冯祥利^1,2, 王磊¹, 刘杨¹
1. 东北大学 材料各向异性与织构教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110819;
2. 中冶置业集团有限公司, 北京 100088
收稿日期：2017-10-08
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51571052, 51371044)；辽宁省自然科学基金资助项目(2014020034)。
作者简介：冯祥利(1972-), 男, 河北唐山人, 东北大学博士研究生;
王磊(1961-), 男, 河北唐山人, 东北大学教授，博士生导师。

摘要：以Q460钢为对象, 研究了埋弧焊热输入对其接头组织及其拉伸变形行为的作用规律与机理.结果表明:接头HAZ宽度随热输入增加而增大, 同时FZ柱状晶比例也增加, FZ靠近熔合线的组织明显细化, 且FZ的软化得到改善.热输入对接头整体强度无明显影响, 而断裂延伸率呈增加趋势.19.0kJ/cm下焊接接头FZ与HAZ界面的变形不协调, 导致过早发生断裂.随热输入的增加, FZ组织细化, 缓解了FZ与HAZ界面硬度差, 提高了接头的塑性变形能力, 拉伸断裂位置由FZ转移至BM.
关键词：Q460钢焊接热输入显微组织变形行为
Effect of Heat Input on Microstructure and Tensile Deformation Behavior of Q460 Steel Weld Joint
FENG Xiang-li^1,2, WANG Lei¹, LIU Yang¹
1. Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials (Ministry of Education), Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2. China Metallurgical Group Corporation, Beijing 100088, China
Corresponding author: WANG Lei, E-mail: wanglei@mail.neu.edu.cn
Abstract: The effect of heat input by submerged arc welding on microstructure and tensile deformation behavior of weld joint in Q460 steel was studied and its mechanism was also discussed. The results showed that with the increase of the heat input, the width of the heat affected zone (HAZ) of the welding joint and the proportion of columnar zone in the fusion zone (FZ) increase, meanwhile the microstructure becomes finer near the weld zone and the welding softening in the FZ is improved. It is also found that the heat input has little effect on the tensile strength of the welding joint, while the fracture elongation of the joint increases with increasing heat input. When the heat input is 19.0kJ/cm, the fracture of the joint occurs very easily due to the mismatch of plastic deformation at the joint interface between the FZ and HAZ. With increasing heat input, the microstructure in the FZ becomes finer and the hardness difference at the interface between the FZ and HAZ can be reduced. Therefore, the plasticity of the overall joint can be improved and the fracture of the joints is located from the FZ to BM.
