1、60mm 厚 Q345 钢板电子束焊接接头的显微组织及硬度分布 邓增辉 李东 童邵辉 方虎 上海工程技术大学材料工程学院 摘 要： 利用电子束焊接方法焊接了 60mm 厚 Q345 钢板, 研究了接头焊缝区的显微组织及显微硬度分布。结果表明:电子束焊接能够一次性焊透 60mm 厚 Q345 钢板, 得到成形良好且没有明显气孔、裂纹等缺陷的焊接接头, 焊缝深宽比很大, 约151;焊缝中心顶层由先共析铁素体、侧板条铁素体和针状铁素体组成, 沿着焊缝深度方向铁素体数量减少、板条状马氏体和针状铁素体数量增加且针状铁素体间距变小, 晶粒尺寸减小;从焊缝顶层到底层, 焊缝中心的硬度呈波动性增大趋势, 焊缝
2、区的显微硬度高于母材和热影响区的, 且沿着深度方向焊缝区硬度的增长速率明显增大。关键词： 电子束焊接; 焊接接头; Q345 钢; 显微组织; 作者简介：邓增辉 (1993-) , 男, 江西赣州人, 硕士研究生作者简介：李东 副教授收稿日期：2016-09-20基金：上海工程技术大学内涵建设项目 (nhxk-16-07) Microstructure and Hardness Distribution of Electron Beam Welded Joint of 60mm Thick Q345 Steel PlateDENG Zenghui LI Dong TONG Shaohui FA
3、NG Hu School of Materials Engineering, Shanghai University of Engineering Science; Abstract： Q345 steel plates with thickness of 60 mm were joined by electron beam welding and the microstructure and microhardness distribution in the weld zone were studied.The results show that the 60 mm thick Q345 s
4、teel plates were welded with full penetration by the single pass electron beam welding.The welded joints in good shapes and without obvious defects such as pores and cracks were obtained.The weld depth-to-width ratio was as high as 151.The microstructure at the top of weld zone consisted of proeutec
5、toid ferrite, side-plate ferrite and acicular ferrite.Along the depth of the weld, the amount of ferrite decreased while that of the lath martensite and acicular ferrite increased, the spacing between acicular ferrites became smaller and the grain size was reduced.From top layer to root layer of the
6、 weld, the hardness in the weld center showed a fluctuant increasing trend.The microhardness of the weld zone was higher than that of base material and heat affected zone.The increasing rate of the hardness in the weld zone increased obviously along the depth.Keyword： electron beam welding; welded j
7、oint; Q345 steel; microstructure; Received： 2016-09-200 引言随着全球工业技术的进步和现代科学技术的突飞猛进, 焊接结构件被大量应用在国防、核电以及船舶设备等行业中, 其对大厚板焊接的需求也越来越多, 这促进了厚板焊接技术的发展1-3。电子束焊接4-6是一种先进的厚板焊接技术, 具有能量密度高、焊缝深宽比大、热影响区小等优点, 在航空、航天、原子能等领域得到了广泛应用。Q345 钢是一种低碳低合金钢, 其力学性能良好, 在船舶、建筑、桥梁方面的应用广泛。国内外对 Q345 钢的焊接技术及其焊接接头和母材的性能已进行了大量研究7-11, 但是
8、, 对大厚度 Q345 钢板的焊接研究相对较少, 且研究内容主要集中在焊接接头的冲击韧性和低周疲劳行为方面。在使用电子束焊接大厚度Q345 钢板时, 有关其焊接接头的截面组织和力学性能的研究报道较少。为此, 作者利用电子束焊接方法焊接了 60mm 厚 Q345 钢板, 研究了接头焊缝区的显微组织及显微硬度分布。1 试样制备与试验方法1.1 试样制备试验材料为 60mm 厚 Q345 低碳低合金钢板, 退火态, 其化学成分 (质量分数/%) 为 0.18C, 1.5Mn, 0.03P, 0.4Si, 0.16Ti, 0.03Nb, 0.025S, 余 Fe。由图 1 可知, 退火态 Q345 钢
9、的显微组织由粗大铁素体和少量珠光体组成, 晶粒大小不一, 尺寸在 2040m。图 1 退火态 Q345 钢的显微组织 Fig.1 Microstructure of annealed Q345steel 下载原图在退火态 Q345 钢上截取尺寸为 300 mm100mm60mm 的试样, 对试样进行机械打磨去除表面氧化膜, 然后用无水乙醇擦洗干净。利用 Probeam K110 型高压真空电子束焊机对试样进行电子束焊接, 采用对接接头形式, 加速电压 120kV, 电子束电流 99mA, 聚焦电流 2 486mA, 焊接速度 1.8mms。1.2 试验方法在焊接接头上沿深度方向 (从上表面至下
