Q890高强钢焊接接头&裂纹及显微组织分析
要：本文对Q890低碳调质高强钢进行铁研试验，分析焊接热输入和焊接材料对Q890高强钢焊接接头裂纹及显微组织的影响；采用金相显微镜对接头显微组织、裂纹形态进行研究。试验结果表明：采用MK·GHS80和MK·GHS90焊丝，焊接热输入控制在12~19kJ/cm时，焊接接头根部裂纹率均＜20%，且采用MK·GHS90焊丝，接头平均根部裂纹率远小于采用MK·GHS80焊丝；接头裂纹起源于焊道根部熔合区处，沿熔合区扩展，当主裂纹所承受的应力较小而扩展所需的塑形变形功较大时，扩展阻力增大，裂纹停止扩展，接
近年来随着工程机械、煤矿机械、建筑钢结构产业的迅猛发展，对钢材的强度和使用可靠性提出了迫切需求[1-3]。Q890钢是屈服强度为890MPa
级低合金高强钢，具有强度高、塑韧性较好，而且在很多复杂形变的条件下组织相对稳定，对焊接接头的性能具有良好的保证[4]。但由于Q890
钢碳当量较高，焊接裂纹和缺口敏感性较强，因此焊接易出现断裂和疲劳强度低等缺点，因此应采用合理的焊接材料、严格控制焊接工艺参数防止焊接缺陷的产生，从而保证接头的性能要求[5-6]。
& 本文采用斜Y坡口铁研试验，分析了在不同焊接热输入条件下，MK·GHS80和MK·GHS90
两种强度级别的焊丝对焊接接头裂纹及显微组织的影响，并对焊接接头裂纹萌生，扩展及形态进行研究。通过金相显微镜对Q890焊接接头显微组织，裂纹形态进行研究，试验结果为合理选择焊接工艺参数、控制裂纹产生及有效防止提供理论依据和试验基础。
1 & &试验材料与方法
铁研试验所用母材为调质态Q890高强钢，所用焊丝为MK·GHS80和MK·GHS90。通过进行斜Y型坡口铁研试验，研究Q8900高强钢焊接与MK·GHS80和MK·GHS90焊丝的匹配性，分析焊接热输入对焊接接头显微组织及铁研试样裂纹率的影响，同时对焊接接头裂纹形态和萌生扩展机制进行分析。
& 焊接设备为日本松下生产Panasonic KH&#
型气体保护焊焊机，所用保护型气体为80%Ar
+20%CO2，气体流量为15L/min。试验分组为四组，分别采用MK·GHS80和MK·GHS90焊丝在不预热和预热100~150℃下进行焊接，环境温度为23~27℃，电弧电压为30V，焊接电流为295~
315A，焊接速度为0.41~0.89cm/s。各组焊接工艺参数详见附表。
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TITLE="Q890高强钢焊接接头&裂纹及显微组织分析" />
焊接用焊丝直径为1.2mm。试板焊后在室温下冷却24h以上，进行表面裂纹率和根部裂纹率的测定和统计。对所有对接裂纹试板进行表面裂纹观察，根据热输入大小选取部分焊接试板进行线切割，每个试验焊道截取5段。经磨制,
抛光制备出金相试样。采用5%硝酸酒精溶液腐蚀试样45s。在XJP-6A金相显微镜下观察接头显微组织和裂纹形态。
2 & &试验结果及分析
2.1 & &接头裂纹率
高强钢焊接时，由于材料的淬硬性较大，极易产生焊接冷裂纹，影响焊接件的使用性能。冷裂纹的影响因素有淬硬倾向、氢含量和拘束度三个。在铁研试验中，采用的焊接方法均为Ar+CO2混合气体保护焊，焊丝为实心焊丝，因此接头的冷裂纹敏感性主要取决于接头区的淬硬倾向及局部的应力应变。淬硬性倾向主要受合金成分和焊接工艺参数的影响。
试板被焊24h后统计裂纹率。由于铁研试验的拘束刚性大于实际焊接结构的拘束，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，用于实际生产中的焊接是安全的。
A1和A2两组试板在不预热的条件下进行焊接，经统计其焊缝表面裂纹率均大于20%。A3和A4两组试板在焊前预热100~150&#8451;的条件下进行焊接，其焊缝均无表面裂纹。在不预热的条件下焊接Q890低碳调质高强钢时，由于焊接前后温差过大，其冷却速度远远大于焊前预热的试板，淬硬性大，冷裂纹倾向大。而在焊前预热100~150&#8451;的条件下进行焊接，可以延迟冷却,
