Cr对高强钢焊条焊缝组织和性能的影响

蔡养川，罗 震

（天津大学 材料科学与工程学院，天津300072）

Cr对高强钢焊条焊缝组织和性能的影响

蔡养川，罗 震

（天津大学 材料科学与工程学院，天津300072）

基于Ni-Cr-Mo-V合金体系，研究了Cr对800 MPa高强钢焊条焊缝组织和性能的影响。研究结果表明，当w（Cr）＜1.2%时，随着Cr含量的增加，焊缝金属强度和韧性逐渐升高；当w（Cr）＞1.2%时，随着Cr含量的增加，焊缝金属强度逐渐升高，而韧性逐渐降低。焊缝熔敷金属中w(Cr)=1.2%时，可以使焊缝金属获得大量细小、均匀的粒状M/A组织，从而提高了焊缝的强度和韧性。

焊接；Ni-Cr-Mo-V合金体系；Cr；800 MPa高强钢焊条

Ni-Cr-Mo-V系合金钢既具有较高的强度，又具有良好的塑性和韧性，因此得到广泛应用[1-2]。实践表明，焊接加工是影响高强度结构钢质量的关键，且低合金高强度钢焊接接头的韧性是焊接结构使用性能的重要指标，特别是针对800 MPa级以上的高强度钢。如何在满足强度要求的条件下提高焊接接头的韧性储备，一直是焊接工作者研究的热点课题之一。

Cr是强碳化物形成元素，能提高焊缝的淬硬性，提高焊缝的强度，同时也可能导致冷裂纹产生[3-6]。但Cr含量合适时，可以增加残余奥氏体的含量，提高韧性[7-9]。本研究利用自主开发的800 MPa高强钢焊条，通过试验研究Cr对高强钢焊条焊缝组织和力学性能的影响，确定Cr的最佳含量，为研制综合性能优良的焊接材料提供试验和理论依据。

1 试验方法

1.1 材料制备及焊接方法

焊条焊芯采用H08E，直径为5.0 mm，选用TL-25型焊条涂粉机将按一定比例均匀混合而成的合金粉末涂抹在焊芯上，并加工成直径5.0 mm、长约450 mm的焊条，然后经过低温80℃×2 h、中温 150℃×1 h和高温 350℃×2 h热处理成形。焊前经过350℃×1 h烘干后使用。其配方原则是药皮中金属Cr含量逐渐增加，其他合金成分（镍粉、钼粉）含量不变，余量为大理石、萤石、石英、金红石、钛白粉电解锰和45#硅铁等矿物质混合物，其药皮合金成分配比见表1。采用Newasia WS-630D焊机在Q235试板(160 mm×120 mm×20 mm)上实施堆焊， 焊接电流为160～240 A，电压为20～25 V，焊接速度约为180 mm/min，连续堆焊10～15层，层间温度控制在250℃左右，堆焊厚度大于15 mm，制取试样。

表1 药皮合金成分配比 %

1.2 显微组织及力学性能试验

利用Neophot21显微镜观察焊缝金属组织；利用JSA4-840进行扫描电镜试验；利用D8ADVANCE型X射线衍射仪确定焊缝金属组织的物相组成。采用万能电子拉伸试验机测定焊缝强度；采用XJL-300B型落锤冲击试验机测定焊缝冲击吸收功；采用HR-150A型洛式硬度计测定焊缝试样宏观硬度，测试试样不同区域的7个硬度点，去掉一个最高点，去掉一个最低点，剩下5点数据的平均值为焊缝金属的硬度值。

1.3 扩散氢含量测定

熔敷金属扩散氢含量测定应按GB/T 3965—1995《电焊条熔敷金属中扩散氢测定方法》进行，选择水银法试验。

2 试验结果与分析

2.1 焊缝金相组织结果分析

合金元素影响熔敷金属组织，而熔敷金属组织决定其力学性能，因此研究合金元素Cr对熔敷金属组织的影响规律是非常必要的。金属Cr添加量不同时各组熔敷金属的组织结构如图1所示。

图1 金属Cr添加量不同时各组熔敷金属的组织结构

由图1可以看出，随着Cr含量的增加，熔敷金属组织中铁素体含量逐渐增加；当w(Cr)≤1.2%时，随着Cr含量的增加，熔敷金属中M/A组元含量逐渐增加，且M/A组元晶粒度逐渐均匀细小；但当w(Cr)＞1.2%时，随着Cr含量的增加，熔敷金属中M/A组元含量逐渐增加，且逐渐呈块状分布。

产生以上结果的主要原因是：①Cr元素会缩小γ区，促进铁素体的形成，因此随着Cr含量增加，熔敷金属中铁素体含量增多[10]；②当Cr含量合适时，会提高残余奥氏体的含量，增加M/A组元含量，当Cr含量较低时，M/A组元呈颗粒状，当Cr含量较高时，M/A组元则呈板条状。

