賈金龍，馮 毅，蔣成燕，龔成功，劉 富

(蘭州工業(yè)學院 材料工程學院，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

Q235鋼由于含碳量適中，綜合性能較好，強度、塑性和焊接等性能得到較好配合，在工程機械領(lǐng)域用途廣泛，同時也是焊接技術(shù)與工程及相關(guān)專業(yè)學生實習實訓選用的鋼材。

但是在工程操作和焊接實訓過程中，相關(guān)教材和文獻只注意到焊接參數(shù)對焊縫成形的影響[1-5]這種影響到底到什么程度，其微觀組織如何變化，晶粒取向、力學性能等變化并沒有實質(zhì)性和相關(guān)數(shù)據(jù)的支持。由于沒有相關(guān)數(shù)據(jù)證明，導致在實際操作過程中，相關(guān)人員對焊接參數(shù)尤其是焊接速度和熱輸入的變化不以為然，隨意更改，從而導致焊縫質(zhì)量不符合要求。

筆者試圖通過改變焊接熱輸入的大小，觀察在不同的焊接速度下，焊縫晶粒取向及力學性能的變化，得出結(jié)論，從而讓相關(guān)人員能直觀看到熱輸入和焊接速度改變后，晶粒取向和力學性能的變化，使其在以后的工作中，能夠重視焊接工藝規(guī)程中規(guī)定的參數(shù)，從而嚴格按照參數(shù)操作，從而提高焊接質(zhì)量；對于焊接責任工程師而言，也可以掌握晶粒取向和力學性能的變化規(guī)律，便于在工作中進行焊接工藝評定時按照規(guī)律編制焊接工藝指導書。

1 試驗方法

試驗材料采用國內(nèi)工程領(lǐng)域最常用的材料Q235鋼，室溫下其屈服強度為235 MPa，抗拉強度為370～500 MPa，試板厚度10 mm，坡口形式為I形，用埋弧焊進行焊接，焊絲為H08Mn2SiA，焊絲直徑2.0 mm，焊劑采用為HJ431。采用4種不同的焊接規(guī)范施焊，其焊接工藝參數(shù)見表1。從接頭處切取制備金相試樣，經(jīng)砂紙研磨拋光后，用4%硝酸酒精腐蝕顯示基體組織，利用上海長方CMM-55E型金相光學顯微鏡觀察分析焊接接頭微觀組織，金相照片的拍攝按照如圖1所示劃分的網(wǎng)格進行，沿著焊縫中心向左依次拍了I、II、III、IV、V、VI；向右依次拍了①、②、③、④、⑤、⑥。以這樣的方法從下到上總共拍了五層，然后將其拼湊成一張圖片，就可以觀察到晶粒取向規(guī)律。

表1 焊接工藝參數(shù)

焊接接頭拉伸試驗按照GB/T2651-2008《焊縫接頭拉伸試驗方法》進行。拉伸試驗機為UTM5305型電子萬能試驗機。

圖1 焊接接頭金相照片拍攝網(wǎng)格劃分

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊縫晶粒取向

由于Q235鋼對熱輸入不敏感，而且焊接參數(shù)變化不大的情況下，其焊縫中心到熔合區(qū)之間的等軸晶區(qū)、樹枝晶、胞狀晶、平面晶等晶粒度變化不大，且焊接接頭各個區(qū)域的組織及其形態(tài)變化不大。因此，本文從宏觀界面入手，觀察晶粒取向的變化。

1號試樣焊接接頭晶粒取向圖如圖2所示，焊接速度最小，熱輸入最大，4號試樣焊接接頭晶粒取向圖如圖3所示，焊接速度最大，熱輸入最小。從圖中可以看出1號試樣柱狀晶主軸方向與焊接方向的夾角較小，而4號試樣柱狀晶主軸方向與焊接方向的夾角較大，這是由于隨著焊接速度的提高，熔池被拉長，熔池末端邊界任一點的法向與焊接方向的夾角增大，也就是說，在較大的焊接速度下，熔池后端邊界的曲率越來越小，而晶粒長大通常情況下是沿著與散熱方向相反的方向以柱狀形態(tài)向焊接熔池中心生長的，即由熔池邊緣指向熔池中心溫度最高處，直至這種柱狀晶粒不斷長大以至相互接觸，液體金屬全部凝固時，結(jié)晶過程才結(jié)束。所以當焊接速度大時焊縫柱狀晶主軸越來越直，直至接近垂直于焊接方向，如圖4(a)所示，當焊接速度小時柱狀晶呈人字形向焊縫中心生長，如圖4(b)所示。

圖2 1號試樣焊接接頭 圖3 4號試樣焊接接頭晶 晶粒取向金相照片 粒取向金相照片

2.2 焊縫力學性能

表2為四個試樣按照GB/T2651-2008《焊縫接頭拉伸試驗方法》拉伸后的力學性能值。從表中可以看出，其屈服強度、抗拉強度與母材金屬差別不大，這是由于Q235鋼的焊接選用H08Mn2SiA，屬于高錳焊絲，其強度略高于Q235，因此，在力學性能試驗中，斷裂處全部都在熱影響區(qū)，無法反映出焊縫實際情況，在后續(xù)的研究中需要選用低強度匹配的材料進行研究。

圖4 焊接速度對焊縫晶粒取向的影響

/MPa

3 結(jié) 論

(1) 在本試驗條件下，焊接接頭各個區(qū)域的組織及其形態(tài)變化不大。

(2) 焊接速度8.3 mm/s-1時，焊縫柱狀晶主軸與焊接方向的夾角較大，其晶粒方向接近垂直于焊接方向，焊接速度5.8 mm/s-1時，焊縫柱狀晶主軸與焊接方向的夾角較小，柱狀晶呈人字形向焊縫中心生長。

(3) 在低碳鋼焊接時，由于采用等強度匹配，焊接接頭的力學性能結(jié)果不能直觀反映焊縫的晶粒取向，需要更換焊接材料，進一步試驗。

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