降低冷却速度，有效细化焊缝晶粒。
对A3和A4两组焊接试板横剖后在其根部发现裂纹，计算两组试板焊接接头的根部裂纹率。图1为不同焊丝，焊接热输入与根部裂纹率的关系。从图1中可以看出采用MK·GHS90焊丝时焊接接头根部裂纹率均＜20%，且其平均根部裂纹率远小于采用MK·GHS80焊丝进行焊接，而采用MK·GHS80焊丝时，当焊接热输入在12~
19kJ/cm附近时，其接头根部裂纹率＜20%。对两种强度级别焊丝焊缝金属显微组织的观察结果表明，焊缝组织特征主要是大量针状铁素体、贝氏体和板条状马氏体。先共析铁素体沿着奥氏体晶界呈网状分布，使得抗裂纹扩展性减弱。由于采用MK·GHS80焊丝和MK·GHS90焊丝焊缝中合金元素Mo、Ni和Cu含量较多，提高了奥氏体的稳定性，先共析铁素体已不再析出，大量针状铁素体析出提高了焊接接头的韧性[7-8]。
从图1中可以看出当焊接热输入过大时，焊缝的裂纹率较高。这是因为焊接热输入过大，一方面焊接内应力叠加量增大，另一方面会使焊缝中形成粗大的铁素体组织，甚至出现魏氏组织，韧性下降，抗裂纹扩展能力差。提高热输入还有可能形成上贝氏体组织。上贝氏体中碳化物粗大，晶界处可能出现塞积位错过多，应力集中而引起开裂，使得强化作用减弱。尤其是当碳化物沿着铁素体条平行分布时，微裂纹很容易沿着此方向扩展，韧性较差。但是焊接热输入也不应过小，否则温度梯度大，冷却速度快，焊缝处淬硬性大，冷裂纹倾向增大。合理的作法是充分保证焊接接头韧性的前提下适当加大热输入。
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2.2 & &显微组织分析
& 采用MK·GHS90焊丝，焊前预热100~150&#8451;,
在焊接热输入为16.60kJ/cm的条件下， Q890低碳调质高强钢焊接接头不同位置的显微组织如图2所示。
<img ALT="" src="/blog7style/images/common/sg_trans.gif" real_src ="http://www.weldinfo.net/file/upload//16-24-09-20-1.jpg" WIDTH="314" HEIGHT="265"
TITLE="Q890高强钢焊接接头&裂纹及显微组织分析" />
图2a所示为Q890钢焊缝的显微组织，从图中可以看出其微观组织为针状铁素体、贝氏体和少量的板条状马氏体。焊缝中合金元素Mo、Ni和Cu含量较多，提高了奥氏体的稳定性，先共析铁素体已不再析出。焊缝柱状晶晶内相互穿插分布针状铁素体和贝氏体。针状铁素体晶粒细小，晶粒边界夹角较大。一定体积内晶粒数目较多，同样变形量的条件下，变形可分散在更多的晶粒内进行，变形均匀且每个晶粒中塞积的位错少，因应力集中而引起的开裂机会少。裂纹不易萌生，也不易传播。焊缝金属中除发生中温组织转变外,
还发生低温组织转变，生成少量板条状马氏体组织，板条之间角度很小，板条内部位错密度很高。因而使得焊接接头处强度、韧性有所提高。
图2b所示为Q890钢焊接接头熔合区的显微组织。从图中可以看出熔合线两边显微组织的特征是焊缝区以针状铁素体为主，热影响区以板条状低碳马氏体为主。熔合区具有一定的宽度范围，由于焊缝与热影响区部位具有不同的熔化结晶和相变条件，且合金元素含量和组织性能上存在较大的不均匀性，造成熔合区晶格的各种微观缺陷，使得熔合区成为焊接接头最薄弱的部位，对焊接接头强度、韧性有很大影响。
从图2b中可以看出过渡区域出现明显的熔合线，主要组织为马氏体、下贝氏体和针状铁素体。熔合区附近靠近焊缝一侧，针状珠光体在柱状晶内析出。非均质形核依附于熔合区附近加热到半熔化母材晶粒表面呈柱状晶形式向熔池生长，因此焊缝金属在垂直于熔合界面的散热方向上表现出明显的联生结晶特征。而熔合区附近靠近母材一侧为粗大板条状马氏体和下贝氏体的混合组织。
