中石化长输油气管道检测有限公司 江苏徐州 221008
摘要：本文通过厚度12mm的Q460NC在预热温度60℃的条件下，对ER50-6、H08MnMoA和ER69-1三种焊丝的焊接接头组织、力学性能进行研究，并选用力学性能最优的一种焊丝作为焊接材料，将选用的焊接工艺作为实际焊接参考的焊接参数。
关键词：低合金；焊接；组织；性能
1MAG焊对接接头焊接试验
1.1Q460NC钢母材组织
如图1所示为Q460NC低合金高强度钢的母材组织，图中的黑色条带状组织为珠光体，图中白色的条带状组织为铁素体。铁素体和珠光体在轧制的作用下沿着轧制方向形成了平行交替的带状组织。铁素体形成的白色带状组织为贫碳区，之后在碳及合金元素富集的铁素体边缘富碳区形成珠光体带。这就形成了贫碳区和富碳区彼此交替堆叠的带状组织。贫碳区的铁素体组织强度较低，塑性较好；富碳区的珠光体组织强度较高，条带之间力学性能相差较大。
1.2Q460NC母材力学性能
通过实验测试Q460NC母材力学性能如表1，表2所示。
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图1Q460NC母材组织
表1Q460NC母材室温拉伸试验结果
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国家标准GB/T1591-2018《低合金高强度结构钢》中规定厚度12mm的Q460NC的屈服强度ReH≥460MPa，抗拉强度Rm的规定值在530-710MPa之间，断后伸长率A≥17%。表-1中的实验数据表明该钢材拉伸性能符合国家标准的要求。
表2Q460NC母材冲击试验结果
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由表2表明该钢材冲击功符合国家标准要求。
1.3焊接工艺制定
Q460NC低合金高强钢是小松工程机械有限公司悬移支架顶梁的主材料。实际采用的焊接方法为熔化极活性气体保护焊(即MAG焊)。这种焊接方法继承了氩弧焊和CO2气体保护焊的优点：焊缝成型好，熔深大以及焊接效率高。
焊缝坡口型式是影响焊接结构承载性能的重要工艺参数之一。开坡口的目的在于使焊接生产顺利进行，确保焊接质量和接头的性能，减小焊接变形和焊接材料的消耗，带来良好的经济效益。坡口型式的选择，不仅直接影响到焊接结构件的生产成本，而且将直接影响到焊接质量。在焊接条件较差的情况下，应适当加大坡口角度和焊缝的装配间隙，以提高焊接坡口的可见性和可操作性；反之，则应采取小角度坡口和小的装配间隙来增加焊接效率。
焊缝坡口的使用是为了能够使电弧深入焊缝根部，满足操作要求，保证焊缝根部焊透。选择坡口可以根据现有的国家标准进行选择。对接接头是各种焊接结构中采用最多，也是最完善的形式之一。
对接试验所采用的焊接坡口型式如图2所示。
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图2坡口形状及尺寸
根据国家标准GB/T985-2008《气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸》，本次试验选择对接焊缝坡口为双面V型坡口，装配焊接时保留1mm的装配间隙(详见图2)。
三种焊丝的详细焊接工艺参数见表3。
表3焊接试验参数
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1.4焊接接头力学性能试验取样
焊接接头的力学性能试验主要是测试焊接接头的抗拉强度、冲击韧性和硬度等。在国家标准GB/T2649-1989《焊接接头力学性能试验取样法》标准中，规定了金属材料焊接接头的力学性能试验的取样方法。试样的取样位置如图3，采用机械加工的方法从试板上截取。
