Weldox700E高强度钢焊接性探讨

张　飒　王　攀　庄　园

1.厦门大学福建省特种先进材料重点实验室，厦门,3610052.厦工机械股份有限公司，厦门,361023



Weldox700E高强度钢焊接性探讨

张飒1王攀2庄园2

1.厦门大学福建省特种先进材料重点实验室，厦门,3610052.厦工机械股份有限公司，厦门,361023

摘要：对瑞典威达Weldox700E高强度钢的焊接性能进行研究，测试了焊接区域显微组织结构和物理性能，分析了热影响区显微组织与韧性下降的关联问题。结果表明，Weldox700E高强度钢焊接性能良好，其组织结构与冲击韧性之间存在一定的线性关系。研究结果为企业在焊接工艺评定中确定中高强度钢组织结构和物理性能之间的关系提供了一定的理论参考。

关键词：高强度钢；焊接性；组织结构；冲击韧性

0引言

高强度钢由于具备优良的可成形性以及较低的制造成本，将作为主要的工程材料发挥越来越重要的作用[1]，然而高强钢焊接时有淬硬倾向，容易产生冷裂纹，同时伴有热影响区韧性下降的现象[2-7]，其焊接区域的组织结构对其物理性能尤其是冲击韧性至关重要[8-11]。本文对Weldox700E高强度钢焊接接头不同区域的显微组织和性能进行了系统测试和分析，建立起两者之间的线性关联，从而为企业中高强度钢的焊接工艺评定工作提供参考。

1试验材料与方法

1.1试验材料

试验用厦工机械股份有限公司提供的瑞典SSAB公司生产的Weldox700E高强钢，其化学成分如表1所示。

表1　试验用钢的化学成分

1.2焊接工艺

在Aristo Mig U500i型伊萨焊机上采用Ar和CO2混合气体保护焊接方法。焊件采用铣床加工成标准夏比V形坡口(无钝边)，焊件清理通过角磨机打磨处理将钢板坡口及距坡口50 mm区域内打磨光亮呈现金属光泽，焊丝清理是将拆封下来的焊丝外围整圈焊丝剪除。在Weldox700E高强钢试板反面实施两端定位焊，预留间隙3 mm，定位完成后预置反变形8 mm，平行于焊缝间隙50 mm两侧区域采用氧乙炔气割炬进行火焰预热，预热温度为80 ℃，预热完成后立即进行打底焊接，焊接层数为12层，同时焊后进行消氢热处理。具体焊接工艺参数如表2所示。

表2　焊接工艺参数

1.3金相组织与成分测试

焊接后在两块试板上分别取金相试样，然后依次用目数为80、200、400、600和800的金相砂纸磨制，经机械抛光之后用4%(质量分数)的硝酸酒精腐蚀出焊接接头的显微组织。在图1的标准夏比V形缺口上，分别以接头上表面的焊缝中心、焊缝中心1 mm处、焊缝中心根部，以及距离熔合线0、2 mm、5 mm的热影响区为观测目标，在厦门大学材料学院日立SU-70型热场发射扫描电镜上进行金相显微观察和元素能谱测试及分析。

A.焊缝中心　B.焊缝中心1 mm处　C.熔合线处　D.熔合线2 mm处　E.熔合线5 mm处　F.底部焊缝中心　G.母材处图1　试验材料V形缺口及焊接接头不同观测部位示意图

1.4硬度和冲击韧性测试

对焊接接头不同区域分别进行硬度和冲击韧性测试。在特定区域针对不同金相组织，制作V形缺口进行夏比V形冲击试验。在焊接接头上表面1～2 mm的焊缝中心、焊缝中心1 mm处、焊缝中心根部，以及距离熔合线0、2 mm、5 mm的热影响区分别选取冲击试样，冲击试样温度采用-40 ℃。冲击试样的尺寸规格为55 mm×10 mm×10 mm，V形缺口夹角是45°，底部曲率半径为0.25 mm。

2试验结果与分析

2.1焊接区域显微组织与成分

(a)焊缝中心(A处)　　　(b)焊缝中心1 mm处(B处)

(c)熔合线处(C处)(d)熔合线2 mm处(D处)

(e)熔合线5 mm处(E处)(f)底部焊缝中心(F处)

