磁场对400 MPa级超细晶粒钢MAG焊缝组织和冲击韧性的影响

（辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺 113001）

磁场对400 MPa级超细晶粒钢MAG焊缝组织和冲击韧性的影响

戴志勇，王秉新，董 旭，王 冠

（辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺 113001）

利用电磁搅拌技术研究了交变磁场作用下400 MPa级超细晶粒低合金高强钢MAG焊缝组织特征，分析了电磁搅拌焊接对焊缝冲击韧性的影响。实验结果表明，电磁搅拌能有效地改变焊缝金属的组织形态，使焊缝金属组织柱状晶转变为等轴晶，有效细化组织，提高了焊缝金属的冲击韧性

超细晶粒高强钢；MAG焊接；电磁搅拌；焊缝；力学性能

超细晶粒钢是为了节约资源，充分挖掘传统金属材料的性能潜力，通过一系列新的冶炼生产技术和各种晶粒细化工艺手段而获得的一种比传统钢铁材料杂质含量低，晶粒尺寸为微米级的新一代钢铁材料，其强度指标大幅度提高，并保持了高的韧性，在一些行业中获得了广泛应用。

然而，超细晶粒钢在焊接过程中，在焊接热循环作用下，由于超细晶粒钢晶粒极度细化，晶粒长大的驱动力很大，接头热影响区(HAZ)晶粒严重粗化[1-4]，严重恶化了焊接接头整体的力学性能，制约了超细晶粒钢的推广应用。尽管研究人员提出了采用低热输入、高能密度的焊接方法，解决HAZ存在的脆化和局部软化现象，取得了一定效果[5-7]，但迄今为止人们对超细晶粒钢焊接性问题基本上局限在解决HAZ的组织和力学性能方面，而对焊缝金属的组织及强韧性问题研究的很少。针对目前超细晶粒钢焊接技术研究现况及存在的问题，本论文采用外场电磁搅拌技术，对一种400 MPa级超细晶低合金高强钢开展磁控MAG焊接技术研究，分析电磁搅拌焊接对焊缝组织形貌以及焊缝力学性能的影响。

1 试验材料及方法

实验钢材为400 MPa级细晶钢板，厚度规格为7 mm，其成分如表1所示。

表1 实验钢材的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of experimental steel %

实验钢的金相组织如图1所示，由铁素体+少量珠光体构成，组织非常细小，采用截距法测量铁素体晶粒平均尺寸为6～8 μm。

焊接方法采用熔化极活性气体保护焊(MAG)，接头与母材强度匹配采用等强组配原则，使用H08MnSi2A焊丝，其化学成分如表2所示，焊丝直径1.2 mm。

图1 试验钢母材金相组织Fig.1 The original microstructure of experimental base steel

表2 H08MnSi2A焊丝的化学成分(质量分数)Table 2 The chemical composition of the H08MnSi2A wire%

焊接设备为Fronius全自动MIG/MAG焊接机，CO2+Ar(20%+80%)保护，焊接电压25～30 V，焊接电流为160～180 A，焊接速度3.5 cm/s，焊接试样采用V型坡口。使用纵向交变磁场，磁场施加方式如图2所示，激磁电流及频率分别为2 A。

图2 电磁搅拌焊接试验装置原理图Fig.2 The device schematic diagram of electromagnetic stirring welding test

根据GB/T2650-96《焊接接头冲击试验法》的规定，在焊接试板上沿垂直焊缝方向截取焊接冲击试样坯料，加工成5×10×55的非标准夏比V型缺口冲击试样，试样缺口开在焊缝处，且垂直焊缝表面。沿垂直焊缝方向用切割取样，作金相试样，使用Leica DMIRM型图像仪分析焊缝组织，使用TESCAN VEGA TS 5136XM型扫描电镜(SEM)观察断口形貌。

2 试验结果与分析

图3所不同条件下焊缝金相组织，可以看出，在未施加磁场条件下焊接时，焊缝组织为粗大的、连续性和方向性很强的柱状晶组织形貌，柱状晶的长宽比很大。当施加外磁场对焊接过程进行干预时，焊缝组织形态发生变化。在电搅拌焊接条件下，焊缝组织几乎均由等轴晶构成，组织明显细化。