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图3焊接接头取样位置
1-舍弃2-拉伸3-弯曲4-冲击5-硬度
1.5焊接接头拉伸试验
焊接接头的拉伸性能直接关系着焊接结构的安全使用的可靠性。拉伸性能主要受到熔敷金属、热影响区组织等因素的影响。焊接接头拉伸试验依照国家标准GB/T2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》的规定在WAW-1000D微机控制电液伺服试验机上进行。试样应从焊接接头垂直于焊缝轴线方向截取，试样加工完成后，焊缝的轴线应位于试样平行长度部分的中间。试样截取、打磨后将试样表面用4%硝酸酒精溶液腐蚀出焊缝的具体位置，并标定焊缝中心。焊接接头的拉伸试样形状及尺寸如图4所示。中间阴影部分为焊缝。
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图4拉伸试样形状与尺寸
1.6焊接接头夏比(V型)冲击试验
焊接接头的冲击韧性取决于焊接材料及其使用状态，同时与试样的形状、尺寸有较大关系。工程机械最易发生破坏失效的是焊接接头区域。焊接接头一般都存在着偏析、晶粒粗化、内部裂纹等对冲击韧性有很大影响的问题。焊接接头的冲击韧性试验直接反应了焊缝及焊接热影响区的抗裂能力。焊接接头的夏比(V型)冲击试验依照国家标准GB/T2650-2008《焊接接头冲击试验方法》，在JB-W300D全自动摆锤式冲击试验机上进行。分别对熔敷金属以及焊接热影响区进行冲击试验，冲击试样采用55mm×10mm×10mm的标准试样。在冲击试样开V型缺口前，使用4%硝酸酒精溶液腐蚀显示出熔敷金属的区域。缺口位置如图5所示。
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a)缺口在焊缝中心
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b)缺口在热影响区
图5冲击试验试样缺口位置
1.7焊接接头显微硬度试验
显微硬度和焊接接头的性能有很大关系，测定显微硬度可以粗略的判断焊接接头的性能。一般来说硬度越大材料越脆，反之硬度越小的材料韧性越好。焊接接头显微硬度试验依照国家标准GB/T2654-2008《焊接接头硬度试验方法》在显微维氏硬度计上进行实验。试样通过机械加工的办法取得。将垂直于焊缝的试样表面抛光并用4%硝酸酒精溶液腐蚀出清晰的焊缝区。沿着如图6所示的标线进行测量，由焊缝中心开始至距离中心区15mm，每间隔1mm测一个点。硬度测试载荷为10kg，结果记为HV10。
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图6焊接接头硬度试验
1.8焊接接头金相组织分析
焊接接头组织直接影响着焊接接头的力学性能。观察金相组织并分析材料的力学性能是一种常用的材料研究方法。金相分析的样品制备方法如下：用线切割的办法截取焊接接头中最具代表性的部位。样品表面依次用180#、300#、500#、800#、1200#金相砂纸打磨，然后在抛光机上抛光。将抛光后的金相分析试样，用4%的硝酸酒精溶液腐蚀适当时间。采用江南金相显微镜观察焊缝金属及热影响区显微组织。
2试验结果分析
2.1焊接接头的宏观金相
不同焊丝的宏观金相组织如图7所示。试样经过180#、300#、500#、800#和1200#金相砂纸打磨后抛光，用4%硝酸酒精溶液腐蚀显示出焊缝、焊接热影响区以及母材的分布情况。从图7中可以清楚的看出，3种焊接试样的焊接接头的熔合情况良好，无气孔、裂纹等焊接缺陷。
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a)1#试样宏观金相 b)2#试样宏观金相 c)3#试样宏观金相
