正火钢Q370qE焊接接头热影响区组织及冲击韧性研究

谢 杰,张陆霄,王 纳,张 宇,李 惠,王加友*

(1.江苏科技大学 材料科学与工程学院, 镇江 212100)(2.江苏省(沙钢)钢铁研究院, 张家港 215625)

随着我国桥梁建造行业的发展,桥梁结构钢的需求逐年递增[1]．为了适应桥梁结构的安全性、稳定性、可靠性以及耐候性的要求[2],桥梁钢的性能指标逐渐向高强高韧易焊等高要求方向发展[3]．相比于其他钢种,目前桥梁结构钢中应用最广、需求最大的是Q370qE钢[4]．然而,正火态交货的Q370qE钢在使用过程中易出现焊接接头热影响区低温冲击韧性不稳定的问题．

文中针对两种不同成分的正火钢Q370qE,从焊接接头热影响区低温冲击韧性的测试、元素分布及组织占比的定量定性分析,研究母材合金元素及焊接工艺对焊接接头力学性能的影响,解决现有正火钢Q370qE存在问题,为实际钢材生产提供指导．

1 试验

1.1 试验材料

本试验研究对象为江苏沙钢集团有限公司提供的两种不同成分，板厚为50 mm正火钢Q370qE，分别称为A类板和B类板，合金成分如表1．与A类板相比,B类板母材中Nb、V元素含量明显减少,Cu、Ni元素含量明显增多．

表1 不同母材合金成分Table 1 Alloy compositions of different base material w(x)/%

1.2 焊接方法及材料

试验用焊接方法为直流埋弧焊,焊丝选用直径5 mm的H08Mn2E,配套焊剂SJ101q．埋弧焊丝的化学成分如表2．对比表1和表2中Ni元素含量可知,焊丝中Ni元素含量高于两种母材．

表2 埋弧焊丝H08Mn2E化学成分Table 2 Chemical compositions of submergedarc welding wire H08Mn2E w(x)/%

1.3 焊接工艺参数

为研究焊接工艺参数对焊接接头热影响区低温冲击韧性的影响,选定4种不同焊接热输入的工艺参数,如表3．

表3 焊接工艺参数Table 3 Welding experimental parameters

1.4 热影响区低温冲击韧性测试方法

按照Q/CR 9211-2015铁路钢桥制造规范及GB/T 2650-2008焊接接头冲击试验方法,在距离焊接接头上表面2 mm位置取热影响区冲击试样,冲击缺口采用夏比V型缺口,缺口中心在熔合线外1 mm位置,试验温度为-40℃,摆锤冲击的刀刃为2 mm．

1.5 元素测定方法

为测定焊接接头热影响区元素的迁移变化,利用电子探针X射线显微分析仪(EPMA)测定距离焊接接头上表面7 mm位置(图1水平方向箭头所示)元素分布[5],涵盖母材、热影响区、熔合线及焊缝，主要测定元素为Cu、Ni、Nb、V．

图1 焊接接头宏观照片Fig.1 Macroscopic photo of welded joint

1.6 热影响区区域特征及分析方法

金相显微镜观察表明焊接接头热影响区组织在不同区域存在差异．图1虚线方框内为表层焊缝热影响区,局部放大图如图2(a)．图1实线方框内为层间焊缝热影响区,局部放大图如图2(b)．图2中虚线为焊接接头熔合线,实线为热影响区各区域分界线．

图2 焊接接头热影响区局部放大图Fig.2 Local enlargement of HAZ of welded joints

图2(a)中各区域为:① 焊缝区、② 热影响区粗晶区、③ 热影响区细晶区、④ 过渡区、⑤ 母材．在厚板的多层多道焊接过程中,后道焊缝对前道焊缝有后热作用,使得层间焊缝热影响区粗晶区细化至消失[6],如图2(b),其中① 焊缝区、② 热影响区细晶区、③ 母材．

热影响区组织分析位置为距离上表面7 mm位置,分别取焊缝左侧的热影响区,简称“左”位置;焊缝右侧的热影响区,简称“右”位置．

2 结果与分析

2.1 热影响区低温冲击韧性

针对不同的焊接热输入,两种钢板焊接接头热影响区的冲击吸收功Ak(冲击温度-40℃)如图3,图中虚线对应的47 J为冲击韧性的标准值．

图3 焊接接头热影响区冲击功Fig.3 Impact energy in HAZ of welded joints

可见,焊接热输入相同时,B类板焊接接头热影响区低温冲击韧性普遍比A类板的好;对于同一成分母材,随着焊接热输入的增加,热影响区低温冲击韧性有下降趋势．

焊接接头的性能主要取决于组织,包括组织的类型、占比和晶粒度,而组织主要受母材成分和焊接工艺影响．文中主要研究母材合金元素及焊接工艺对焊接接头热影响区组织的影响．

2.2 母材合金元素及焊接工艺对接头热影响区细晶区组织的影响

图4为板厚50 mm焊接接头热影响区细晶区显微组织,主要由铁素体和珠光体组成．

图4 焊接接头热影响区细晶区显微组织Fig.4 Microstructure of fine grain zonein HAZ of welded joint

图5为板厚50 mm两种成分板不同焊接热输入(30 kJ/cm，24 kJ/cm)时接头热影响区细晶区珠光体占比．焊接热输入相同时,B类板接头的珠光体含量略高;同一成分母材的接头,在较大焊接热输入时,珠光体含量略高;在接头左右侧热影响区,呈相似变化规律．