(g)母材处(G处)图2　焊接接头不同观测部位金相组织

图2所示为焊接接头不同区域的金相显微组织。图2a和图2b是焊缝中心金属显微组织，焊缝金属由熔化金属凝固结晶而成，焊缝金属组织是平行于传热方向的铸态树枝晶，图中可见主要是白色针状、块状和月牙状铁素体，细小黑色团状珠光体，以及少量粒状贝氏体；针状铁素体对焊缝来说是比较好的组织，因为这种组织不仅能提高其强度，而且能显著提高其低温冲击韧度。因此，使焊缝中出现足够数量的针状铁素体是提高强韧性的关键。图2c～图2e是熔合线热影响区显微组织，这个区域靠近熔化金属而受到焊接热作用发生组织和性能变化，图中可见主要是比较粗大的针状铁素体、珠光体与过冷奥氏体转变组织(小白块及浅灰色块)，组织晶粒相对比较粗大并呈带状分布；尤其是图2c为焊接热影响区中的熔合区，这个地方的金属处于局部熔化状态，由于奥氏体晶粒长得粗大，这种粗大的奥氏体在较快的冷却速度下会形成一种特殊的过热组织，其组织特征为在一个粗大的奥氏体晶粒内会形成许多平行的铁素体(渗碳体)针片，在铁素体针片之间的剩余奥氏体最后转变为珠光体，即所谓的魏氏组织，魏氏组织的生成会使金属的韧性下降，从而导致焊接接头变脆。图2f是底部焊缝中心金属显微组织，珠光体和贝氏体相对减少，主要是白色块状铁素体。图2g是远离焊接区域的母材区，保持了母材原有组织，图中可见主要是长板条状贝氏体和被板条贝氏体分开的贝氏体团，同时团粒晶界处分布少量薄膜状的马氏体和残余奥氏体M-A组元，在针状贝氏体间隙也分布少量这样的M-A组元，而且这些低碳马氏体之间呈一定的角度相交。

低碳高强度钢的化学成分区别于高强度钢的突出特点是含碳量很低，但是为了获得较高的强度，钢中通常加入Mn、Cr、Mo等微量元素，同时对S、P等有害杂质的控制非常严格。表3列出了图2中不同区域的元素能谱测试结果，可以看到各区域较低的含碳量保证了材料较高的强度和焊接性能，Mn、Cr、Mo及Ni等合金元素的加入，提高了材料的韧性和塑性，确保钢材具有较好的综合力学性能，同时熔融金属中这些微量元素可以抑制高温奥氏体晶粒长大，促使针状铁素体的形成和增多，细化了焊缝金属组织，从而能提高焊缝金属的韧性。

表3　焊接接头不同区域元素成分

2.2焊接区域显微硬度与冲击韧性

首先以焊接接头中心为零点，对母材至焊缝中的全区域每间隔1 mm进行系统的显微硬度和冲击韧性测试，测试结果如表4所示。然后在熔合区两侧(距离焊接中心3 mm处)每隔0.2 mm的不同组织进行系统的冲击韧性测试，测试数据如表5所示。从表4和表5明显可见，母材在从贝氏体钢向奥氏体钢转化的过程中，冲击韧性逐步缓慢增大，至熔合区(距中心点11～12 mm)达到最高峰值。然而在实际的焊接结构应用中，焊材开裂区域多为热影响区和熔合区，这是因为在实际焊接过程中，由于热输入量的影响，导致在热影响区产生粗大晶粒而脆化，熔合区高温极冷而淬硬脆化产生缺陷和冷裂纹，从而导致在热影响区和熔合区容易出现开裂点。

表4　焊接接头中心两侧不同组织性能测试结果

表5　熔合区两侧不同组织性能测试结果

2.3组织结构与冲击韧性的关联

为进一步了解冲击韧性与组织结构之间的关系，分别采用多元一次线性模型和多元二次线性模型进行数据拟合。

多元一次线性回归模型表示为

(1)

多元二次线性回归模型表示为

(2)

式中，x1、x2、x3、x4分别为铁素体、奥氏体、贝氏体和马氏体的质量分数；Y1、Y2为冲击韧性平均值；A、B分别为多元一次线性回归和多元二次线性回归的回归系数矩阵，其元素分别用ai、bij(i,j=1,2,3,4,5)表示，其中a5、b55为常数。

采用最小二乘法在误差平方和最小的前提下对回归系数矩阵A和B进行求解，得到：

B=

图3　冲击韧性线性拟合曲线

然后绘制拟合曲线，如图3所示。图3中星点表示使用多元一次线性回归模型在回归系数矩阵为A下得到的拟合值，空心点表示使用多元二次线性回归模型在回归系数矩阵为B下得到的拟合值。图3中明显看出多元一次线性回归模型和多元二次线性回归模型的拟合结果相似，在冲击平均值较大的情况下，拟合模型的计算值与真实值相等，但在冲击平均值较小时，拟合结果相对较差。

3结语

Weldox700E系列高强钢是一种焊接性能良好的钢种，采用Ar和CO2混合气体保护焊接方法，在常规的焊接工艺下均可获得良好的焊接接头。通过对焊接接头不同区域的显微结构和冲击韧性进行测试分析，证实两者之间存在一定的线性关系。

参考文献：

[1]刘山，厉福海，王洋，等.A572GR65D低合金高强钢焊接性研究及应用[J].热加工工艺，2013,42(23):163-168.

LiuShan,LiFuhai,WangYang,etal.ResearchandApplicationonWeldabilityofA572GR65Low-alloyandHighStrengthStee[J].HotWorkingTechnology,2013,42(23):163-168.

