可以看出，母材、热影响区和焊缝各部分中硬度值并不一致，为进一步从微观机理上分析造成硬度值差异的原因，首先采用光学显微镜对焊接接头各区域的显微组织进行了详细表征，其结果如图4所示。

结合焊接接头宏观照片及矩阵法硬度测试结果分析可知：图4（a）为未受后续焊道热影响的单道次焊接粗晶区，该区域组织为细小的贝氏体组织，硬度值为整个焊接接头硬度最高的区域，达到HV400以上，与母材相比表现出明显的硬化现象；图4（b）为焊接热影响区中的细晶区组织，该区域的组织主要为铁素体+珠光体，其硬度值为HV250～300；图4（c）为焊接热影响区中的临界区组织，主要为铁素体+M/A，其硬度值为HV225～250；图4（d）为临界粗晶区，是前一道次的粗晶区与后一道次的临界区叠加所形成的，其组织主要为粗大的贝氏体+M/A，该区域的硬度值为HV325～350；图4（e）为两道次焊接粗晶区叠加形成的焊接粗晶区，其组织类型与单道次焊接粗晶区组织相同，均为贝氏体，但尺寸较单道次粗晶区要粗大，因此硬度值相对要低，为HV300～325；图4（f）为未受后续焊道热影响的单道次焊缝区，该区域的组织主要为晶界铁素体+针状铁素体，其硬度值为HV250～275；图4（g）为受后续焊缝热影响所形成的焊缝区，其组织主要为多边形铁素体，晶粒尺寸比针状铁素体略大，因此硬度值略低于单道次焊缝区，为HV225～250。

2.4微区成分分析

电子探针的波谱面扫描功能具备原位分析样品微区的元素组分及二维分布的能力。图5为在焊接接头的剖面进行扫描，可以看出焊缝中Ni、Si、Mn元素分布较多，而Cr元素几乎未被检出，热影响区与母材的成分未见明显差别。图3焊接接头的硬度等值线图显示热影响区的平均硬度高于母材，且部分区域的硬度值高达HV400以上，结合图4说明热影响区的硬度值差异是由于显微组织发生了变化，产生了硬度差别的不同相，与该区域的元素分布基本无关。

图4　焊接接头各不同硬度区域对应的显微组织照片

图5　电子探针波谱面扫描结果

通过测试方法的比较，采用国标标线法对焊接接头的硬度分析，可以快速直观的了解到焊接接头中母材、热影响区、焊缝区的硬度分布趋势，并且能够快速判定焊接热影响区是否有硬化（或软化）的现象发生，但由于测试位置少，因而可能会遗漏一些重要位置的硬度值，并且对于硬度测试中出现的偶然现象也不能有效排除；而采用矩阵法分析，则可以全面有效地对焊接接头的硬度值分布进行分析，不仅可以表征出焊接接头中详细的硬度值分布情况，而且对于各硬度值区域所占比例也能进行初步的定量表征，即可以表征出焊接接头中各不同组织类型所占比例。同时，由于测点较多，可以有效避免测试中的偶然现象，减小测试误差，但该方法的缺点在于测试点较多，所需测试时间较长。

通过对母材、热影响区和焊缝3个区域的金相显微组织和微区成分分析，可以发现这些区域不同位置硬度值的差别与显微组织有关，与元素的分布基本无关。

3　结束语

利用矩阵法对EQ47焊接接头进行了硬度测试，与国内常用的标线法进行了比较，并对产生硬度值差异的原因进行了深入分析，可得出以下结论：

1）国标标线法仅适合于判定焊接接头是否有硬化（或软化）现象以及显示焊接接头中母材、焊接热影响区、焊缝区的硬度值分布趋势，测试结果精确度不够且可能会遗漏一些重要位置的硬度信息。而矩阵法硬度测试区域大，覆盖范围广，结果可详细反映焊接接头中各区域的硬度分布，适用于对焊接接头进行详细的组织及力学性能分析。

2）矩阵法硬度测试能得到详细的硬度等值线图，可清晰显示不同位置的硬度值分布，结合图像定量分析软件还可得出较准确的各金相组织的含量比例，是一种既能定性又能定量进行硬度值分布表征的测试方法。

3）对焊接接头母材、热影响区和焊缝区域的金相显微组织和微区成分进行研究分析，结果显示这些区域不同位置硬度值的差别与显微组织有关，与元素的分布基本无关。

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Analysis study of hardness value distribution in welded joints by matrix method

CHU Feng，LI Xiaobao，ZHANG Ke，CEN Feng
（Institute of Research of Iron and Steel，Shasteel，Zhangjiagang 215625，China）

To avoid the limitation of Vickers hardness test on the multi-layer multi-pass welded joints of 50mm thick EQ47 QT steel plates by marking method，this study adopts the matrix method to test the micro area hardness of welded joints in detail and draw the hardness value isogram.The results show that this method can directly show the hardness value distribution of welded joints and the proportion of each hardness value range by means of the hardness value isogram;besides，a deep analysis has been carried out on the microstructure and micro area compositions in different hardness value areas on the hardness value isogram，and the research results show that the hardness value in different locations are relevant to the microstructure，irrelevant to the element distribution.Matrix method is a comprehensive hardness testing method，which can not only characterize hardness distribution quantitatively and qualitatively，but also benefit the structure and mechanical property analysis of welded joints.

welded joints；matrix method；vickers hardness；marking method

A

：1674-5124（2015）07-0028-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.07.007

2014-09-10；

：2014-11-18

褚峰（1991-），男，江苏张家港市人，助理工程师，主要从事钢铁检测工作。