１４ ．试验与研究． 文章编号：１００２—０２５Ｘ（２０１ ８）０２—００１４—０４ 焊接技术 第４７卷第２期２０１８年２月 焊接材料对１６Ｍｎ低合金钢焊接接头组织及 力学性能的影响 冯韶楠 ，张 洋 ， 廖富生 ．王 鑫 ｆ１．石家庄铁道大学中铁十九局集团矿业投资有限公司新巴 河北省交通工程材料重点实验室．河北 石家庄０５００４３：２．尔虎右旗分公司．内蒙古满洲里０２１４００） 摘要：在低温不预热条件下采用焊条电弧焊焊接１６Ｍｎ钢。研究了３种焊接材料对接头微观组织和力学性能的影响规律。结果表明， Ｊ５０６和Ｊ６０７焊条的焊缝组织都是由先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体和珠光体组成，而Ａ３０７焊条的焊缝组织是由奥氏体和 铁素体构成；Ｊ６０７焊缝的硬度最高，而Ｊ５０６焊缝的硬度最低；所有焊缝的抗拉强度都高于母材１６Ｍｎ钢的，断裂均位于母材处；Ａ３０７ 焊条焊缝室温下的冲击韧性与Ｊ５０６焊缝的相当．而低温冲击韧性是Ｊ５０６焊条焊缝的９倍。 关键词：焊接材料；１６Ｍｎ钢；微观组织；冲击韧性 中图分类号：ＴＧ４４２ 文献标志码：Ｂ 的低温冲击性能，可以通过改变焊接工艺、坡口形 ０ 引言 式和焊接工艺参数等方面着手… 肖东明等人［５］研究 随着我国露天矿藏的不断开发．电铲设备在其 中发挥着越来越重要的作用．电铲的主要工作构件斗 杆结构由１６Ｍｎ低合金高强钢焊接而成．其工作环境 恶劣．一年中有半年的时间需要在低温条件下（一４０～ 一了提高１６Ｍｎ钢焊缝低温韧性的工艺措施．结果表 明．在淬火的基础上进行深冷处理能有效提高焊缝 的低温冲击性能．认为深冷处理的温度回升过程 发生的组织结构转变是导致焊缝低温韧性提高的 原因 郭京 比较了１６Ｍｎ钢锻件不同热处理Ｔ艺的 差异．发现降温淬火调质能有效降低晶间析出物和 １０℃）作业．其焊接修复也需要在低温条件下进 行 低温下焊接很容易使焊接接头产生裂纹和较大 的残余应力．导致构件的低温脆性断裂．造成经济 损失和安全隐患Ｅ１］ 细化晶粒．使１６Ｍｎ钢低温冲击性能显著提高 潘春 兰等人＿７＿通过对比发现Ｑ３４５Ｒ钢相较于１６ＭｎＲ钢． 在相同焊接工艺条件下．其焊接接头有更好的低温 性能 特别指出合金元素的差异是改变组织形态和 接头韧性的主要原因 在此．采用３种不同的焊接材料在一１５℃条件 下．对１６Ｍｎ钢进行多层多道焊条电弧焊焊接试验 研究了焊接材料对１６Ｍｎ钢焊缝组织、显微硬度和拉 伸性能的影响．重点分析了焊接材料对焊接接头的 １６Ｍｎ钢的低温条件焊接．可以采用焊前预热、 焊后消除应力热处理等措施改善接头质量［２］ 但是电 铲斗杆结构长９ ｍ，宽３ ｍ．焊前预热和焊后热处理 等措施不容易实现．并且对于不严重的裂纹．焊修 过程需要在电铲设备现场完成．而且温度过低时． 如果焊前预热温度不够或焊后热处理不能达到要求 势必影响焊接质量 电铲斗杆在低温条件下工作．并承受一定的冲 室温及低温冲击性能的影响．