[2]孟庆国，袁中涛，尹孝辉.700MPa级低合金高强钢低匹配焊接接头组织和性能研究[J].热处理，2014,29(2): 54-57.

MengQingguo,YuanZhongtao,YiXiaohui.MicrostructureandPropertiesofUndermatchingWeldedJointof700MPaGradeHighStrengthLowAlloySteel[J].HotTreatment，2014,29(2): 54-57.

[3]陈玉喜，杨乘东，陈华斌，等.Q690E厚板高强钢双面双弧立焊接头组织与力学性能[C]//中国机械工程学会焊接学会第十八次全国焊接学术会议论文集——S05机器人与自动化.南昌，2013: 5-9.

[4]赵晓辉，李宏，宋少峰，等.高强度钢的焊接[J].重工与起重技术，2010,26(2):28-30.

ZhaoXiaohui,LiHong,SongShaofeng,etal.WeldingofHighStrengthStee[J].HeavyIndustrial&HoistingMachinery, 2010,26(2):28-30.

[5]章友谊，屈金山，杨跃.Domes700MC低合金高强度钢焊接接头显微组织分析[J].热加工工艺，2007,36(23):30-32.

ZhangYouyi,QuJinshan,YangYue.AnalysisonMicrostructureofWeldedJointsofDomex700MCHSLASteel[J].HotWorkingTechnology,2007,36(23):30-32.

[6]苏允海，马大海，孟凡玲，等.机械振动频率对高强度钢焊接接头低温韧性的影响[J].焊接学报，2015,36(1):105-109.

SuYunhai,MaDahai,MengFanling,etal.ResearchonMicrostructureandPerformanceofWeldedJointsofHSLASteelunderVibrationConditioning[J].TransactionsoftheChinaWeldingInstitution, 2015,36(1):105-109.

[7]施洪慧.焊接热输入量对E36高强度钢接头金相组织及机械性能的影响[J].船舶标准化工程师，2014,47(1):51-53.

ShiHonghui.TheAffectofMicrostructureandMechanicalPropertiesfromWeldingHeatInput[J].ShipStandardizationEngineer，2014,47(1):51-53.

[8]李效文，盈亮，申国哲，等.高强度热成形钢点焊性能与接头组织[J].电焊机，2012,42(12):92-96.

LiXiaowen,YingLiang,ShenGuozhe,etal.ResearchontheSpotWeldingPerformanceandtheJointMicrostructureoftheHotFormingHighStrengthSteel[J].ElectricWeldingMachine，2012,42(12):92-96.

[9]秦应雄，唐霞辉，柳娟，等.汽车安全气囊气体发生器激光焊接系统与工艺[J].中国机械工程，2008,19(18):2245-2248.

QingYingxiong,TangXiahui,LiuJuan,etal.StudyonLaserWeldingSystemandTechnologyforGasGeneratorofAutomobileSafetyAirbag[J].ChinaMechanicalEngineering, 2008,19(18):2245-2248.

[10]李恒贺，乔及森，蒋小霞，等.960高强度钢激光焊接接头的组织和腐蚀性能[J].焊接学报，2015,36(2):75-78.

LiHenghe,QiaoJisen,JiangXiaoxia,etal.MicrostructuresandCorrosionPropertiesofLaserWeldedJointof960High-strengthSteel[J].TransactionsoftheChinaWeldingInstitution, 2015,36(2):75-78.

[11]王禄田,艾宝瑞,何长红.影响45CrNiMoV高强度钢焊缝性能因素的探讨[J].物理测试，1995,9(5):30-33.

WangLutian,AiBaorui,HeChanghong.DiscussionontheInfluenceFactorsof45CrNiMoVHighStrengthSteelWeld[J].MetalPhysicsExaminationandTesting，1995,9(5):30-33.

(编辑王艳丽)

收稿日期：2015-07-24

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51302236)；福建省自然科学基金资助项目(2014J01205)

中图分类号：TG457

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.13.021

作者简介：张飒，女，1973年生。厦门大学材料学院高级工程师。主要研究方向为材料疲劳损伤机理。发表论文20余篇。王攀，男，1983年生。厦工机械股份有限公司工程师。庄园，男，1986年生。厦工机械股份有限公司助理工程师。

Research on Weldability of Weldox700E High Strength Steel

Zhang Sa1Wang Pan2Zhuang Yuan2

1.Fujian Provincial Key Laboratory of Advanced Materials,Xiamen University,Xiamen,Fujian,361005 2.XGMA Machinery Co.,Ltd.,Xiamen,Fujian,361023

Abstract:The welding performance of the Sweden Vivitar Weldox700E high strength steel was analyzed. The microstructure and physical properties of the materials were systematically tested, and the microstructure of the heat affected zone and the problem of decline in toughness were analyzed. The results show that Weldox700E steel has good weldability, and there is a linear correlation between the organizational structure and the impact toughness, which provides a theoretical guidance for enterprises to determine the relation among organizational structure and physical properties in the welding process evaluation.

Key words:high strength steel； weldability； organizational structure； impact toughness