高韧性低碳贝氏体钢及其焊接性研究

龙也，赵炯，宋刚

(1.同济大学机械与能源工程学院，上海200092；2.上海三一重机有限公司，上海201413)

0 引言

随着工程机械焊接结构件向大型化、复杂化、轻量化发展的趋势，应用高强度钢板替代当前Q235、Q345级别普通钢材，实现设备减重、高效、节能的目的具有广阔的前景。高强度结构钢板应用的关键是其焊接性能——高效的焊接工艺和可靠稳定的焊接区域力学性能。工程机械设备，工况苛刻受力大且复杂，冲击和疲劳载荷共存，要求结构钢及其焊接区域具有较高的韧塑性和强度性能匹配来保证结构的安全性和寿命指标。

国内钢铁企业开发了一系列的低碳微合金焊接钢板，如Q550、HG70等低碳贝氏体钢。这类钢的碳当量和焊接冷裂纹敏感系数较低，具有良好强韧性配合和可焊性。但对焊接热存在一定的热敏感性，熔合线和HAZ区域存在明显晶粒粗大组织，力学性能存在不同程度降低。焊接高强钢焊接区域的性能波动较大，破坏了结构应力传递的连续性，结构的失效基本发生在焊接区域。以HG70钢为例，其C含量典型值为0.06% ～0.1%，碳当量典型值约0.43%、冷裂纹敏感系数Pcm值约0.21%。实际允许的焊接线能量范围为10～15kJ/cm，且焊接区域性能起伏较大，如图1所示。焊接工艺参数，如电流、电压被限制在较窄的范围内，增加了对焊接人员的操作要求。在当前国内工程机械行业现有的制造水平下，很难保证焊接结构件品质。

图1 HG70C焊接区域的硬度分布

综上所述，对于高强度焊接结构钢必须解决如下两个关键问题:1)保持良好的可焊性，具有较宽的工艺参数范围，提高施工工艺的容错能力，降低施工人员的要求，以较少焊接故障；2)稳定焊接区域力学性能保证，减小焊接热对钢板的影响。

我公司在现有700MPa级别低碳贝氏体结构钢的基础上，开发出了一种易焊接的低碳贝氏体钢。化学成分中选用Mo、B等元素保证钢板的强度级别；选用Nb、V、Ti等晶粒细化元素提升钢板的韧塑性，并抑制焊接过程中钢板受热导致的晶粒长大过程，以减小钢板对焊接热的影响。本文对新开发的700MPa级别钢板的焊接工艺和性能进行了系统的研究。

1 试验材料及试验方法

1.1 试验设备

相关测试试样均按照国家标准加工。冲击试验在ZBC750G型冲击试验机上进行；拉伸试验在WAW-Y500型万能试验机上进行；在MH-6型显微硬度仪上进行硬度测试；微观组织观察采用PHILIPS公司生产的XL-30扫描电镜以及ZEISS公司生产的Observer-A1m型体视显微镜。

1.2 试验材料

表1 试验钢板的质量分数(典型值，%)

表2 试验钢板的力学性能(典型值)

钢材的质量分数如表1所示，板厚14mm。C含量较低，同时含有Nb、Ti、V、B等元素。在低碳钢中，B元素有利于钢材在较宽冷却速度范围内获得以贝氏体为主的金相组织，通常含量小于0.003%。钢材中适量的Nb可以阻止奥氏体晶界沉淀析出Fe23(CB)，从而显著提高B的强化效果；V产生中等程度的沉淀强化和比较弱的晶粒细化；而钢中非常细小的TiN颗粒在受热状态下仍能保持稳定，达到细化奥氏体晶粒的效果。钢材具备良好的塑韧性，延伸率高于GB1591-2008规定的16%，-20℃冲击功达到202J，-50℃冲击功达到195J，力学性能见表2。

母材基体组织以板条贝氏体为主，含有少量的针状铁素体，晶粒内部有弥散分布的合金元素碳、氮化物析出。平均晶粒直径约11 μm，组织细小，晶粒度为9～10.5级。

1.3 试验方法

焊接样采用二氧化碳气体保护焊制备，对接焊缝。焊丝和钢板采用等强匹配原则，选用AWS ER69-1级别低氢焊丝。焊丝d1.2mm，焊丝熔敷金属的力学性能见表3所示。

表3 焊丝熔敷金属的力学性能

焊接板尺寸为14mm×300mm×480mm，V型坡口，具体尺寸设计如图2所示。焊接设备为奥地利产Fronius焊机，保护气体选用80%Ar+20%CO2，试验中采用三种线能量焊接条件:15.7、21.8和28.8kJ/cm，具体焊接工艺参数见表4。试板焊接前不预热，焊后静置24h后加工测试试样。

图2 坡口尺寸示意图

表4 焊接工艺参数(注：线能量计算中电弧功率系数取0.8)

2 试验结果及分析

2.1 焊缝与过热区显微组织

焊接样熔合线附近受热最严重，存在一个明显的过热区。焊接过程中该区域为半熔融态，温度场峰值大幅超出Ac3温度，接近熔点。焊后冷却过程中，由于初始奥氏体晶粒粗大，导致过热区最终金相组织粗大。该区域力学性能较差，同时该区域是结构尺寸突变区域，本身就存在一定程度的应力集中，是高强钢焊接结构上的薄弱环节。保证热影响区的力学性能对于确保整个焊接结构件的使用安全起着重要的作用。