为提高低温条件下电 铲斗杆的现场焊接修复可靠性提供试验研究和理论 分析基础 击载荷．破坏多以低温脆性断裂为主．因此对构件 的低温冲击性能有较高的要求［３］ 提高１６Ｍｎ钢焊缝 基金项目：学校科学技术研究项目 ＱＮ２０１５０３８ ；河北省高等学校科学技术研究项目（ ）； 河北省高校重点学科建设项目资助 １ 试验材料与方法 一 所选用的试验材料为正火处理的１６Ｍｎ钢．试样 Ｗｅｌ（１ｉｎｅ Ｔｅｔ，ｈｎｏ［ｏ￣Ｖｏ１．４７ Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２０ １ ８ ．试验与研究．１５ 寸为５００ ｍｍ￣３５０ ｍｉｎｘ３０ ｍｍ．１６Ｍｎ钢的金相组 织主要是由铁素体和珠光体组成。试验中采用的焊 条分别为Ｊ５０６，Ｊ６０７和Ａ３０７。焊接材料与母材的化 学成分及力学性能见表ｌ。 表１焊接材料及母材的化学成分及力学性能 焊材及 母材 Ｃ Ｍｎ Ｉ．６ 化学成分（质世分数）（％） Ｓｊ ０．７５ 力学性能 Ｓ Ｐ Ｒ ／ＭＰａ Ｚ（％） ≥４９０ ≥２２ （ａ）熔台 （Ｉ））焊缝巾心 Ｃｒ Ｎｊ Ｍｌ ｌ图１采用Ｊ５０６焊条的焊缝微观组织 Ｊ５０６ ０．Ｉ２ Ｊ６０７ ０ ｌ２ Ａ３０７ ０．Ｉ】 ｌ６Ｍｎ ０．１８３ Ｉ．７ ０．６ Ｏ ４ ≥５９０ ≥ｌ５ １．３２ ０．４８ ２４．８ ｌ３５ ０ ３７ ｌ２ ８ Ｏ．１３ Ｏ．ｏｏ９ ０．０２５ ≥５５０ ≥２５ ０．（）（）０ ６ ０．Ｏｌ４ Ｊ５０６焊条焊前烘干３５０ ｏＣ保温ｌ ｈ：Ｊ６０７焊条焊 前烘干３８０～４００ ｏＣ保温１ ｈ：Ａ３０７焊条焊前需经烘 干２５０ ｏＣ保温１ ｈ。焊接设备为ＺＸ５—５００型焊机。接 头形式为平焊对接．母材开Ｖ形坡口 焊接Ｔ艺参 数：采用直径３．２ ｍｍ焊条打底，焊接电流９Ｏ Ａ；采 ｝Ｉ）｛＝ （Ｉ１）焊缝叶１心 图２采用Ｊ６０７焊条的焊缝微观组织 其中盖面层组织主要是柱状品．而其他每一层 都是由柱状品和等轴晶混合而成。熔化的液态金属 冷却时．在熔合线或下层焊缝附近的半熔化母材处 温度较低．起着熔化的模壁作用。它与焊缝金属具 有相近的化学成分、相同的品格类型．成为焊缝金 属凝固时的结品表面 在一定的过冷度下．焊缝金 属直接从熔池壁母材金属的晶粒上进行长大，因此 用直径４ ｍｉｌｌ的焊条填充焊及盖面焊．焊接电流为 １２０ Ａ ３种不同焊接材料焊接时环境温度均为一１５ ℃左有。 焊后采用金刚石线锯将试样切割成不同尺寸的试 验样品．并进行研磨抛光和腐蚀处理。采用 （ＨＮＯ ） ４％酒精溶液腐蚀母材及Ｊ５０６及Ｊ６０７焊缝；采用王 水（妒（浓）： （浓盐酸）＝ｌ：３）腐蚀Ａ３０７焊缝。采 焊缝金属的晶粒和熔合线附近的母材品粒是相连结 的．在凝固时其晶体是从与液态金属相接触的母材 晶粒连结长大 由于熔池结晶在很大的温差条件下 进行．因而焊缝金属的组织沿着与散热相反的方向 长成柱状组织（图ｌａ）。 