图7焊接接头宏观金相照片(4×)
2.2焊接接头的金相组织分析
焊接接头的力学性能主要由焊缝及焊接热影响区的组织和焊缝夹杂物等因素所决定的。焊接接头一般由焊缝、焊接热影响区以及母材这三个部分组成。焊缝是直接参加焊接熔池冶金反应的区域，焊接热影响区是受焊接热循环作用最大的区域，焊接过后冷却至室温，三个部分的组织各不相同，有很大的差异，这三部分金相组织也直接影响着焊接接头的质量。
金相组织主要取决于焊缝金属的化学成分，焊缝金属取决于所选择的焊丝。不同的焊丝，其焊缝金相组织也不相同，焊接接头的力学性能也存在一定的区别
2.2.1焊缝显微组织分析
焊缝是直接参加焊接熔池冶金反应的区域，是焊接接头中显微组织最复杂的部分。焊缝金属是母材与焊材熔化后重新冷却凝固以及发生固态相变之后而形成的，焊缝金属的金相组织与其合金元素的成分、含量密切相关。本文选择了三种焊丝进行Q460NC低合金高强钢的焊接接头组织与性能研究，首先需要对三种焊丝的焊缝金属的金相组织进行研究。如图8所示。
图8a、b、c分别为ER50-6、H08MnMoA、ER69-1三种焊丝的盖面焊缝的金相组织。从8a中可以看出，ER50-6盖面焊缝的金相组织主要为晶界先共析铁素体、晶内针状铁素体，晶界先共析铁素体形态为沿晶界扩展的长条状和部分多边形状。从8b中可以看出，H08MnMoA盖面焊缝的金相组织与ER50-6金相组织相似，主要为沿晶界析出勾勒出柱状晶轮廓的先共析铁素体、晶内针状铁素体和少量的侧板条铁素体。从8c中可以看出，ER69-1盖面焊缝的金相组织主要为从奥氏体晶界向晶内平行生长的板条贝氏体和板条马氏体。
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a)ER50-6
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b)H08MnMoA
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c)ER69-1
图8盖面焊缝金相组织
对比图8中不同焊丝的盖面焊缝金相组织可以看出，由于所选取的焊丝不同，盖面焊缝的金相组织差别较大。焊缝的金相组织受焊丝中合金元素的成分影响较大。根据国际焊接学会的碳当量公式分别对三种焊丝的碳当量进行计算，Ceq(ER50-6)=0.396%，Ceq(H08MnMoA)=0.375%，Ceq(ER 69-1)=0.567%，ER69-1焊丝中碳当量最高，焊丝中含有大量的淬硬性较高的Ni和Cr元素，对先共析铁素体的生成具有明显的抑制作用，沿原始奥氏体晶界生成淬硬性较高的贝氏体和马氏体组织。ER50-6、H08MnMoA碳当量较低，淬硬倾向较小，金相组织主要为先共析铁素体和针状铁素体组织。对比ER50-6与H08MnMoA的金相组织可以看出，H08MnMoA盖面组织中晶界先共析铁素体较细小，并且针状铁素体比例更高。H08MnMoA中的Ti元素可以细化奥氏体晶粒，并且Ti过渡到焊缝中可以形成TiN、TiO、Ti2O3等非金属夹杂物，可以钉扎奥氏体晶界，阻碍奥氏体晶粒的长大，同时作为针状铁素体的形核核心，促进针状铁素体的形核。
图9a、b、c分别为ER50-6、H08MnMoA、ER69-1三种焊丝的第二层焊缝的金相组织。图9a是ER50-6第二层焊缝的金相组织，因为受到盖面焊缝的再次加热，发生了相变重结晶现象，晶粒发生明显细化，且分布均匀。组织中白色的是铁素体组织，黑色的为珠光体组织。图9b是H08MnMoA第二层焊缝的金相组织，其组织与盖面焊缝的组织相似，并且发生了细化，其组织仍为晶界铁素体和针状铁素体组织。图9c是ER69-1第二层焊缝的金相组织，其组织与盖面焊缝的组织相似，组织中的晶界铁素体极少，主要为贝氏体组织。