图3为钢材在三种线能量焊接条件下的热影响区中过热区的金相组织。过热区组织主要以下贝氏体为主，少量的粒状贝氏体、铁素体。随着线能量的增大，铁素体的含量增加。金相中能清晰的观察到初始奥氏体晶界，随着线能量加大，初始奥氏体晶粒尺寸增大明显。

图3 三种线能量下过热区的金相组织：)15.7 kJ/cm；(b)21.8 kJ/cm；(c)28.8 kJ/cm

图4 为三种线能量焊接条件下焊缝的金相组织。焊缝组织主要由针状铁素体、贝氏体、先共析铁素体组成。三种焊接工艺条件下，焊缝组织主要有两方面的差异:1)随着焊接线能量的增大，晶粒的大小变得不均匀，组织的不均匀性会造成晶格中的各种微观缺陷，降低接头的冲击性能。热输入增大使得冷却速度的减慢，焊缝组织发生一定程度的重结晶［1］，晶界逐渐变得模糊。2)随着焊接线能量的增大，过冷奥氏体在相对更为缓慢的冷却条件下转变并更易获得近平衡态的组织。焊缝组织中的针状铁素体含量有所增加。针状铁素体实质是晶内形核的贝氏体，针状铁素体的位错密度达到1.2×1010cm-2，是先共析铁素体的2倍左右，这样的组织特点使得它可以改善焊缝的冲击韧性。以上两方面的综合作用，使得焊缝性能的相对稳定，波动幅度不明显。

图4 三种线能量下焊缝的金相组织：(a)15.7 kJ/cm；(b)21.8 kJ/cm；(c)28.8 kJ/cm

2.2 焊接接头拉伸、弯曲与冲击性能

焊接样的拉伸试验与冲击性能试验结果如表5所示。三种焊接条件下焊接接头的抗拉强度(平均值)分别为714MPa、727MPa、713MPa，比母材与焊丝的强度低 6%～7%。从图3中看，焊缝区的晶粒尺寸均比较细小，焊接线能量的提高没有导致抗拉强度的明显下降。

表5 焊接接头力学性能

在15.7、21.8、28.8kJ/cm焊接线能量条件下，热影响区的-20℃冲击功与母材相比，下降并不明显。三种线能量的焊接接头中，热影响区的冲击功均高于焊缝区，也是因为原始组织中钢材的冲击功大于焊丝，焊接热对钢材的影响较小。

结合图2，热影响区中过热区的贝氏体组织晶粒尺寸基本稳定，同时晶粒处于较为细小的水平，可以增加有效晶界面积，每个晶粒中塞积的位错数目减少，应力集中减轻，推迟微裂纹的萌生，增大断裂应变的临界值，使得热影响区的冲击功仍保持在较理想的水平。

2.3 焊接接头维氏硬度

按照GB/T2654-2008《焊接接头硬度试验方法》测定接头的维氏硬度，测量点间距约为1mm，测量线与焊缝表面距离为1.5mm，以熔合线处为参考标记，测试结果见图5所示。

图5 焊接接头硬度测试曲线

钢板焊接接头硬度试验结果表明，三种焊接条件下，焊缝区和母材区的硬度波动不大，接头硬度最高值为260(HV0.5)。热影响区存在一个软化区，但硬度也都在220(HV0.5)以上。焊接接头各区域的硬度都远低于350HV，焊接接头的淬硬倾向不明显，而且性能比较均匀，说明该钢焊接性良好。因此在一般焊接情况下，无需考虑预热或后热。

热影响区的软化区域约为2mm，较HG70C钢材的4mm热影响区软化区域要窄，硬度的降幅仅在10%左右，优于同级别的钢材。

测试结果显示该700MPa级别钢材在保证强韧性提高的前提下，具有良好的塑性和焊接性。Pcm值和Ceq较低，能够实现不预热焊接，并且焊接接头的组织、成分与性能不存在较大起伏，在较高焊接线能量条件下能够保证焊接接头的性能达到使用要求。

3 结论

1)通过合理成分设计和工艺生产的该700MPa级别钢材具备良好的塑韧性、焊接性。

2)该钢材在28.8kJ/cm较大线能量的焊接条件下，焊缝与热影响区-20℃低温韧性仍保持在100J以上，韧性良好。

3)15.7～28.8kJ/cm区间均属于该钢材合适的线能量范围，此焊接条件范围内焊接接头性能变化不大。较宽的线能量范围降低了对焊接施工人员的要求，有利批量推广应用。

［1］蒋庆磊，李亚江，王娟，等.Q550高强钢焊接接头强韧性匹配［J］.焊接学报，2010，31(10):65-68.

［2］尹士科.焊接材料实用基础知识［M］.北京:化学工业出版社，2004，3-5.

［3］李少华，尹士科，刘奇凡.焊接接头强度匹配和焊缝韧性指标综述［J］.焊接，2008，(1):24-25.

［4］杨秀芹，杨海林，姚连登.超低碳贝氏体WDB620钢及其焊接性［J］.机械工程材料，2003，27(9):42-45.