图2c所示为Q890钢焊接接头热影响区粗晶区的显微组织。从图中可以看出粗晶区显微组织特征是马氏体和贝氏体。由于Q890钢含有较多的Ni、Cr、Mo等合金元素，使得奥氏体稳定性增强，具有较大的淬硬倾向，焊后冷却得到淬火组织，即粗大的板条状低碳马氏体组织，马氏体形貌呈细长条状，多个板条平行排列，同方向生长形成板条束。不同板条束之间有较大倾角。板条马氏体内部有高密度的位错，韧性较好。该处奥氏体均匀性较差，当冷却速度较慢时，有部分奥氏体转变形成贝氏体。因此形成低碳马氏体和贝氏体的混合组织。
图2d所示为Q890钢焊接接头热影响区细晶区的显微组织。从图中可以看出细晶区显微组织特征是铁素体和贝氏体。细晶区贝氏体为细小的板条状，铁素体为块状。这是由于该处母材被加热到Ac1~Ac3温度区间内，原母材中的珠光体、马氏体转变为奥氏体。在随后冷却时奥氏体中温转变为贝氏体，原铁素体保持不变并有不同程度的长大。图3所示为Q890钢焊接接头热影响区回火软化区的显微组织。
从图3中可以看出回火区的显微组织特征是铁素体和粒状贝氏体。铁素体组织较为粗大呈块状，粒状贝氏体组织沿着铁素体晶界分布并向晶内生长。这是由于该处加热温度接近Ac1温度，相当于瞬时高温回火。调质态Q890钢母材中的低碳马氏体发生脱熔转变，铁素体基体回复与再结晶，形成位错密度低的铁素体等轴晶,
并有一定程度的长大。回火区相对于母材而言,
组织性能发生变化，出现软化现象，强度硬度降低。回火软化区也是焊接接头薄弱的地带。
<img ALT="" src="/blog7style/images/common/sg_trans.gif" real_src ="http://www.weldinfo.net/file/upload//16-24-28-82-1.jpg" WIDTH="314" HEIGHT="252"
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2.3 & &接头裂纹形态分析
观察铁研试验焊接接头裂纹发现，接头断面裂纹起源于焊道根部熔合区附近，并沿熔合区扩展。这是由该区域的组织、氢含量以及应力集中共同作用造成的。斜y型坡口对接接头双面坡口侧的根部所受的拉应力最大，发生的拉应变最大，因此裂纹最易在此处萌发。图4所示裂纹具有明显的穿晶断裂特征，属于冷裂延迟裂纹，沿熔合区扩展且扩展线路曲折。
焊接熔合区突出的特征是具有明显的物理和化学不均匀性，导致该区域组织结构发生突变。熔合区化学成分和组织结构的变化导致熔合区晶格中存在微观缺陷（如空穴、位错等）,
熔合区极可能成为焊接接头最薄弱的部位。同时，焊接接头焊缝根部熔合区处，所承受的垂直于焊缝方向的应力和发生的局部应变最大，这种应力-应变状态促进了裂纹的启裂与扩展，为冷裂延迟裂纹的起源提供了应力条件。
显微组织分析表明熔合区存在微观组织的突变。焊缝组织以针状铁素体为主，而热影响区粗晶区以粗大板条状马氏体和贝氏体为主，熔合区为以上几种组织的熔合交叉区域，这种组织的突变性必然对该区域裂纹敏感性产生重要的影响。
当焊缝组织由奥氏体转变为针状铁素体和贝氏体等组织时，氢的溶解度急剧下降，溶解于奥氏体中的氢会很快扩散或逸出。而由于氢在铁素体中的扩散速度极快，因此氢会很快向未转变的热影响区中的奥氏体扩散。由于热影响区的相变温度低于焊缝的相变温度，氢在热影响区奥氏体中扩散速度慢，使得大量的氢没有来得及扩散到距离熔合区较远的母材中去，在熔合区附近形成了富氢地带，增加了熔合区的氢致裂纹敏感性。
微裂纹在根部熔合区启裂后，沿熔合区纵向扩展。这是由于熔合区受到的拉伸应力为垂直于熔合线的方向，张开型裂纹扩展的方向一般垂直于拉伸应力的方向[9]。由裂纹的形态可以看出其扩展方式以撕裂为主要形式，在向前扩展中不断改变扩展方向发生裂纹转折。
&由于Q890高强钢焊接接头熔合区组织复杂, 存在奥氏体晶界和铁素体、贝氏体或马氏体相界,
同时还可能存在微观缺陷，使得主裂纹应力作用于裂纹尖端下产生不均匀的滑移变形，可能萌发不同方向的裂纹，并同时向前扩展。裂纹宽度随着扩展距离的增加逐渐变窄，大部分裂纹当扩展一段距离之后会出现自动停止扩展的现象。
由裂纹扩展能量理论可知，裂纹扩展所需要的能量主要包括提供塑性变形的塑性功和破坏原子键的表面能，而前者远远大于后者，即裂纹扩展所释放的能量主要消耗于裂纹尖端的塑性变形功。由于铁研试验焊接接头焊缝中的应力分布不均匀，当主裂纹承受的应力小于裂纹扩展所需要的塑形变形功时，裂纹扩展的阻力较大，裂纹就会停止扩展。