10、表面) 截取金相试样, 用体积分数为4%硝酸酒精溶液腐蚀 10s 后, 利用 VHX-600 型光学显微镜观察显微组织。利用HXD-1000TMC 型显微硬度计测焊接接头的显微硬度, 加载载荷为 0.98 N, 保载时间 15s, 分别在如图 2 所示的 A, B, C, D 线上取点测试, 其中:A 线为焊缝中心线, 方向从焊缝顶层到底层;B, C, D 线分别位于焊缝顶层、中层和底层, 方向为垂直于焊缝中心线从母材区到焊缝区再到母材区。硬度测试时, 将焊缝的各个区域利用体积分数为 4%的硝酸酒精进行轻微腐蚀, 以便于对焊缝区、母材和热影响区进行观察。2 试验结果与讨论2.1 宏观形貌由图
11、3 可以看出:焊接接头上表面的焊缝完整、光滑并带有金属光泽;焊缝处无裂纹、焊瘤、未融合等焊接缺陷, 焊缝成形性能良好。图 2 焊接接头截面显微硬度测试位置示意 Fig.2 Schematic diagram of microhardness testing positions on section of welded joint 下载原图图 3 焊接接头上表面焊缝的宏观形貌 Fig.3 Macrograph showing weld seam on top surface of welded joint 下载原图由图 4 可以看出:钢板已经焊透, 焊缝的深宽比很大, 约为 151;焊缝顶层的熔
12、宽大约为 7mm, 底层的熔宽仅为 1mm, 熔宽沿深度方向变化较大;焊缝整体成形良好, 没有明显的气孔、裂纹等缺陷;焊缝余高较大, 约为 5mm, 这主要是由焊接过程中熔池金属的体积膨胀造成的。图 4 焊接接头的截面形貌 Fig.4 Sectional morphology of welded joint 下载原图2.2 显微组织由图 5 可知:焊缝中心顶层 (图 4 中位置 a) 的显微组织由先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体组成, 先共析铁素体沿奥氏体晶界析出;上层 (图 4 中位置 b) 的显微组织由先共析铁素体、针状铁素体、少量的侧板条铁素体、少量的板条状马氏体组成, 与顶层相比
13、, 先共析铁素体有所减少, 铁素体间距变小且有少量马氏体出现;中层 (图 4 中位置 c) 的显微组织由侧板条铁素体、板条状马氏体、针状铁素体组成, 与上层的相比, 针状铁素体数量增加, 铁素体间距进一步缩小, 板条马氏体数量继续增多;下层 (图 4 中位置 d) 的显微组织由板条状铁素体、针状铁素体和板条状马氏体组成, 与中层的相比, 下层的晶粒尺寸逐渐变小, 铁素体间距仍在逐渐缩小, 板条状马氏体增多;底层 (图 4 中位置 e) 的显微组织由针状铁素体、侧板条铁素体和板条状马氏体组成, 与下层组织相比, 铁素体间距明显变小, 晶粒尺寸减小, 板条状马氏体含量增加;焊缝中心顶层为相对较大的
14、树枝晶, 中层为细小树枝晶, 底层为超细晶粒, 从顶层到底层其晶粒尺寸依次减小。显微组织和晶粒尺寸随深度的变化与陈倩倩等12的研究结果相符合, 应该是由沿深度方向冷却速率和过冷度的不同而造成的。图 5 焊缝截面不同位置 (如图 4 所示) 的显微组织 Fig.5 Microstructures at different positions (as shown in Fig.4) on cross section of weld seam: (a-e) positions a-e 下载原图2.3 显微硬度分布由图 6 (a) 可看出:焊缝中心顶层硬度在 230250HV 之间, 平均硬度为 24
15、1HV;沿深度方向 (沿图 2 中的 A 线) , 焊缝中心的硬度逐渐增大, 其底层硬度最大, 在 290310HV 之间。这是因为沿深度方向, 焊缝中心的晶粒变小, 由二次结晶产生的板条状马氏体逐渐增多, 硬度增大13。由图 6 (b) (d) 可知:焊接接头焊缝区的硬度明显高于母材区和热影响区的, 这是因为焊缝区大量针状铁素体的出现使得焊缝的硬度得到提高;顶层 (图 2中 B 线) 焊缝的硬度在 220250 HV, 比母材的硬度 (约 200HV) 增加了2050HV, 中层 (图 2 中 C 线) 焊缝的硬度比母材的增加了 5090HV, 底层 (图2 中 D 线) 焊缝的硬度比母材的
16、增加了 60110HV, 可见随着深度的增加, 硬度的增加速率增大;中层焊缝最高硬度出现的范围较宽, 而底层焊缝的最高硬度位于焊缝中心处, 这是因为中层焊缝中心区等轴树枝晶范围较宽, 而底层等轴胞状晶的范围很窄;熔合线附近的硬度与母材的相差不大, 这是因为熔合线附近为柱状晶, 其晶界面积减小的同时晶粒也相应地增大;而热影响区的硬度均略低于母材区的, 这会影响接头的整体性能, 因此在进行电子束焊接时, 应注意控制其热影响区的硬度。电子束焊接接头焊缝的硬度均高于母材的, 但过高的硬度会降低焊接接头的韧塑性, 一般而言, 焊接接头焊缝的硬度不应比母材的高出 110HV。实测焊缝中心底层的硬度比母材的
17、增加了 60110HV, 其硬度略偏高, 因此在进行电子束焊接大厚度钢板时, 应注意控制其底层的硬度。3 结论(1) 电子束焊接能够一次性焊透 60mm 厚 Q 345 钢板, 焊缝的深宽比较大, 约151;焊缝顶层宽度约为 7mm, 底层宽度仅为 1 mm;焊缝整体成形良好, 没有明显的气孔、裂纹等缺陷;焊缝余高较大, 约 5mm。图 6 焊接接头不同方向 (如图 2 所示) 的硬度分布 Fig.6 Microhardness distribution in different directions (as shown in Fig.2) of welded joint: (a-d) alo
18、ng lines A-D 下载原图(2) 焊缝中心顶层的显微组织由先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体组成, 先共析铁素体沿奥氏体晶界析出;随着深度的增大, 共析铁素体减少、板条状马氏体和针状铁素体增多, 且针状铁素体间距变小, 晶粒尺寸减小。(3) 随着深度的增大, 焊缝中心线的硬度呈波动性增大, 最高硬度出现在底层, 为 310 HV;焊缝区硬度明显高于母材和热影响区的, 且沿着深度方向焊缝区硬度的增大速率明显较大。参考文献1张国伟, 肖荣诗.60mm 厚 304 不锈钢板超窄间隙光纤激光焊接接头组织性能研究J.中国激光, 2014, 41 (8) :1-6. 2SARAFAN S, W
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