用Ｓｔｅｍｉ２０００一Ｃ体式显微镜和Ｏｌｙｍｐｕｓ金相显微镜 进行宏观和微观组织观察。采用ＨＶＳ—ＩＯ００Ａ显微硬 度计进行显微硬度涣０试．所用载荷为３００ ｇ，加载时 间１０ ｓ 根据ＧＢ／Ｔ ２６４９—１９８９对焊接接头进行取 对Ｊ５０６焊条焊接的焊缝柱状晶区组织进行观察 样．根据ＧＢ ２２９－－１９８４制备冲击试样，根据ＧＢ ６３９７—１９８６制备托伸试样 采用ＪＢ—Ｗ３ＯＯＢ型冲击 试验机和ＤＷＣ一８０型冲击试验低温槽进行室温及低 温冲击试验，采用ＷＡＷ一６００Ｆ微机控制电液伺服万 能试验机进行拉伸试验，冲击试验和拉伸试验在每 （图ｌｂ），可见粗大的先共析铁素体沿柱状品界分布； 侧板条铁素体沿晶界向品内生长，呈镐牙状；晶内 为针状铁素体和珠光体组织。对Ｊ６０７焊条焊接的焊 缝柱状品区组织放大得到金相组织（图２ｂ），其组织 主要由珠光体和针状铁素体组成，这主要是由于Ｊ６０７ 焊条成分比Ｊ５０６焊条增加了Ｗ（Ｍｏ）０．２５％～０．４５％， Ｍｏ是最有效促进针状铁素体相变的合金元素，有利 个Ｔ艺参数下分别测试３个试样。 ２结果与分析 于焊缝组织形成均一的针状铁素体，针状铁素体内 位错密度较高．相互纠缠，使其强度、韧性，特别 ２．１焊接接头组织 分别使用Ｊ５０６和Ｊ６０７焊条的多层多道焊熔合区 组织及焊缝组织金相组织如图１和图２所示。 是耐高温性能得到提高Ｅ８。 采用Ａ３０７焊条的焊接接头熔合区及焊缝区金相 Ｉ６ ．试验与研究． 焊接技术 第４７卷第２期２０１８年２月 组织照片如图３所示 ｌ６Ｍｎ钢的 ，（Ｃｒ）。 为０．５５５％， ｗ（Ｎｉ） 为６．１６５％；焊接材料Ａ３０７的ｗ（Ｃｒ） 为２５．６５％， 入奥氏体中．奥氏体晶粒严重长大．冷却后得到粗 大的魏氏组织和索氏体 魏氏组织由晶界向品内生 长．有的甚至贯穿整个晶粒，呈片层状或树状分布， 如图４ａ所示 细晶 母材被加热到Ａｃ ～ｌ １００ ｏＣ之 间．使得其组织由铁素体和珠光体发生奥氏体的相 变重结晶．冷却时又从奥氏体转变成铁素体和珠光 体，发生了两次相变重结晶后得到了细小、均匀的 （Ｎｉ） 为１６．７６％；母材的熔合比为２０％～３０％。由 舍夫勒组织图分析可知．焊缝组织为奥氏体和少量 铁素体，具有良好的抗裂性能 ．其形成过程为：液 态金属冷却时初生的奥氏体组织凝固．在奥氏体胞 状品或树枝晶之间残留的液体中形成了铁素体组织． 如图３ｂ所示。铁素体呈黑色．室温下为蠕虫状 熔 合区中由于母材的含量高．母材中的Ｃ熔入到焊缝 金属中，Ｃ是强奥氏体形成元素．因此，采用Ａ３０７ 焊条焊接１６Ｍｎ钢时．在熔合区形成了一层宽约２００ 铁素体和珠光体混合组织．如图４ｂ所示．．不完全重 结晶区在焊接过程中．由于距离焊缝较远．受焊缝 热的影响较小，温度在Ａｃ，～Ａｃ 之间 这一区域的组 织只有部分经历了两次相变重结晶．而另一部分始 ｎ１的单相奥氏体【Ｘ，呈白带状 终未发生相变重结晶，为粗大的原始铁素体 不完 全重结晶区为大小不一的铁索体和细小的珠光体组 一 （ｄ）熔俞 （ｂ）焯缝巾心 织，如图４ｃ所示．