&采用Ar+CO2混合气体保护焊工艺，控制焊接热输入12~19kJ/cm，分别用MK·GHS80和MK
·GHS90焊丝进行焊接，不预热的条件下其焊缝表面裂纹率均＞20%，预热的条件下
Q890高强钢焊接接头根部裂纹率均＜20%，选取MK·GHS90焊丝进行焊接其平均根部裂纹率远小于选取MK·GHS80焊丝进行焊接。
&Q890高强钢焊接接头焊缝组织主要是大量针状铁素体、贝氏体和少量的马氏体。焊接热影响区粗晶区显微组织主要是粗大的板条状马氏体和贝氏体，细晶区显微组织主要是铁素体和板条状的下贝氏体，回火软化区显微组织主要是铁素体和粒状贝氏体。
&Q890高强钢铁研试验焊接接头断面裂纹起源于焊道根部熔合区处，属于冷裂延迟裂纹，具有明显的穿晶断裂特征，沿熔合区扩展，其扩展线路曲折，当主裂纹所承受的应力较小，而裂纹扩展所需要的塑形变形功较大时，裂纹扩展阻力增大，会出现自动停止的现象。
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硕士学位论文
热处理对D406A 钢焊接接头微观组织和力学
性能的影响
EFFECTS OF HEAT TREATMENT ON MISCROST-
RUCTURE AND MECHANICAL PROPERTY OF
D406A STEEL WELDED JOINT
哈尔滨工业大学
2012 年7 月
国内图书分类号：TG146.2+3
学校代码：10213
国际图书分类号：669.295
密级：公开
工学硕士学位论文
热处理对D406A 钢焊接接头微观组织和力学
性能的影响
硕士 研究生：祁成雷
师：孙东立 教授
申 请 学 位：工学硕士
科：材料学
所 在 单 位：材料科学与工程学院
答 辩 日 期：2012 年7 月
授予学位单位：哈尔滨工业大学
Classified Index:TG146.2+3
U.D.C. :669.295
Dissertation for the Master Degree in Engineering
EFFECTS OF HEAT TREATMENT ON MISCROST-
RUCTURE AND MECHANICAL PROPERTY OF
D406A STEEL WELDED JOINT
Candidate ：
Qi Cheng lei
Supervisor ：
Prof. Sun Dongli
Academic Degree Applied for：
Master of Engineering
Specialty ：
Materials Science
School of Materials Science
Affiliation ：
and Engineering
Date of Defence ：
Degree-Conferring-Institution ： Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
正在加载中，请稍后...用低合金钢焊条焊接高强钢时冷裂缝的消除方法--《焊接》1983年10期
用低合金钢焊条焊接高强钢时冷裂缝的消除方法
【摘要】：正 用低合金钢焊条焊接高强钢时,为得到高质量的焊接接头,推荐采用能保证熔敷金属中含氢量为1.5厘米~2/100克的焊条。在一般的情况下,氢扩散到能引起冷裂纹的热影响区中。众所周知,氢在焊接接头中的扩散深度:勾1.2～1.5毫米。因此,在高强钢上预先熔敷一层厚度大于1.5毫米的无冷裂纹倾向的低碳
【关键词】：
【正文快照】：
用低合金钢焊条焊接高强钢时,为得到高质量的焊接接头,推荐采用能保证熔敷金属中含氢量为1.5厘米2/100克的焊条。在一般的情况下,氢扩散到能引起冷裂纹的热影响区中。 众所周知,氢在焊接接头中的扩散深度为1.2、1.5毫米。因此,在高强钢上预先熔敷一层厚度大于1.5毫米的无冷裂
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