Key Words: Q460 steelweldingheat inputmicrostructuredeformation behavior
现代建筑、机械行业对于承重钢结构的轻量化和服役安全性的要求不断提高^[1], 以Q460, Q550等为代表的高强度低合金高强钢在结构部件上广泛应用^[2].焊接作为结构钢的重要连接方式, 经Mn, Si, V, Ti等微合金化的低合金高强钢焊接难度增大^[3], 直接影响其结构部件的服役安全^[4].埋弧焊由于具有熔覆率高、熔深大及便于自动化操作等优点, 在减轻焊接构件质量、提高构件刚度和结构设计灵活性等方面均显示出巨大优势.而且埋弧焊特别适用于大型构件的焊接, 成为500~700MPa级别大型钢结构主焊缝的首选焊接方式^[5].
虽然埋弧焊具有诸多优点, 但其仍会导致在焊缝位置产生局部的组织变化, 影响焊接接头的强韧性.随着钢强度级别的提高, 低合金高强钢焊接过程中组织稳定性降低、塑韧性下降、裂纹敏感性升高.而随焊接构件尺寸的增加, 低合金高强钢的焊接难度也大幅上升.在大尺寸构件焊接过程中, 由于焊接热循环的作用, 熔合区(FZ)存在因柱状晶生长方向、冷却速度不同而导致明显的组织差异, 易形成冷、热裂纹^[6];热影响区(HAZ)更是存在粗晶区、细晶区(相变重结晶区)及部分重结晶区显微组织的梯度分布.并且钢强度越高、合金元素添加量越多, FZ和HAZ组织变化越显著, 接头强韧性损失越严重.国内外学者针对低合金高强钢焊接接头组织演化及性能进行了研究, 发现FZ, HAZ组织的变化导致焊接构件变形过程中在接头发生局部塑性应变累积, 直接影响焊接构件的拉伸性能、冲击韧性和疲劳性能^[7].
在金属材料熔焊连接的主要工艺中, 焊接热输入是决定焊接质量的重要参数^[8].为此, 控制低合金高强钢焊接热输入, 提高大尺寸焊接构件的服役可靠性, 对保障低合金高强钢连接结构的建筑、机械服役安全尤为重要.为此本研究以近年开始应用的Q460钢埋弧焊接头为对象, 研究焊接热输入对接头组织及其拉伸变形行为的影响规律和机制, 以期为提高钢焊接结构的服役可靠性奠定基础.
1 实验材料和方法本研究所用材料为38mm厚的Q460热轧钢板, 其主要化学成分(质量分数, %)为:C 0.170, Si 0.345, Mn 1.510, Nb 0.100, V 0.150, Ti 0.120, Cr 0.170, Ni 0.500, Cu 0.300, N 0.007, Mo 0.050, B 0.001, P 0.025, S 0.025, Fe余量.采用CHW-S9/CHF101焊材，单侧V型30°坡口实施平均热输入分别为19.0, 24.0和28.5kJ/cm的埋弧焊接.焊接前母材(BM)进行100℃预热, 层温控制在130~170℃.
参照ISO 26203-2标准将接头加工成拉伸样品, 利用MTS 810材料实验系统进行10^-3 s^-1的拉伸变形, 获得接头的力学性能.利用OLYMPUS SZ61测量显微镜对接头宏观形貌及断裂特征进行表征, 采用Wilson Wdpert 401MVD显微硬度仪测定接头的硬度(50g, 10s).利用OLYMPUS GX71金相显微镜、OLYMPUS LEXT 3100激光扫描共聚焦显微镜和JSM-6510扫描电子显微镜观察钢组织变化和拉伸断口形貌.
2 结果与讨论2.1 热输入对Q460钢埋弧焊接头显微组织的影响由图 1可见接头FZ呈倒梯形状, 具有多层多道焊组织结构特征(图 1a), 重复加热作用下柱状晶明显细化.接头质量良好, 无裂纹、气孔、飞溅等焊接缺陷, 由FZ, HAZ及BM构成(图 1b, 1c). BM组织为层状不连续珠光体分布于铁素体中(图 1i).焊接过程中, 从FZ至HAZ显微组织变化显著.FZ主要包括自熔合线(WZ)垂直向内生长的柱状晶(图 1b, 1d)、靠近熔合线的粗大块状等轴晶(图 1b, 1e)及熔合线处的细小等轴晶(图 1b, 1f).柱状晶为焊接过程中焊材与母材熔化混合, 降温中形成铸态组织; 而块状等轴晶粒呈被细化的柱状晶, 多道次焊接时后续焊道对前焊道产生的重复加热, 使前焊道的部分区域的奥氏体被细化, 形成块状等轴形态, 而冷却后内部针状铁素体组织保持不变.
图 1(Fig. 1)