图9a、b、c分别为ER50-6、H08MnMoA、ER69-1三种焊丝的打底焊缝的金相组织。图9a是ER50-6打底焊缝的金相组织，打底焊缝被第二层焊缝和盖面焊缝反复加热后，发生相变重结晶后晶粒得到细化，其组织为晶内多边铁素体和珠光体的混合组织。图9b是H08MnMoA打底焊缝的金相组织，其组织与第二层焊缝的组织相似，为晶界铁素体和针状铁素体组织。图9c是ER69-1打底焊缝的金相组织，其组织与第二层焊缝的组织相似，主要为板条贝氏体组织。
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a)ER50-6 b)H08MnMoA c)ER69-1
图9第二层焊缝组织
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a)ER50-6 b)H08MnMoA c)ER69-1
图9打底焊缝组织
2.2.2热影响区显微组织分析
在焊接热循环作用下，焊缝两侧处于固态的母材发生明显的组织和性能变化的区域，称为焊接热影响区(HAZ)。随着距离焊缝中心区距离的增加，距离焊缝中心不同距离的母材被加热到逐渐减小的最高温度。在不同的最高温度的作用下，在热影响区这一狭小的区间内分为不同的区域。
(1)熔合区
焊缝与母材熔化达到原子层面结合的部位。由于焊缝与母材的结合有着复杂的物理化学的冶金过程，熔合情况复杂，分界面参差不齐。这个区域虽然比较狭窄，但是存在着组织和化学成分的不均匀性，因此对焊接接头的强度和韧性有较大的影响。
(2)过热区(粗晶区)
与熔合区相邻的区域，加热最高温度在固相线至1100℃之间，焊接时，该区域内奥氏体晶粒严重长大，冷却后得到晶粒粗大的过热组织，塑性和韧度明显下降。在过热区易产生脆化和裂纹，是焊接接头的薄弱区域。
(3)正火区(细晶区)
焊接时母材被加热到温度在1100℃～Ac3之间。焊后空冷使该区内的金属相当于进行了正火处理，故其组织为均匀而细小的铁素体和珠光体，力学性能优于母材。是焊接接头中性能和组织较好的区域。
(4)不完全重结晶区(两相区)
加热温度在Ac3～Ac1之间。焊接时，只有部分组织转变为奥氏体，冷却后获得细小的铁素体和珠光体，其余部分仍为原始组织，因此晶粒大小不均匀，力学性能也较差。
图10a、b、c分别为ER50-6、H08MnMoA、ER69-1三种焊丝的热影响区粗晶区金相组织，三种焊丝的热影响区粗晶区的金相组织相同，主要为沿原始奥氏体晶界分布的先共析铁素体，这些先共析铁素体边缘有少量的珠光体析出晶内以侧板条贝氏体为主，还有少量自晶界向晶内生长的粒状贝氏体及少量针状铁素体。
图11a、b、c分别为ER50-6、H08MnMoA、ER69-1三种焊丝的热影响区细晶区金相组织。从图11可以看出Q460NC热影响区细晶区的金相组织主要为细小的铁素体+珠光体。细晶区的峰值温度高于有效临界温度上限Ac3，因此能够使奥氏体晶粒形核，由于温度低于1100℃，因此奥氏体晶粒没有显著增大，在随后的冷却过程中，这样的奥氏体晶粒分解为细小的珠光体和铁素体晶粒。珠光体和铁素体的分布不是很均匀，因为在焊接过程中，在较高的加热速率下，碳的扩散时间有限，生成的奥氏体不均匀。
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a)ER50-6 b)H08MnMoA c)ER69-1
图10热影响区粗晶区组织
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a)ER50-6 b)H08MnMoA c)ER69-1
图11热影响区细晶区组织
2.3焊接接头拉伸性能分析
