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现代焊接Modern Welding 现代焊接年第 期 总第 5期 作者简介张蕾（1986-），女，硕士，主要从事高强钢焊 接的研究。基金项目山东省自然科学基金（YF5 ）。 ［摘要］ ［关键词］ 本文对Q690高强钢进行斜Y型坡口铁研试验，采用金相显微镜对焊接接头焊缝的显微组织进行研究，分 析焊接热输入和不同焊丝对Q 690钢焊接接头显微组织及裂纹的影响。试验结果表明在铁研试验的拘束下，采用 ER50- 6、MKG60和MKGHS70焊丝，焊接热输入控制在11～20kJ/ cm范围内，焊接接头裂纹率均小于20。焊缝 中，Ni、Mo、Cu合金元素的加入使得焊缝组织由先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体和贝氏体转变为针状铁 素体和贝氏体。MKG60焊丝接头的综合力学性能优于ER50- 6焊丝接头。 Q690高强钢；焊丝；焊接热输入；显微组织；力学性能 液压支架用Q690高强钢的 焊丝匹配性研究 山东大学材料科学与工程学院 郑州煤矿机械集团股份有限公司 Study on welding wire matching of Q690 high-intensity steel used in hydraulic support 张蕾李亚江蒋庆磊 徐宗林付金良 前言 迅猛发展的，对采煤机 械的性能如高强度液压支架的使用可 靠性提出了更高要求 。液压支架是以 高压液体为动力，由若干液压元件与 一些金属构件组合而成的一种支撑和 控制顶板的采煤工作面设备，具有强 度高、移动速度快、支护性能好、安 全可靠等特性。近年来，我国液压支 架制造技术水平发展迅速，但在支架 材料、加工工艺、性能和使用寿命等 方面与世界水平相比仍然有较大差距。 随着液压支架向大工作阻力和高可靠 性要求的发展，如何在保证强度的前 提下，减轻支架重量是迫切需要解决 的问题，采用高强钢是最有效的途径。 因此，有必要对高强钢材料的焊接性 进行试验研究，优化焊接工艺，提高 焊接接头的综合机械性能与承载能力, 以满足高可靠性支架设计需要 。 [1] [2] 煤矿产业 Q690高强钢是国内采煤机械液压 支架用钢，碳当量较高，应采用合理 的焊接工艺参数来防止焊接缺陷的产 生，以保证接头的性能。在焊接结构 件中，普遍存在而危害很大的缺陷之 一是焊接冷裂纹的出现，大多数的冷 裂纹是由淬硬组织、氢的扩散和接头 的拘束应力三要素共同作用的结果。 对于本试验而言，在铁研试板拘束和 低氢型焊接方法焊接条件下，焊接接 头的显微组织对裂纹的影响占主导地 位 。因此，选择合理的焊接方法和合 适的焊接材料，控制好焊接工艺参数, 加强焊接过程控制，从而获得组织性 能良好的焊接接头，可使液压结构件 满足使用要求。 本文结合斜Y型坡口铁研试验， 对不同焊丝匹配的Q690高强钢焊接接 头组织和力学性能进行了研究，分析 在不同热输入条件下，不同强度级别 的焊丝ER50-6、MK G 60及MK G HS70 对焊缝显微组织及裂纹率的影响，为 [3] 焊接工艺参数及焊丝的选择提供试验 数据和理论依据。 试验母材为Q690高强钢，母材的 化学成分和力学性能见表1。通过斜Y 型坡口铁研试验，研究ER50- 6、MK G60、MKGHS70焊丝与Q690高强 钢匹配性问题，分析焊接热输入对焊 接接头显微组织的影响，并研究低强 匹配时焊接接头的力学性能。 Q690钢对接采用斜Y坡口形式， 试验试板尺寸为200mm75mm20mm, 焊后试板尺寸为200mm150mm20mm, 坡口角为60。