图 1 热输入19.0kJ/cm下Q460钢埋弧焊接头的显微组织特征Fig.1 Microstructure characteristics of Q460 steel SAW-joint welded with heat input of 19.0kJ/cm (a)—接头截面宏观形貌；(b)—WZ处FZ侧; (c)—WZ处HAZ侧；(d)—FZ柱状晶区; (e)—FZ块状等轴晶区；(f)—FZ细等轴晶区; (g)—HAZ相变重结晶区；(h)—HAZ不完全重结晶区; (i)—BM.

接头HAZ包括相变重结晶区和不完全重结晶区(图 1 c).靠近熔合线一侧HAZ, 受焊接热影响使BM的加热温度升高, 在900~1100℃范围内, 铁素体和珠光体全部转变为奥氏体, 随后快速冷却.由于温度变化梯度明显而显著提高了先共析铁素体和珠光体转变的形核率, 形成明显细化的相变重结晶区(图 1 g).随距熔合线距离的增加, HAZ的加热温度在A_c1~A_c3之间, 珠光体和部分铁素体转变为晶粒细小的奥氏体, 冷却时奥氏体转变成细小的铁素体和珠光体, 而铁素体略有长大, 最终形成晶粒大小不均的不完全重结晶组织(图 1 h).
由图 2可知, 随热输入的增加, 热影响区宽度逐渐增大, FZ柱状晶比例增加.由于本研究采用多层多道焊, 后续焊道对之前的焊道会产生热影响.随热输入的增加, 热影响区域的温升也增加, 焊接热量散失相对较少^[9], 因此重复焊接形成的重熔区域增多, 一次柱状晶组织比例增加.
图 2(Fig. 2)

图 2 不同热输入下Q460钢埋弧焊接头组织特征Fig.2 Microstructure characteristics of Q460 steel SAW-joint with different heat input (a)—19.0kJ/cm；(b)—24.0kJ/cm；(c)—28.5kJ/cm.

随热输入的增加, 接头FZ靠近熔合线的细晶区组织进一步细化(图 3).热输入的增加, 使得焊缝熔池及熔合线HAZ一侧的温度更高.熔合线位置在之后的冷却过程中, 无论是液相激冷结晶还是HAZ侧的相变重结晶区均形成更大的温度梯度, 可提高结晶形核率和相变形核率, 组织更加均匀细小.
图 3(Fig. 3)

图 3 热输入对Q460钢埋弧焊接头FZ细晶区组织的影响Fig.3 Effect of heat input on fine crystal zone in FZ of Q460 steel SAW-joint (a)—19.0kJ/cm; (b)—24.0kJ/cm; (c)—28.5 kJ/cm.

由于FZ柱状晶边界仿晶界铁素体的存在, 接头FZ硬度波动明显(图 4).因HAZ相变重结晶的晶粒显著细化, 使得HAZ硬化明显, 而在HAZ外侧与BM界面处硬度略有降低, 随热输入的增加, HAZ硬化范围减小.热输入对FZ硬度影响显著, 随热输入的增加, FZ由19.0kJ/cm时的低于BM硬度(焊接热软化)逐渐高于BM(焊接硬化).当热输入增加至28.5kJ/cm时, FZ的硬度已超过HAZ.接头FZ以细针状铁素体组织为主(图 1), 随热输入的增加FZ内柱状晶比例增加(图 2), 进而该位置的细针状铁素体比例亦将明显增加, 因此FZ硬度随热输入增加得以升高.而且, 接头熔合线处FZ侧的细晶区组织随热输入增加显著细化, 亦为接头FZ硬度提高的又一要因.
图 4(Fig. 4)

图 4 不同热输入Q460钢埋弧焊接头的硬度分布Fig.4 Microhardness distribution of Q460 steel SAW-joint with different heat input

2.2 不同热输入条件下焊接接头的拉伸性能Q460钢埋弧焊接头的拉伸性能随热输入的变化如图 5所示.可见与Q460钢BM相比, 接头屈服强度有所增加, 接头的抗拉强度和断裂延伸率均略有降低.热输入对接头强度影响不大, 随热输入增大屈服强度、抗拉强度略有增加.接头断裂延伸率随焊接热输入的增加呈增加趋势, 尤其是当焊接热输入增至28.5kJ/cm时, 接头断裂延伸率已由19.0kJ/cm时不足BM塑性的50%, 提升至70%.这表明, 焊接热输入显著影响接头力学性能, 在热输入为28.5kJ/cm条件下, 接头获得较好的强韧性.
图 5(Fig. 5)