焊接接头的拉伸性能直接关系着焊接结构的安全使用的可靠性。主要受熔敷金属、热影响区组织等因素的影响。焊接接头拉伸试验参照国家标准GB/T2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》规定在在WAW-1000D微机控制电液伺服试验机上进行。试验结果如表4所示。
表4焊接接头拉伸试验结果
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从表4中1#、2#、3#焊丝的焊接接头拉伸试验数据可知，采用低强匹配的ER50-6焊丝的焊接接头的拉伸断裂位置处于焊缝区，采用等强匹配的H08MnMoA焊丝和高强匹配的ER69-1焊丝焊接接头的拉伸断裂位置处于母材。ER50-6焊丝的焊接接头的抗拉强度仅为540MPa，远低于母材的平均抗拉强度625.33MPa。H08MnMoA焊丝和ER69-1焊丝的焊接接头抗拉强度分别为623MPa和635MPa。三种焊丝的焊接接头和抗拉强度有良好的对应关系，ER50-6焊丝的焊接接头焊缝区的显微组织为大量的先共析铁素体和针状铁素体。先共析铁素体强度较低，在外力作用下易在晶界处萌生裂纹，且裂纹扩展时消耗的能量较少，会对焊缝强度产生不利影响。H08MnMoA焊丝的焊接接头焊缝区的焊接接头显微组织为大量的针状铁素体和少量的先共析铁素体的混合组织，裂纹在针状铁素体呈波浪起伏状扩展，此混合组织的抗拉强度优于母材中的带状的铁素体和珠光体的混合组织的抗拉强度，因此断裂位置处于母材。ER69-1焊丝的焊接接头的焊缝区的显微组织为抗拉强度更高的贝氏体和马氏体混合组织，抗拉强度远优于母材的抗拉强度，因此在母材处发生断裂。
2.4焊接接头冲击性能分析
焊接接头的冲击韧性取决于焊接材料及其使用状态，同时与试样的形状、尺寸有较大关系。焊接接头是工程机械最易发生破坏失效的区域。焊接接头的冲击韧性试验直接反应了焊缝及焊接热影响区的抗裂能力。焊接接头的夏比(V型)冲击试验依照国家标准GB/T2650-2008《焊接接头冲击试验方法》，在JB-W300D型全自动摆锤式冲击试验机上进行。试验结果如表5所示。
表5焊接接头的冲击性能
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由表5中的冲击试验结果可知，焊丝ER50-6焊接的1#试样焊接接头整体冲击韧性较差，最高为53J，最低仅为38J，对焊接产品的整体性能有不利影响。焊丝H08MnMoA焊接的2#试样焊接接头冲击韧性较高，冲击功大约为90J，整体韧性高于母材，熔合线附近的冲击韧性与焊缝金属的冲击韧性相近。焊丝ER69-1焊接的3#试样焊接接头焊缝冲击韧性最高，其冲击功均值为133.7J，熔合线附近冲击功均值为68.7J，其熔合线附近冲击韧性和母材相近。由于其焊缝冲击韧性较高，焊接接头各区域冲击韧性相差较大，当焊缝、熔合线和母材的冲击韧性相差较大时，将导致焊接接头的整体韧性不足。
1#、2#、3#试样的焊接接头的冲击功与金相组织有较好的对应关系。1#、2#试样的焊接接头的金相组织主要为晶界先共析铁素体和针状铁素体，由于1#试样中沿晶界分布的先共析铁素体含量高于2#试样，并且针状铁素体含量低于2#试样，因此冲击功相差较大。3#试样中金相组织为贝氏体和马氏体的混合组织，贝氏体板条对奥氏体晶粒具有分割作用，形成组织细化。马氏体与贝氏体板条束界面大多数以大角度位向相交，对裂纹扩展阻碍作用较强，当裂纹扩展至两者的交界面时，裂纹扩展方向发生偏移，裂纹扩展需要消耗更多的能量，因此此混合组织具有良好的韧性。
2.5焊接接头显微硬度
显微硬度和焊接接头的性能有很大关系，测定显微硬度可以粗略的判断焊接接头的性能。一般来说硬度越大材料越脆，反之，硬度小的材料韧性较好。焊接接头显微硬度试验依照国家标准GB/T2654-2008《焊接接头硬度试验方法》在微氏硬度计上进行实验。试验结果如表6所示，曲线如图12所示。
