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焊接热输入在一道焊接时对s1100ql钢 焊接接头显微组织的影响

Jerzy Nowacki a,*, Adam Sajek a, P. Matkowski b

^a西波美拉尼亚科技大学，什切青，波兰

^b Teleskop Ltd., ul. Belgijska 5, 66-470 Kostrzyn nad Odrą, Poland

摘要：一个焊接接头的调质与热输入的影响s1100ql先进高强钢的组织转变接头强度。气体金属电弧焊接方法与不同的值从5.5到7.1千焦耳/厘米的范围内的热输入。金相检验，硬度，进行作为详细的焊接裂纹的动力学分析s1100ql钢过程的结果接头变形的时间，加载力和冲击能量的函数确定。结果发现，动态加载的样品焊接与较低的热输入显示较高的弹性极限，表现为较高的加载力和较长的变形时间了冲击强度和拉伸强度试验。创新的方法采用落锤式冲击试验机进行焊接冲击试验。焊接接头的强度高于焊接钢。热量输入必要的生产s1100ql钢的强度要高于接头测定母材指出了使用s1100ql钢的优点和一个通焊的方法，允许生产的最佳强度的接头使用不匹配的填充金属的参数。作为详细的焊接裂纹的动力学分析s1100ql钢过程的结果接头变形的时间，加载力和冲击能量的函数确定。结果发现，动态加载的样品焊接与较低的热输入显示较高的弹性极限，表现为较高的加载力和较长的变形时间。

关键词：气体保护焊；先进高强度钢；焊缝组织；冲击试验；焊接热输入

1介绍

近几年，大型结构的制造业使用现代品种的合金代替常规或高级的经典结构钢强度是可能的（表1）。所涉及材料的总成本和支出在制造元件如移动起重机结构钢的屈服点是900兆帕与产品满足类似的功能，但一个重新设计，由合金的RE为1100兆帕（表

2）证明潜在的储蓄是可能的：

-减少片材的横截面厚度6至4毫米，由于设备的重量减小，提升能力增加；

-在大规模生产的情况下降低原材料支出，由于较低的对具有抵抗性质额等价物的需求造成的；

-对焊接过程的成本最小化由减少消耗的填充金属和缩短工作时间焊接小断面产生的；

-提升的产品吸引力降低经营成本（燃料消耗）由于其较低的重量和小尺寸；

世界范围内的趋势，减少焊接结构的质量，以及越来越严格的法律法规，如环境保护的指导方针关于减少欧盟国家的机构废气排放的平均值为95克CO2 /公里，直到2020年，建议在最近的将来，先进的高强度钢将继续成为有吸引力的行业。

本文的分析主体形成高强度钢s1100ql钢分为细粒度，低合金，甚至

微合金化，结构钢获得热机轧制和回火工艺。碳化物形成合金添加量减少（Mo，V，Nb，Ti）随着含量增加的强奥氏体形成元素（锰，镍）导致这样的钢在交货表现出低碳同质结构的条件，回火板条马氏体与可能的析出物高熔点碳化物，如Mo2C、V4C3，NBC和V-CN^{[ 8 ]} 3–碳氮化物。Nb和V元素的存在是也有利于形成细晶粒的奥氏体热轧后变小硬化过程中的马氏体板。它有可能增加这种钢的冲击强度，为例如添加更高量的镍^{[ 6 - 11 ]}。

超高强度钢钢焊接由于其结构原因造成很多问题。电弧焊接马氏体钢的接头较粗糙金属合金的力学性能较差。这种接头的强度很少是高于母体材料的强度，最好用拉伸强度试验说明，最常见的结果是在焊缝样品断裂。在此过程中实现了联合的最小强度混合填充金属与焊接金属合金。在缺乏适用于焊接马氏体钢的特殊粘结剂为了获得类似于那些强度性能的焊缝在母材中，宜采用中、高合金焊接性能的填充金属（如碳当量）与基体钢相比更差材料^{[ 12 - 14 ]}。

焊接过程中有限的热输入结果形成非常狭窄，软化区位于接头热影响区。根据流行的观点，回火热影响区宽度小（常具有比要求低的强度性能）不显著影响整个接头的强度，可以通过所谓的#39;接触#39;现象的发生，由平面应力产生的接头面积较小来解释。

先进结构钢，与经典相比标准化的类似合金的碳当量，表现出相当低的倾向在关节冷裂纹^{[ 14 - 16 ]}。

在与高强度回火钢焊接性有关的主要技术问题中，也有由于材料层的局部分离合金元素偏析^{[ 14 - 16 ]}。

焊接热输入对转变的淬火和回火的先进高强钢组织的影响是零碎的解释。因此，这些研究的目的是这个钢代表的焊接接头的显微组织转变的过程与热输入量及其对最终接头强度的影响参数有关。