图3 磁场对焊缝组织的影响Fig.3 The impact of magnetic field on the weld

表3为焊缝金属的室温冲击功测试结果。可以看出，磁场条件焊缝金属的冲击功明显高于未加磁场条件。

表3 焊缝金属室温冲击功Table 3 Weld metal room temperature impact energy

图4为焊缝冲击试样断口组织的SEM分析结果，从中可以看出，虽然二种条件下焊缝断口均呈韧窝形式，但相比于未加磁场焊缝，电磁搅拌焊缝断口中的韧窝具有大而深的特征，表明其具有相对高的韧性。

焊缝力学性能与其组织密不可分，而组织与结晶条件、结晶过程有关。当焊缝中形成熔池后，由于固态金属母材散热系数大，熔池液态金属与母材相邻区域散热快，温度低，处于过冷状态，使得晶粒形核具备了足够的形核热力学条件。同时，沿熔合线垂直方向形成很大的温度梯度，如图5所示，这样为柱状晶的形成、生长提供了良好的动力学条件，晶核沿温度梯度方向发生择向生长，使焊缝金属形成粗大的铸造柱状晶组织。

图4 不同焊接条件下焊缝断口形貌Fig.4 The weld fracture morphology under different welding conditions

以及外加磁场与熔池中电流相互作用产生的电磁力，对熔池中液态金属产生强烈的电磁搅拌作用，使得熔池中液态金属进行快速流动，产生强迫对流。外加磁场对熔池液体金属的这种搅拌作用，使凝固过程中树枝晶或难以长大，或被折断、击碎，而这些破碎的枝晶颗粒脱离熔池侧壁进入熔池，游离于结晶前沿的液体中又会成为新的生长中心。此外，对流可把从熔池侧壁脱离的晶粒以及熔池中析出的形核质点带到固液界面前沿的成分过冷区中，促进了非均质形核，这样极大地增加了熔体的形核率，细化了焊缝组织。

图5 焊缝金属柱状晶形成示意图Fig.5 The formed columnar crystals schematic of weld metal

另外，熔池液体的搅拌作用增大了液体流动，将熔池边缘处温度较低的晶粒带入熔体内部，而将温度较高的熔体来补充，从而延缓了熔池边缘的温度降低，加速内部熔体的降温，使得温度场得到了重新分布，降低了液态熔池的沿最大散热方向的温度梯度，这样金属液的温度较为均匀。由于熔体中温度相对均匀，降低了温度梯度，这样，消除了产生柱状晶的条件，抑制了晶粒在某个方向的优先生长，从而晶粒在各个方向上均匀生长，有效地抑制了晶粒的择向生长，这样消除了粗大的柱状晶，而出现细小的等轴晶组织[10]。由此可见，电磁搅拌能够促使焊缝柱状晶向细小的等轴晶转变，细化焊缝组织，提高焊缝的冲击韧性。

3 结 论

外加纵向交变磁场对400 MPa细晶粒高强钢MAG焊接过程进行电磁搅拌，能有效地改变焊缝金属的组织形态，使焊缝金属组织柱状晶转变为等轴晶，有效细化组织，提高了焊缝金属的冲击韧性。

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Effect of Electromagnetical Stirring on Microstructure and Impact Toughness of MAG Weld Meta1 of 400 MPa Ultra-fine Grained Steel

DAI Zhi-yong，WANG Bing-xin，DONG Xv，WANG Guan
（College of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

The microstructural characteristics of MAG weld meta1 of 400 MPa ultra-fine grained steel under the alternating magnetic field were researched by using electromagnetic stirring technology, and effect of electromagnetical stirring on impact toughness of weld meta1 was investigated. The experimental results show that the electromagnetical stirring can efficiently improve microstructural morphology of weld meta1, convert coarse columnar crystals into fine equiaxed grains, which can enhance the impact toughness of MAG weld meta1.

Ultra-fine grained high strength steel; MAG welding; Electromagnetical stirring; Weld meta1; Impact toughness

TG 44

： A

： 1671-0460（2014）04-0491-03

辽宁省教育厅资助项目（L2012132）。

2013-10-21

戴志勇（1987-），男，辽宁葫芦岛人，在读硕士，2014年毕业于辽宁石油化工大学材料学专业，研究方向：从事电磁搅拌焊接技术工作。E-mail：hlddaizhiyong@163.com。