表6焊接接头显微硬度测试结果
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图12焊接接头显微硬度测试结果
如图12所示，三种焊丝的焊接接头部位的显微硬度均没有超过产生焊接冷裂纹的临界硬度350HV10，满足规范要求。从图中可以看出，3#试样焊缝显微硬度在320HV10以上，在热影响区显微硬度下降非常迅速，热影响区硬度大约为270HV10。1#和2#试样焊缝显微硬度大约为210-230HV10，焊接热影响区硬度大约为290HV10，和3#试样相差不大，母材硬度约为210HV10。1#和2#试样分别为ER50-6焊丝和H08MnMoA焊丝焊接试样，焊缝金属成分相差不大，得到的焊接接头硬度大小也较为相近。3#试样为ER69-1焊丝焊接试样，焊缝硬度远大于1#和2#试样，这是由于当焊缝中Mn含量较高时，伴随着Ni元素的升高，将抑制先共析铁素体、针状铁素体组织的生成，促进更多的贝氏体、马氏体组织的形成，贝氏体、马氏体显微硬度高于晶界铁素体和针状铁素体，并且焊丝ER69-1中的碳含量也高于ER50-6和H08MnMoA这两种焊丝，较高的碳含量进一步提高焊缝的硬度，这也使3#试样焊缝金属的硬度远大于1#和2#试样。
3结论
本文选用ER50-6、H08MnMoA、ER69-1三种焊丝，采用MAG焊接方法对Q460NC钢进行焊接，对焊接接头组织与力学性能进行分析，得出如下结论：
(1)焊丝ER50-6的焊接接头的盖面焊缝组织以晶界先共析铁素体与晶内针状铁素体为主；第二层焊缝组织相变重结晶后晶粒细化，以铁素体和珠光体为主；打底焊缝组织经两次重结晶细化，以多边铁素体和珠光体混合组织为主。焊缝晶粒尺寸较大，冲击韧性差，焊缝及熔合线附近冲击功分别为49.7J和43.3J；焊接接头屈服强度为432MPa，抗拉强度为540MPa，整体的力学性能较差，不能满足公司对于焊缝强度的要求。
(2)H08MnMoA焊丝的焊接接头与ER50-6焊丝的焊接接头金相组织相似，均以晶界先共析铁素体和晶内针状铁素体为主。H08MnMoA焊丝针状铁素体含量明显高于ER50-6焊丝，因此焊丝H08MnMoA的焊接接头的整体力学性能优于ER50-6焊丝。焊缝及熔合线附近冲击功分别为94.7J和89.7J；焊接接头屈服强度为470MPa，抗拉强度为623MPa，整体的力学性能较好。
(3)ER69-1焊丝焊接接头盖面焊缝组织以板条马氏体和板条贝氏体为主；第二层焊缝经盖面焊缝加热重结晶后，以贝氏体为主；打底焊缝金相组织主要是板条贝氏体组织。马氏体与贝氏体板条束界面大多数以大角度位向相交，对裂纹扩展阻碍作用较强，焊接接头的力学性能高于其他两种焊丝。焊缝及熔合线附近冲击功分别为133.7J和68.7J；焊接接头屈服强度为495MPa，抗拉强度为632MPa，整体的力学性能最好。
(4)三种焊丝的热影响区组织相近，粗晶区金相组织主要为沿原始奥氏体晶界分布的先共析铁素体，先共析铁素体边缘有少量的珠光体析出，晶内以侧板条贝氏体为主，还有少量自晶界向晶内生长的粒状贝氏体及少量针状铁素体。细晶区的金相组织主要为细小的铁素体和珠光体。
(5)ER50-6焊丝的焊接接头整体力学性能不能满足公司对于焊缝力学性能的要求，即屈服强度需达到460MPa，冲击韧性也较低。H08MnMoA焊丝与ER69-1焊丝力学性能均满足公司要求，H08MnMoA焊丝的焊接接头整体力学性能与母材相近，能很好的与母材结合，焊丝H08MnMoA的价格低于焊丝ER69-1，经济效益好。
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