试验焊接设备为NBC -500型气体保护焊机，保护气体为80 Ar20CO，气体流量为1820L/min。 焊接在车间进行，焊前不预热，环境 温度2325℃，焊接电压2429V，焊接 电流260300A，焊接速度0.50.9cm/s, 试板焊后不进行热处理。试验用焊丝 的化学成分及力学性能见表 ，焊丝直 1试验材料与方法 2 201018J-21 20 074 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 现代焊接Modern Welding 年第 期 总第 5期现代焊接 径为1.2mm。利用线切割截取试板并磨 制抛光制备出金相试样，采用5硝酸 酒精溶液腐蚀后，在Nikon AFX-A型金 相显微镜下观察焊缝显微组织。 对ER50-6、MKG60焊丝接头进 行力学性能试验，试板尺寸为300mm 148mm20mm，接头形式为V型坡 口平板对接，单边坡口角为35。按 国家标准GB/T2651-2008制备焊接接头 板状拉伸试样，试验设备为WAW-600 型万能拉伸试验机。按国家标准GB/T 2650- 2008制备焊接接头冲击试样，试 样缺口位置为焊缝，开V型坡口。利用 300J金属材料冲击试验机进行冲击试 验，试验温度为0℃。 铁研试板焊接48h后统计裂纹率, 所有焊接试板的焊缝均无表面裂纹。 焊接试板横剖后在焊缝根部发现裂纹, 2试验结果及分析 2.1接头裂纹率 按原国标GB4675.1规定的方法计算各 焊接试板的断面裂纹率。由于铁研试 验的拘束刚性大于实际焊接结构，且 焊缝根部应力集中较大，所以一般认 为，铁研试验的裂纹率小于20时， 用于实际焊接生产是安全的。 在铁研试板拘束条件下，不同的 焊丝和焊接热输入对接头裂纹率产生 影响。焊接热输入的确定以焊接接头 抗裂性和热影响区的韧性要求为依据。 从防止冷裂纹出发，要求冷却速度慢 为佳，但对防止脆化来说，却要求冷 却快较好，因此应兼顾两者的冷却速 度范围，本试验采用的热输入范围为 1120kJ/cm。 图1所示为不同焊丝、焊接热输入 与裂纹率的关系。从图1（a）中看出, 在大（1820kJ/cm）、中（1417kJ/ cm）、小（1112kJ/cm）三种焊接热 输入条件下，Q690高强钢采用ER50- 6、MKG60、MKGHS70焊丝焊接 时接头裂纹率较低，且均小于20。 图1（b）为采用三种焊丝时焊接热输 入与接头断面裂纹率的关系。从图1 （b）中可以看出，当采用ER50- 6和 MKG60焊丝时，随着焊接热输入 增大到1820kJ/cm，接头裂纹率也随 之增大，在中等热输入条件下，裂纹 率均较小；而当采用MKGHS70焊 丝时，随着焊接热输入的变化，接头 裂纹率波动不大，且均明显小于其他 两种焊丝的接头裂纹率。这是由合金 元素对焊缝显微组织的影响造成的。 焊丝中合金元素Ni、Mo、Cu含量 的增加，提高了针状铁素体含量，减 少和细化了先共析铁素体，有利于提 高焊缝韧性和抗裂性，从而减小接头 裂纹率。对于ER50-6和MKG60焊丝, 焊接过程中应严格控制焊接热输入， 热输入过大，焊缝中形成粗大的铁素 体组织，甚至出现魏氏体组织，冲击 韧性下降，抵抗裂纹扩展能力差。加 大热输入还有可能形成上贝氏体，上 贝氏体中碳化物粗大，强化作用较弱, 当碳化物沿平行的铁素体条分布，微 裂纹很容易沿此方向扩展，韧性较差。 同时焊接热输入也不应过小，否则冷 却速度大，焊接接头组织易淬硬，增 大了冷裂倾向。合理的做法是充分保 证焊接接头韧性的前提下，适当提高 焊接热输入。 焊接接头焊缝区的显微组织对接 头性能和冷裂倾向具有重要影响。不 同热输入和合金含量造成了焊缝组织 的差别。