2 焊接试验

多道焊接导致重复加热和冷却焊缝区，这导致了一系列弱化热影响区^{[ 14 ]}。这特别对不可得到与高强钢钢s1100ql强度相匹配的填充金属非常不利。作者认为作为一种接头结构与性能的一道焊接是指控制焊接区域的一次加热和冷却成型的结果。

本实验采用熔化极气体保护焊，所用钢材为ThyssenKrupp XABOreg;1100 1.8942 公司生产的s1100ql钢，其化学组成：0.18% C，0.50硅，1.6%锰，0.017% P，0.003%秒，1.45%铬，0.50%钼，2.39%镍，屈服强度为Vrp02 = 1100 N / mm2。使用X90填充金属N-EN ISO16834:2012 G Mn4Ni2CrMo，该X90焊丝的化学组成：0.10% C，0.70硅，1.68%锰，0.012% P，0.003%S，31%铬，0.53%钼，2.19%镍，0.08 V，具有屈服强度rp02 = 900 N / mm2。s1100ql钢的母材结构（图5）是这类材料和由细粒度（晶粒直径约1 - 8毫米）马氏体、贝氏体和铁素体迹线的典型，母材硬度约320 HV。

每次焊接是没有预热的一道焊，对接接头采用熔化极气体保护焊平焊的焊接方法(PA – EN ISO6947:2011)。焊接热输入范围从5.5到7.1千焦/厘米变化。焊接进行保护气体是M21混合物（92% Ar和8%的CO2），焊接后的接头采用空冷的冷却方式。

3 接头研究

接头进行测试的方法（图1）：

-试样的宏观和微观组织的观察是在抛光和蚀刻试剂腐蚀后进行的，腐蚀试剂的化学组成：10%硝酸（HNO3），90%乙醇（C2H5OH）。

图1–s1100ql钢母材显微图像

图2硬度测量点分配方案

图3 -焊接样品的宏观图像，热输入qgmaw = 6 kJ /厘米

图4 -焊接样品的宏观图像，热输入qgmaw = 7 kJ /厘米

-使用维氏硬度试验硬度计lv700at进行硬度测试，其所施加的载荷F = 98.07 N如图2所示；

-试样接头的拉伸试验切断温度20 8℃；

-在焊缝中心，母材表面以下2mm，热影响区，距融合线外2毫米，低于母材表面2毫米处带凹槽进行冲击强度试验。在-40°C的室内环境下，以INSTRON DYNATUP 9250HV跌落重量冲击进行对接焊接的样品测试耐冲击性测试。 标准8.3公斤头部产生4.66 m / s的冲击速度，允许我们达到90 J的最大冲击能量。

-用SEM显微镜观察落塔冲击试验后的样品。A Hitachi FE-SEM SU-
70分析电子显微镜使用肖特基的场发射枪。

4 接头结构与性能

以热输入qgmaw = 6 kJ /厘米和qgmaw = 7 kJ /厘米进行焊接的两个有代表性的样品是很有特点的。例如，在文章后面会进行说明。

根据宏观调查的结果（图2 - 6）发现，以独立的焊接热输入形成的接头沿着定期的轮廓顺利过渡到基底材料。对接焊缝形成的样品特点是深穿透和类似的融合深度。这个焊缝的结构特点完全凝固前熔池金属从熔合线到接头的轴对称焊缝平缓地运动到试样的表面。

对接接头焊缝的开始和结束处

图5 -热影响区的微观图像，焊接样本的

尽管对接接头的HAZ在热输入更大的情况下会变大，但是样本的硬度在qgmaw = 6 kJ /厘米和qgmaw = 7 kJ /厘米情况下是相似的。

在显微镜下观察的HAZ当然会有所不同，但是接头组织的结构在每个样品中保持相似（图5）。它包括位于熔合线附近的生长线的区域。这个区域宽度向材料的内部增加，这证明焊缝根部最宽。

低倍率下观察接头的显微组织，发现其包括熔合线和相邻线的片段区域：焊缝和带有小部分母材的热影响区。在这两种情况下，不论热输入的大小都可以观察到一个宽的生长马氏

热输入：（a）qgmaw = 6 kJ /厘米；

（b）qgmaw = 7 kJ /厘米

有轻微的不同。差距体现在焊缝根部的宽度在测试板的末端增加。样品在焊接热输入qgmaw = 7焦耳/厘米的情况下，焊缝形状变化很大，在接头根部因发生过多焊道的概率或不完全填充槽而使危险增加。

体和贝氏体晶粒的区域。距离熔合线越长越可以观察到更高的结构细化。再结晶区和不完全重结晶区在热影响区的显微组织没有注意到。在较高能量下焊接，试样的焊接热影响区显微组织更粗。

靠近熔合线的热影响区的观察显示马氏体晶粒尺寸不同。焊缝中含过饱和碳的铁素体，表现出auml;魏氏组织特征魏氏组织。焊缝的形态取决于数量热输入。如果焊接接头参数在较低的情况下，微

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