由于该区域晶粒大小不一、分布 不均．使得其力学性能也不均匀 ２．２焊接接头力学性能 图５为采用不同焊接材料得到的焊接接头从焊 缝中心至母材的硬度分布曲线、由同５可见．焊接 图３采用Ａ３Ｏ７焊条的焊缝微观组织 采用３种填充材料得到的焊接接头硬度存在差异． 图４为１６Ｍｎ钢焊接接头热影响区组织的金相照 片，由于加热及冷却的条件相同．３种焊接材料焊接 后热影响 的组织相同，都是由粗品区、细晶区和 不完全重结晶区组成 Ｊ６０７焊缝硬度最高，约为ＨＶ∞２４０左有：其次是 Ａ３０７焊缝的，其为ＨＶｎ３ ２２０；Ｊ５０６的焊接接头硬度 最低，其为ＨＶ ２００。这３种接头的熔合线处硬度都 达到了峰值，再结合化学成分分析可知．这是Ｆ｝１于 一 ＞ １６Ｍｎ钢的Ｃ含量高于３种填充材料的．南于母材的 熔入，使得熔合区处填充金属中的Ｃ含量提高，焊 缝金属的硬度也随之提高。远离熔合线的ｌ６Ｍ 母材 热影响区硬度迅速降低，直至达到１６Ｍｎ母材的硬度 值，在ＨＶｎ３１６０～ＨＶｎ３ｌ８０之问。 鲁 士 越 型 抠 （ｒ） 完伞重结品区 图４ １６Ｍｎ钢的热影响区金相组织 由图４可见，粗晶区加热温度高于ｌ １００℃．金 属处于过热状态，较高的热输入使难熔的碳化物溶 图Ｓ焊接接头硬度分布曲线 Ｗｅｌｄｉｎ￣Ｔｅｃｈｎｏｌｏ￣Ｖｏ１．４７ Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２０１８ 对采用不同焊接材料得到的焊接接头进行拉伸 试验，３种焊接接头断裂位置均发生在１６Ｍｎ母材 处，抗拉强度均为５３０ ＭＰａ左右．并且伸长率也没 有明显的区别．约为２０％ 表２为采用３种焊材的焊缝中心２Ｏ ｑｃ室温及一４０ ℃低温测试条件下的冲击试验结果。由表２可知． ２０℃时．３种焊材焊缝的冲击吸收功相差不大．均 在９０ １２０ Ｊ之间。 衰２不同焊材焊接接头在室温及一４０℃的冲击试验结果 焊条种类 Ｊ５０６ Ｊ６０７ Ａ３０７ ２Ｏ℃时冲击 １１０，１２４，１２０ ９２，９５，９４ １２４，１１２，１０８ 吸收功Ａ 均１１８ 均９３．７ 均１１４．７ —４０ ｏｃ时冲击 １ｌ，９，８ ２６，２２，２０ ８３，７５，９１ 吸收功Ａ 均９．３ 均２２．７ 均８３ 但当试验温度降低至一４Ｏ℃时．Ｊ５０６焊条的焊 缝冲击吸收功陡降至９．３ Ｊ．．发生了显著的脆化； Ｊ６０７焊缝冲击吸收功次之为２２．７ Ｊ：采用Ａ３０７焊条 得到的焊缝冲击功吸收最高，保持在８３ Ｊ。 对Ａ３０７焊条的焊接接头不同位置进行了２０ ｃ（＝ 及一４Ｏ ｃＣ测试条件下的冲击试验．结果见表３。１６Ｍｎ 母材的冲击吸收功最高．热影响区的次之．焊缝金 属的冲击吸收功最低；在室温时其平均值为１ｌ４．７ Ｊ， 一４０℃低温时平均值为８３ Ｊ。能够满足斗杆用焊接 材料熔覆金属在一４０。