蔡養(yǎng)川，羅 震

（天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072）

高強(qiáng)鋼焊條中Ni含量對(duì)焊縫組織和性能的影響

蔡養(yǎng)川，羅 震

（天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072）

基于Ni-Cr-Mo-V合金體系，研究了800 MPa高強(qiáng)鋼焊條中Ni含量對(duì)焊縫組織和性能的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)w（Ni）＜4.0%時(shí)，隨著Ni含量的增加，焊縫金屬?gòu)?qiáng)度和韌性逐漸升高；當(dāng)w（Ni）＞4.0%時(shí)，隨著Ni含量的增加，焊縫金屬?gòu)?qiáng)度逐漸升高，而韌性逐漸降低。焊縫熔敷金屬中w（Ni）=4.0%時(shí)，可以有效地抑制先共析鐵素體的析出，使焊縫獲得大量細(xì)小、均勻的針狀鐵素體組織，從而提高了焊縫的強(qiáng)度和韌性。

焊接；Ni-Cr-Mo-V合金；Ni；800 MPa高強(qiáng)鋼焊條

Ni-Cr-Mo-V系合金鋼既具有較高的強(qiáng)度，又具有良好的塑性和韌性，因此得到廣泛應(yīng)用[1-2]。實(shí)踐表明，焊接加工是影響高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼質(zhì)量的關(guān)鍵，且低合金高強(qiáng)度鋼焊接接頭的韌性是焊接結(jié)構(gòu)使用性能的重要指標(biāo)，特別是針對(duì)800 MPa級(jí)以上的高強(qiáng)度鋼，如何在滿足強(qiáng)度要求的條件下提高焊接接頭的韌性儲(chǔ)備一直是焊接工作者研究的熱點(diǎn)課題之一。

Ni是形成和穩(wěn)定奧氏體的元素，Ni和Fe以互溶的形式存在于奧氏體和鐵素體中，并使之強(qiáng)化，且Ni是唯一能降低沖擊轉(zhuǎn)變溫度、提高低溫沖擊韌性的合金元素，它通過(guò)細(xì)化鐵素體相晶粒改善鋼在低溫下的韌性[3-9]。Ni含量在一定范圍變化時(shí)抑制先共析鐵素體的產(chǎn)生，促進(jìn)針狀鐵素體的形核，對(duì)韌性具有較大的促進(jìn)作用[10]。

本研究利用自主開(kāi)發(fā)的800 MPa高強(qiáng)鋼焊條，通過(guò)試驗(yàn)研究Ni對(duì)高強(qiáng)鋼焊條焊縫組織和力學(xué)性能的影響，確定Ni的最佳含量，為研制綜合性能優(yōu)良的先進(jìn)焊接材料提供試驗(yàn)和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 材料制備及焊接方法

焊條焊芯采用H08E，直徑為5.0mm。選用TL-25型焊條涂粉機(jī)將按一定比例均勻混合而成的合金粉末涂抹在焊芯上，加工成直徑5.0mm、長(zhǎng)約450mm的焊條，再經(jīng)低溫80℃×2 h，中溫150℃×1 h，高溫350℃×2 h熱處理成形。焊前經(jīng)過(guò)350℃×1 h烘干后使用。其配方原則是藥皮中Ni粉含量逐漸增加，其他合金成分（Cr和Mo粉）含量不變，余量為大理石、螢石、石英、金紅石、鈦白粉電解錳和45號(hào)硅鐵等礦物質(zhì)混合物，其藥皮成分配比見(jiàn)表1。

采用Newasia WS-630D焊機(jī)在Q235試樣上實(shí)施堆焊，試樣尺寸160mm×120mm×20mm。焊接電流160～240 A，電壓20～25 V，焊接速度約180mm/min，連續(xù)堆焊10～15層，層間溫度控制在250℃左右，堆焊厚度不小于15mm，制取試樣。

表1 藥皮中各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

1.2 顯微組織及力學(xué)性能試驗(yàn)

用Neophot21顯微鏡觀察焊縫金屬組織；用JSM-840進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)；用D8ADVANCE型X射線衍射儀確定焊縫金屬組織的物相組成。用萬(wàn)能電子拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)定強(qiáng)度；用XJL-300B型落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)定沖擊吸收功；用HR-150A型洛式硬度計(jì)測(cè)定試樣宏觀硬度，測(cè)試試樣不同區(qū)域的7個(gè)點(diǎn)硬度，去掉一個(gè)最高點(diǎn)，去掉一個(gè)最低點(diǎn)，剩下5點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均值即為焊縫金屬的硬度值。

1.3 擴(kuò)散氫含量測(cè)定

熔敷金屬擴(kuò)散氫含量測(cè)定應(yīng)按GB/T 3965—1995《電焊條熔敷金屬中擴(kuò)散氫測(cè)定方法》進(jìn)行，選擇水銀法試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊縫金相組織

合金元素影響熔敷金屬組織，而熔敷金屬組織決定其力學(xué)性能，因此明確合金元素Ni對(duì)熔敷金屬組織的影響規(guī)律是非常必要的。不同Ni含量熔敷金屬的組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 不同Ni含量熔敷金屬的組織結(jié)構(gòu)