先共析铁素体、侧板条铁素 体组织抗裂纹扩展能力差，应尽量减 少其含量；针状铁素体是在奥氏体向 铁素体转变过程中，以夹杂物为中心, 2.2显微组织 母材 Q690 化学成分（质量分数，） C 0.089 Si 0.237 Mn 1.47 Ni 0.258 Cr 0.426 Mo 0.323 P 0.021 S 0.009 力学性能 R /MPa 690 e L R /MPa 835 m A ≥14 A /J（－20℃） ≥40 KV 表1Q690高强钢的化学成分及力学性能 表2试验用焊丝的化学成分及力学性能 焊丝 化学成分（质量分数，） C 0.07 0.078 0.095 Si 0.91 0.62 0.54 Mn 1.48 1.68 1.64 Mo 0.34 0.38 Ni 0.62 Cu 0.14 0.16 P 0.011 0.012 0.012 S 0.011 0.012 0.011 力学性能 R /MPa 459 575 680 e L R /MPa 561 635 765 m A（） 24 25 19 A /J 84（-29℃） 90（-20℃） 180（-20℃） K V ER50-6 MKG60 MKGHS70 J-20101822 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 现代焊接Modern Welding 现代焊接年第 期 总第 5期3 形核长大的。针状铁素体的微观形态 与焊缝金属组成，奥氏体大小及夹杂 物密度密切相关。针状铁素体晶粒较 细小，有效晶粒尺寸小；且其晶界为 大角度晶界，片间夹角较大，相互穿 插生长对裂纹扩展具有阻碍作用，可 使焊接接头强度和韧性提高。图2为Q 690钢母材显微组织和ER50-6、MK G60、MKGHS70三种焊丝焊接接头 的焊缝显微组织。 图2（a）为Q690高强钢母材的显 微组织，主要由贝氏体、回火索氏体 和块状铁素体组成。图2（a）中黑色 为索氏体组织，是铁素体与渗碳体的 机械混合物，但比珠光体组织细，具 有良好的综合机械性能。 图2（b）为采用低强度ER50-6焊 丝，在热输入为14.5kJ/cm条件下，Q690 高强钢焊接接头焊缝区的显微组织， 主要由先共析铁素体、侧板条铁素体、 针状铁素体、珠光体和贝氏体组成。 先共析铁素体沿奥氏体晶界呈块状生 长，侧板条铁素体以板条状从晶界向 晶内成长，晶内分布为针状铁素体及 少量的贝氏体、珠光体。大量的先共 析铁素体和侧板条铁素体，使得焊接 接头塑韧性降低，抗裂性变差。 图2（c）为采用低强度MKG60 焊丝，在热输入为16.6kJ/cm条件下， Q690高强钢焊接接头焊缝区的显微组 织。与图2（b）相比，先共析铁素体 含量减少，呈细条状分布在奥氏体晶 界，侧板条铁素体含量也明显减少， 针状铁素体组织更加细小，分布较均 匀。这是由于焊缝金属中Mo、Cu元素 的加入，影响了相变过程，从而改变 了焊缝中各组织含量。Cu是扩大γ相 区的元素，其作用是使奥氏体分解反 应移向较低温度，增加过冷奥氏体的 稳定性，降低Ms点。焊缝金属中随着 Cu含量的增加，针状铁素体含量增加, 先共析铁素体和侧板条铁素体减少 。 [4,5] Mo的主要作用是推迟先共析铁素体转 变而有利于形成贝氏体结构。当其含 量为00.35时，会在焊缝中生成稳 定的均匀的细针状铁素体组织，此时 冲击韧性也较高。Mo的加入有助于针 状铁素体的形成，它不仅影响相变动 力，而且会改变针状铁素体的形态 。 此外，Mo含量在0.30.5时，对焊 缝韧性有较好的作用，还可以减少微 观缺陷，如相间析出物、微裂纹等 。 因此，一定含量的Mo元素使得焊缝可 以获得良好的强韧性。 图2 （ d ）为采用等强度MKGHS70 焊丝，在热输入为16.8kJ/cm条件下， Q690高强钢焊接接头焊缝区的显微组 织。