图 5 热输入对Q460钢埋弧焊接头拉伸性能的影响Fig.5 Effect of heat input on tensile properties of Q460 steel SAW-joint

2.3 不同热输入下接头的动态拉伸变形行为与Q460钢母材的拉伸变形过程相比, 接头的弹性模量无显著变化(参照图 6弹性变形部分), 而拉伸曲线的“均匀塑性变形”阶段加工硬化现象明显, 即随热输入增加接头具有更高的加工硬化能力.虽然接头的塑性整体均低于母材, 但焊接热输入对接头拉伸变形曲线最大载荷点之后的“非均匀塑性变形”直至断裂阶段的影响明显.热输入为19.0kJ/cm时, 接头拉伸曲线进入“非均匀塑性变形”阶段后迅速发生断裂, 呈与母材不同的变形行为.随焊接热输入的增加, 虽然接头拉伸曲线的均匀延伸率有所降低, 但“非均匀塑性变形”特征逐渐趋向母材特征, 热输入增加至28.5kJ/cm时, 接头表现出接近母材70%的塑性变形能力.这表明增加热输入, 改变了接头的塑性变形行为, 随之断裂机制亦发生了变化.
图 6(Fig. 6)

图 6 热输入对Q460钢埋弧焊接头的应力-应变曲线的影响Fig.6 Effect of heat input on stress-strain curves of Q460 steel SAW-joint

在19.0kJ/cm热输入下, 断口纤维区比例低, 断口韧窝均匀、尺寸小, 表明主裂纹在FZ萌生后快速扩展发生断裂失效(图 7a, 7d).因接头FZ存在明显硬度波动(图 4), 因此拉伸变形中首先在硬度低的FZ发生塑性变形.而接头FZ主要为大尺寸柱状晶组织, 同时存在沿柱状晶晶界分布的仿晶界铁素体, 该部位的塑性变形协调能力远低于BM^[10], 导致塑性变形中过早出现应变集中, 形成裂纹而断裂.
图 7(Fig. 7)

图 7 不同热输入条件下Q460钢埋弧焊接头的拉伸断口形貌Fig.7 Fracture surface morphology features of Q460 steel SAW-joint with different heat input (a), (d)—19.0kJ/cm; (b), (e)—24.0kJ/cm; (c), (f)—28.5kJ/cm.

随热输入的增加, 拉伸断口纤维区起伏增大、韧窝尺寸及深度均明显增加(图 7 c, 7f).热输入增加, 接头FZ铸态一次柱状晶组织、针状铁素体比例均明显增加(图 1、图 2), 且FZ细晶区组织明显细化(图 3), 因此接头FZ的焊接软化现象得以明显改善.当热输入达到28.5kJ/cm时, FZ硬度已达到HAZ的硬度, 远高于BM硬度(图 4).此时接头拉伸变形中, 塑性变形集中在BM区域, 直至在BM发生萌生裂纹而断裂失效.可见, 增加焊接热输入产生的FZ组织变化带来的“焊接硬化”是接头断裂位置由FZ转移至BM、强度和塑性得以综合提高的主要原因.
3 结论1) Q460钢埋弧焊接头HAZ宽度随热输入增加而增大, 同时FZ柱状晶比例增加, FZ靠近熔合线的细晶区组织亦明显细化, 接头FZ的硬度逐渐提高.当焊接热输入增加至28.5kJ/cm时, 接头FZ的硬度已超过HAZ.
2) 热输入对Q460钢埋弧焊接头强度无明显影响.接头断裂延伸率随焊接热输入的增加呈增大趋势, 当焊接热输入增至28.5kJ/cm时, 接头断裂延伸率已由19.0kJ/cm时不足BM塑性的50%, 提升至70%, 接头呈良好的强韧性.
3) 随焊接热输入的增加, 接头FZ组织细化、硬度增加、塑性变形协调能力提高, 使接头拉伸断裂位置由FZ转移至BM, 塑性变形能力显著提高.
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