由圖1可以看出，Ni含量較低時(shí)，熔敷金屬組織中含有較多的先共析鐵素體；當(dāng)w（Ni）≤4.0%時(shí)，隨著Ni含量的增加，熔敷金屬中先共析鐵素體含量逐漸減少，針狀鐵素體含量逐漸增多，且組織晶粒度也逐漸均勻細(xì)??；當(dāng)w（Ni）＞4.0%時(shí)，隨著Ni含量的增加，熔敷金屬中針狀鐵素體含量逐漸減少，且出現(xiàn)少量先共析鐵素體。主要是由于Ni是形成和穩(wěn)定奧氏體的元素，可以抑制先共析鐵素體的產(chǎn)生，促進(jìn)針狀鐵素體的產(chǎn)生。

2.2 焊縫金屬組織力學(xué)性能

不同Ni含量時(shí)各組熔敷金屬力學(xué)性能見(jiàn)表2。熔敷金屬力學(xué)性能與Ni含量關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 熔敷金屬力學(xué)性能與Ni含量的關(guān)系曲線

由表2和圖2可以看出，當(dāng)w（Ni）＜4.0%時(shí)，隨著Ni含量的增加，熔敷金屬的強(qiáng)度和沖擊韌性均逐漸增加；當(dāng)w（Ni）＞4.0%時(shí)，隨著Ni含量的增加，熔敷金屬的強(qiáng)度逐漸增加，而沖擊韌性逐漸降低。這主要是因?yàn)镹i是形成和穩(wěn)定奧氏體的元素，Ni和Fe以互溶的形式存在于奧氏體和鐵素體中，抑制先共析鐵素體的產(chǎn)生，促進(jìn)針狀鐵素體的產(chǎn)生。針狀鐵素體比較細(xì)小，取向自由，呈大角度晶界，具有較強(qiáng)的抗裂紋擴(kuò)展能力；又因針狀鐵素體板條之間為大角度晶界，且含有高密度位錯(cuò)，微裂紋解理跨越針狀鐵素體要消耗較高的能量。這種組織不僅提高焊縫金屬的強(qiáng)度，而且能都顯著提高焊縫金屬低溫沖擊韌性。

2.3 焊縫金屬斷口微觀形貌

本研究通過(guò)拉伸試驗(yàn)和常溫沖擊試驗(yàn)獲得4組試樣抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、斷面收縮率和沖擊功等數(shù)據(jù)，以及試樣斷口微觀形貌組織。不同Ni含量時(shí)各組試樣斷口的微觀形貌如圖3所示。

由圖3看出，當(dāng)w（Ni）＜4.0%時(shí)，隨著Ni含量增加，試樣斷口微觀形貌中韌窩數(shù)量逐漸增多，尺寸變小，深度增加，分布更均勻；當(dāng)w（Ni）＞4.0%時(shí)，隨著Ni含量的增加，試樣斷口微觀形貌中韌窩的數(shù)量逐漸減少，尺寸變大，深度降低；當(dāng)w（Ni）=4.0%時(shí)，試樣斷口中韌窩數(shù)量達(dá)到最大值，尺寸細(xì)小，深度較深，分布均勻。這與上面分析熔敷金屬的韌性與Ni含量的關(guān)系相似。

2.4 焊縫金屬冷裂紋傾向

焊后裂紋產(chǎn)生的原因主要有擴(kuò)散氫、淬硬性以及焊后微觀殘余應(yīng)力等，本研究從以下三個(gè)方面分析試樣的裂紋傾向性。

2.4.1 擴(kuò)散氫含量

不同Ni含量時(shí)各組試樣焊縫金屬中擴(kuò)散氫的含量如圖4所示。

由圖4可以看出，雖然4組試樣擴(kuò)散氫含量有所差異，但差別不大，基本都在3.3 mL/100 g左右，且均滿足超低氫的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4.2 淬硬性

硬度是力學(xué)性能的重要指標(biāo)，與金屬的組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，硬度越高其脆性逐漸增大。

圖3 不同Ni含量試樣斷口的微觀形貌

圖4 不同Ni含量焊縫金屬中擴(kuò)散氫的含量

不同Ni含量時(shí)各組試樣焊縫金屬的宏觀硬度如圖5所示。

圖5 不同Ni含量焊縫金屬的宏觀硬度

由圖5可以看出，隨著焊縫金屬中Ni含量的增加，焊縫金屬宏觀硬度逐漸增加。主要是因?yàn)槿鄯蠼饘僦蠳i含量的增加導(dǎo)致碳當(dāng)量的增加，因此熔敷金屬的硬度提高。

2.4.3 微觀殘余應(yīng)變

對(duì)4組試樣焊縫金屬的顯微組織進(jìn)行XRD物相分析試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 4組試樣焊縫金屬的物相組成