图6为合金元素对C元素在γ-Fe中扩散系数的影响[7],随着Ni元素含量的增加,C元素的扩散系数增大．B类板母材中Ni元素的含量高,同时由于焊缝区温度高,促进了焊接接头热影响区C元素向熔合线方向扩散．

图5 焊接接头热影响区细晶区珠光体占比Fig.5 Pearlite proportion in fine grain zonein HAZ of welded joints

图6 合金元素对C元素在γ-Fe中扩散系数的影响Fig.6 Effect of alloy elements on diffusioncoefficient of C element in γ-Fe

在大热输入焊接时,接头高温停留时间长,有利于C元素的扩散,使热影响区细晶区形成Fe3C几率大,因此较大焊接热输入时热影响区细晶区的珠光体含量较高．

图7为板厚50 mm两种成分板不同焊接热输入(30 kJ/cm，24 kJ/cm)时接头热影响区细晶区铁素体晶粒尺寸．焊接热输入相同时,B类板焊接接头细晶区的铁素体晶粒更细;同一成分母材的接头,焊接热输入较大时,铁素体晶粒略有长大;在接头左右侧热影响区,呈相似变化规律．

图7 焊接接头热影响区细晶区铁素体晶粒尺寸Fig.7 Ferrite grain size in fine grain zonein HAZ of welded joints

利用EPMA测定焊接接头热影响区的元素分布,位置如图1箭头所示．图8和图9分别为A、B两类板焊接接头热影响区元素分布．图中,横坐标代表的位置从左到右依次为母材、热影响区、熔合线、焊缝,虚线为熔合线位置,文中主要分析焊接接头热影响区(即虚线左侧)元素含量的变化．

图8 A类板焊接接头热影响区合金元素分布Fig.8 Distribution of elements in HAZof welded joints of plate A

图9 B类板焊接接头热影响区合金元素分布Fig.9 Distribution of elements in HAZof welded joints of plate B

Nb、V元素为强碳化物形成元素,且高温下不易分解,以NbC、VC的形式迁移过程中会起到细化晶粒作用[8]．对于A类板焊接接头,Nb、V的含量从母材、热影响区到熔合线的分布如图8(b),在熔合线附近由于受熔池的影响使Nb、V在熔合线附近有所下降．B类板母材中Nb、V元素的含量略低,在熔合线附近Nb、V元素的含量有明显下降(如图9(b)实线方框内)．对于B类板焊接接头,Cu、Ni元素的含量在热影响区均有明显下降(实线方框内),如图9(a),表明焊接过程中焊接接头熔合线处Cu、Ni元素发生了明显的迁移．A类板焊接接头熔合线附近未发生明显Cu、Ni元素迁移现象,如图8(a)．在焊接过程中,B类板焊接接头热影响区Cu、Ni、Nb、V元素易从热影响区向熔合线迁移,细化晶粒作用更强．因此,B类板焊接接头热影响区细晶区铁素体的晶粒比A类板更细,冲击韧性更好．

在大热输入焊接时,焊接接头高温停留时间长,铁素体晶粒易于长大,导致冲击韧性下降．

2.3 母材合金元素及焊接工艺对接头热影响区粗晶区组织的影响

图10为板厚50 mm两种成分板焊接接头热影响区粗晶区显微组织，从图中可以看出,A、B两类板焊接接头热影响区粗晶区主要是由针状铁素体和少量粒状贝氏体构成．针状铁素体分布无明显位向关系,组织均匀细小．在断裂过程中,裂纹的扩展必然会受到不规则排列的针状铁素体的阻碍,从而提高韧性．相比于A类板,B类板中粒状贝氏体含量较多,且分布较广、较均匀．少量均匀分布的低碳粒状贝氏体能有效地提高韧性．

在低碳粒状贝氏体中,M-A岛组织以不连续的方式弥散分布在板条铁素体基体中,且这些岛与岛之间有一定的间隔,岛与岛之间夹着良好韧性的板条铁素体,这些弥散分布的M-A岛可以减缓裂纹扩展时的应力集中,降低裂纹的扩展速度[9]．从而提升B类板的低温冲击韧性．

图10 不同成分板焊接接头热影响区粗晶区显微组织Fig.10 Microstructure of coarse grain zone in HAZof welded joints with different components

B类板中含Ni量较高,A1线下移,使过冷奥氏体等温转变曲线(C曲线)右移[10],在一定的冷却速度下,增大形成粒状贝氏体的几率,因此B类板焊接接头热影响区粗晶区中粒状贝氏体含量多．同时,珠光体转变温度降低,使珠光体片层细化,韧性较好．Ni含量较高,也可以提高奥氏体稳定性,防止奥氏体晶粒的长大,有利于得到细小的针状铁素体．

图11为不同焊接热输入接头热影响区粗晶区显微组织，焊接热输入较大时,晶粒易于长大,导致冲击韧性下降．

图11 不同焊接热输入接接头热影响区粗晶区显微组织Fig.11 Microstructure of coarse grain zone in HAZof welded joints with different heat inputs

3 结论

(1) Ni、Cu元素含量较高的正火钢Q370qE焊接过程中,焊接接头热影响区的Cu、Ni、Nb、V元素易从母材侧向熔合线侧迁移,细化了细晶区铁素体晶粒,具有较高的低温冲击韧性．

(2) 正火钢Q370qE含Ni元素较高时,C曲线右移,促进焊接接头热影响区粗晶区生成低碳粒状贝氏体,当低碳粒状贝氏体细小、均匀时,具有较高的低温冲击韧性．