【＝低温冲击吸收功≥２７ Ｊ的使 用要求Ｅ９］ 表３ Ａ３０７焊条接头不同区域冲击试验结果 焊条种类 焊缝区 热影响区 母材区 ２０℃时冲击 １２４，１１２，１０８ １２３，１４８，１６５ ２０５，２０８，２１７ 吸收功ＡＫｖ／Ｊ 均１１４．７ 均１４５．３ 均２１０ Ｏ℃时冲击 ８３．７５，９１ １０１，９８，１４９ １５０，１５８，１４４ 吸收功Ａ 均８３ 均１１６ 均１５０．７ ３结论 （１）分别使用Ｊ５０６，Ｊ６０７焊条的焊缝及熔合区 组织均为沿柱状晶界分布的先共析铁索体、沿晶界 向晶内生长的侧板条铁素体、晶内的针状铁素体和 珠光体组织。Ｊ６Ｏ７焊条中由于存在促进针状铁素体 相变的合金元素钼，所以与Ｊ５Ｏ６焊缝组织相比，形 成了更多的细小针状铁素体．硬度更高。Ａ３０７焊条 ·试验与研究·１７ 填充后，焊缝组织主要为初生奥氏体和奥氏体枝晶 间蠕虫状的铁素体组织构成．熔合区由于溶入了母 材中的较多的碳元素。形成了单相奥氏体组织．硬 度达到该焊接接头的峰值 （２）３种焊材焊接接头中热影响区受到的热循环 类似，组织也相同，均为粗晶区索氏体＋魏氏组织、 细晶区和不完全重结晶区的珠光体＋铁素体组织组 成。其硬度值随着距离熔合区距离的增加而下降至 １６Ｍｎ母材的硬度 （３）冲击试验结果表明．采用Ａ３０７焊条得到的 焊缝室温下冲击韧性与Ｊ５０６焊条及Ｊ６０７焊条的相 当，而一４Ｏ℃低温下的冲击韧性要远优于其他２种。 采用Ａ３０７焊条得到的焊接接头中．焊缝区的室温 及低温冲击韧性最差．但均能满足斗杆焊接材料的 使用要求 参考文献： ［１］刘建林，宋作苓，朱生虎，等．材料的低温断裂研究进展［Ｊ］．吉 首大学学报：自然科学版，２００９，３０（３）：５２—５６． ［２］杨万全．低温下３５ＣｒＭｏ钢与３５钢、１６Ｍｎ钢的焊接研究［Ｊ］．酒 钢科技，２０１５，３７（２）：３１—３５． ［３］王元清，胡宗文，石永久，等．结构钢厚板低温冲击韧性试验研 究［Ｊ］．哈尔滨工程大学学报，２０１０，３１（９）：１ １７９—１ １８４． ［４］董 新．４９５ＨＲ电铲斗杆飞机头结构改进及其焊接工艺［Ｊ］．露 天采矿技术，２０１６，３１（１１）：６６—６９． ［５］肖东明，仲伟深．提高１６Ｍｎ钢焊缝低温韧性的研究［Ｊ］．辽宁工 程技术大学学报，１９９１，１３（２）：６４—６９． ［６］郭 京．提高１６Ｍｎ压力容器锻件低温性能的工艺优化研究［Ｊ］． 大型铸锻件，２０１６，３８（３）：３７—３８． ［７］潘春兰．低合金钢Ｑ３４５Ｒ焊接接头的低温冲击性能分析［Ｊ］．焊 接技术，２０１４，４３（１２）：１２—１５． ［８］董瀚，马党参，郎宇平，等．钼在合金钢中的特性与应用［Ｊ］． 世界有色金属，２０１０，２５（１１）：６６—６９． 『９］中华人民共和国国家技术监督局．ＧＢ ５００１７－－２００３钢结构设计 规范［Ｓ］．北京：中国标准出版社，２００３． 作者简介：冯韶楠（１９９１一），男，河北石家庄人，硕士，主要从事 异种金属的焊接工艺研究． 通信作者：张洋（１９８０一），女，辽宁辽阳人，博士，讲师，主要 从事金属材料焊接工艺及焊接性研究．