与图2（b）、2（c）相比，在放 大400倍数下观察的显微组织中，没有 观察到先共析铁素体和侧板条铁素体, 主要为细小均匀分布的针状铁素体和 少量的贝氏体。这是由于焊缝金属中 Ni、Mo、Cu等元素共同作用的结果。 W. W. Bose- Filho 等通过试验证明， Ni、Mo、Cr元素的加入使得焊缝组织 由先共析铁素体、侧板条铁素体、魏 氏体铁素体和针状铁素体的混合组织 转变为针状铁素体、贝氏体和少量低 碳马氏体的混合组织。同时，Ni元素 的增加能显著提高焊缝的韧性，一方 面它能稳定奥氏体，避免形成韧性较 差的板条马氏体；另一方面是它对形 成铁素体形态的影响。因此，Q690高 强钢采用等强焊丝匹配获得的焊缝组 织，可使焊接接头获得良好的塑韧性 和抗裂性，但在焊接过程中，也应严 格控制焊接工艺参数，以获得优异性 能的焊接结构件。 保证焊缝具有良好的强韧性也是 [6] [7,8] [9] 2.3力学性能 图Q6母材及不同焊丝焊缝的显微组织 50μm 50μm50μm 50μm （a）Q690母材的显微组织（b）ER50- 6焊丝焊缝组织 （c）MKG60焊丝焊缝组织（d）MKGHS70焊丝焊缝组织 201018J-2 290 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 现代焊接Modern Welding 年第 期 总第 5期现代焊接 选择焊丝必须考虑的重要方面。传统 观点认为等强或超强匹配对焊缝强度 更安全。但对于承受动载荷、重载荷 和恶劣工作条件下的Q690高强钢焊接 接头，除强度性能外，还要求较高的 韧性。此时，少许牺牲焊缝强度而使 韧性储备提高，对接头综合性能有利 。本试验主要针对低强匹配ER50-6、 MKG60焊丝接头进行力学性能研究。 图3为ER50-6、MKG60焊丝拉 伸试验结果，试样的断裂位置均为焊 缝处。从图3中可看出，两种焊接接头 的抗拉强度相差不大，但MKG60焊 丝接头的伸长率明显高于ER50- 6焊丝 接头，说明其塑性较好。图4为两种焊 丝焊缝区的冲击试验结果。从图4可知, MKG60焊丝接头焊缝区的冲击功高 于ER50-6焊丝接头焊缝区的冲击功， 表明韧性也较好，与拉伸试验结果相 一致。MKG60焊丝接头良好的塑韧 [7] 性与其显微组织密切相关。大量细小 且均匀分布的针状铁素体提高了焊接 接头的塑韧性和抗裂性。 3.1 利用ArCO 气体保护，在焊前不 预热条件下，当焊接热输入在1120 kJ/cm范围内，选用ER50-6、MKG60 和MKGHS70三种强度级别的焊丝时, Q690高强钢铁研试验试板的断面裂纹 率均小于20。为保证焊接接头的抗 裂性，应避免采用过大焊接热输入。 3.2 当采用ER50-6、MKG60焊丝时, 在中等热输入条件下，Q690高强钢焊 接接头的裂纹率最小，而对于MK GHS70焊丝而言，当热输入控制在11 20kJ/cm范围内，裂纹率值均较小且 波动不大。 3.3焊缝中Ni、Mo、Cu合金元素的加 入使得焊缝组织由先共析铁素体、侧 3结束语 2 板条铁素体、针状铁素体和贝氏体转 变为针状铁素体和贝氏体。 3.4 接头拉伸和焊缝冲击试验结果表 明，MKG60焊丝接头的综合力学性 能明显优于ER50-6焊丝接头。 [ 1]陈裕川. 低合金结构钢焊接技术[M]. 北京机械工 业出版社,2008 [ 2]孙长春. 液压支架的现状与发展思路[J].科技情报 开发与经济,2009, 196150～152 [ 3]张群. 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