從圖6可以看出，4組試樣焊縫金屬的物相都是α-Fe，即鐵素體。盡管焊縫金屬中含有多種微合金化元素Mn，Cr，Ni和Mo等，在焊接過(guò)程中形成一些微量相，但由于其含量太低，采用X射線衍射方法無(wú)法觀察到明顯的衍射峰。然而，根據(jù)不同合金元素配比下衍射峰的數(shù)值差異，采用MDI Jade5.0對(duì)4組試樣焊縫金屬的晶胞參數(shù)和微觀應(yīng)變進(jìn)行比較，可以分析出合金元素對(duì)焊接接頭性能的影響。

不同Ni含量時(shí)焊縫組織中的點(diǎn)陣常數(shù)精確測(cè)量值見(jiàn)表3。

表3 不同Ni含量時(shí)焊縫組織的晶格畸變量

表3中(a-a0)/a0×100表示晶胞參數(shù)相對(duì)變化量，a0為α-Fe在25℃時(shí)晶胞參數(shù)（a0=2.866 4 A）。從表3可以看出，合金元素含量與焊縫組織基體的晶胞參數(shù)值有一定關(guān)系，合金元素含量高時(shí)，焊縫金屬的晶胞參數(shù)相對(duì)較高；合金元素含量低時(shí)，焊縫金屬的晶胞參數(shù)相對(duì)較低。這主要是因?yàn)楹辖鹪豈n，Cr，Ni和Mo等原子溶入基體，造成了基體晶格畸變，而不同試驗(yàn)組由于合金元素的含量不同，合金原子的固溶度不同，故晶格畸變量不同。

比較4組試樣的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，4組試樣出現(xiàn)不同程度的晶胞參數(shù)增加的情況，即存在晶格正向應(yīng)變，在這一范圍內(nèi)存在微觀壓應(yīng)力。晶格參數(shù)變化量的絕對(duì)值越小，引起的晶格畸變量也越小，使得其焊縫組織應(yīng)力分布更均勻；而晶格參數(shù)變化量的絕對(duì)值越大時(shí)，引起的晶格畸變量也越大，增加了焊接殘余應(yīng)力，加大了焊件的冷裂傾向。

本試驗(yàn)中4組試驗(yàn)焊縫組織衍射峰寬度的變化（見(jiàn)圖6）主要是由于微觀應(yīng)變的變化引起的。不同Ni含量時(shí)焊縫組織中的微觀應(yīng)變計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同Ni含量時(shí)焊縫組織中的微觀應(yīng)變

表4的微觀應(yīng)變分析結(jié)果與表3的晶格畸變分析結(jié)果大體一致，即對(duì)不同Ni含量的4組試樣，在焊縫組織中均存在晶粒尺寸的微觀應(yīng)變，這種應(yīng)變主要為正向的，且在數(shù)值變化上有較大差別。微觀應(yīng)變和晶格畸變數(shù)值上的變化大致反映了Ni含量的影響。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)用高強(qiáng)鋼焊條的熔敷金屬進(jìn)行擴(kuò)散氫含量測(cè)定、宏觀硬度測(cè)定和微觀應(yīng)變測(cè)定等發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)試驗(yàn)組A3雖然擴(kuò)散氫含量較低，微觀應(yīng)變值較小，但宏觀硬度值較高，具有一定的脆硬傾向，焊接時(shí)存在產(chǎn)生冷裂紋的危險(xiǎn)。因此，采用A3組焊條進(jìn)行焊接時(shí)要合理地選擇焊接工藝，降低焊縫金屬的冷裂傾向。

3 結(jié) 論

（1）w（Ni）=4.0%時(shí)， 獲得的焊條熔敷金屬具有最優(yōu)組織，主要為大量均勻、細(xì)小的針狀鐵素體組織。

（2）w（Ni）=4.0%時(shí)， 獲得的焊條熔敷金屬具有最優(yōu)力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度717 MPa，抗拉強(qiáng)度808 MPa，伸長(zhǎng)率27%，斷后收縮率74%，25℃沖擊功117 J。

（3）最優(yōu)組焊條（w（Ni）=4.0%）具有一定的冷裂傾向，使用時(shí)應(yīng)選用合適的焊接工藝。

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Effect of Nickel Element on Weld Microstructure and Mechanical Properties of High-strength Steel Electrode

CAI Yangchuan,LUO Zhen
(College of Materials Science and Technology,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Based on Ni-Cr-Mo-V alloy system,it studied the effect of nickel on weld microstructure and mechanical properties of 800 MPa high strength steel electrode.The results showed that whenw（Ni）＜4.0%,the weld metal strength and toughness gradually increased with the increase of the content of Ni;whenw（Ni）＞4.0%,the weld metal strength gradually increased and the toughness gradually decreased with the increase of Ni.It can effectively inhibit the precipitation of proeutectoid ferrite and make the weld obtain a large number of tiny and homogeneous acicular ferrite whenw（Ni）=4.0%,thus improved the weld metal strength and toughness.

welding;Ni-Cr-Mo-V alloy;Ni;800 MPa high-strength steel electrode

TG422.1

A

1001－3938（2015）04-0005-06

蔡養(yǎng)川（1987—），男，博士研究生，主要從事焊接材料方面的研究工作。

2014-10-28

謝淑霞