2.2 焊缝金属组织力学性能结果分析

添加不同Cr含量时各组熔敷金属的力学性能见表2。熔敷金属中Cr含量与焊缝力学性能的关系如图2所示。

表2 不同Cr含量时各组熔敷金属的力学性能

图2 熔敷金属中Cr含量与焊缝力学性能的关系

由表2和图2可看出，熔敷金属的强度随着Cr含量的增加而逐渐增加，这主要是因为Cr是强碳化物形成元素，能提高焊缝的淬硬性，提高焊缝强度。当w(Cr)＜1.2%时，随着Cr含量的增加，熔敷金属的冲击韧性逐渐增加；当w（Cr）＞1.2%时，随着Cr含量的增加，熔敷金属的冲击韧性逐渐降低。这主要是因为当Cr含量合适时，会提高残余奥氏体的含量，增加M/A组元的含量，且当Cr含量较低时，M/A组元呈颗粒状，含量较高时则呈板条状。研究表明，M/A组元的形状、数量、尺寸和分布对性能影响很大，当焊缝组织中的M/A组元呈细小颗粒状均匀分布时，会阻碍位错运动，因此会使熔敷金属强度和韧性均增加；而当M/A组元呈板条状分布时，M/A组元周围会存在大量的微裂纹，因而使熔敷金属的韧性显著降低[11-12]。

2.3 焊缝金属断口微观形貌分析

本研究通过拉伸试验和常温冲击试验获得4组试样拉伸强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率和冲击功等数据，以及试样断口微观形貌。

图3为拉伸试验和冲击试验后各组试样断口微观形貌。由图3可以看出，当w（Cr）＜1.2%时，随着Cr含量的增加，试样断口微观形貌中韧窝的数量逐渐增多，尺寸变小，深度增加，分布更均匀；当w （Cr）＞1.2%时，随着Cr含量的增加，试样断口微观形貌中韧窝的数量逐渐减少，尺寸变大，深度降低；当w（Cr）=2.0%时出现河流状接力花纹，呈现一部分脆性断裂特征；当w（Cr）=1.2%时，试样断口中韧窝数量达到最大值，尺寸细小，深度较深，分布均匀。这与2.2中熔敷金属的韧性值与Cr含量的关系相似。

2.4 焊缝金属冷裂纹倾向分析

焊后裂纹产生的原因主要有扩散氢、淬硬性以及焊后微观残余应力等[13-15]。

2.4.1 扩散氢含量对焊缝金属冷裂倾向的影响

图4为4组试验用高强钢焊条焊后得到的焊缝金属中扩散氢含量。

图3 各组试样断口微观形貌

图4 不同Cr含量时焊缝金属中的扩散氢含量

由图4可以看出，虽然4组试样扩散氢含量有所差异，但其差别不大，基本都在3.75 mL/100 g左右，且均满足超低氢标准。

2.4.2 淬硬性对焊缝金属冷裂倾向的影响

硬度是力学性能的重要指标，它与金属的组织结构密切相关，硬度越高其脆性逐渐增大。图5为不同试验组焊缝金属试验测得的宏观硬度。

由图5可以看出，随着焊缝金属中Cr含量的增加，焊缝金属宏观硬度会逐渐增加。主要是因为Cr是强碳化物形成元素，会显著提高熔敷金属的淬硬性。

图5 不同Cr含量时焊缝的硬度

2.4.3 微观残余应变对焊缝金属冷裂倾向的影响

为了对上述结果有更深入的探讨，进行了显微组织的XRD物相分析试验。图6为4组试样焊缝金属物相组成。

从图6可以看出，4组试样焊缝金属的物相都是α-Fe，即铁素体。尽管焊缝金属中含有多种微合金化元素Mn，Cr，Ni，Mo等，在焊接过程中形成一些微量相，但是，由于其含量太低，采用X射线衍射方法无法观察到明显的衍射峰。然而，根据不同合金元素配比下衍射峰的数值差异，采用MDI Jade5.0对4组试样焊缝金属的晶胞参数和微观应变进行比较，可以分析出合金元素对焊接接头性能的影响。

图6 4组试样焊缝金属物相组成

表3为不同Cr含量时焊缝组织中的晶格畸变量。

表3 焊缝组织的晶格畸变量

表3中（a-a0）/a0×100表示晶胞参数的相对变化量，a0为α-Fe在25℃的晶胞参数（a0=2.866 4A）。从表3可以看出，合金元素含量与焊缝组织基体的晶胞参数值有一定关系，合金元素含量高时，焊缝金属的晶胞参数相对较高；合金元素含量低时，焊缝金属的晶胞参数相对较低。这主要是因为合金元素Mn，Cr，Ni，Mo等原子溶入基体，造成了基体晶格畸变，而不同试验组由于合金元素的含量不同，合金原子的固溶度不同，故晶格畸变量不同。

比较4组试样试验结果可以发现，4组试样出现不同程度的晶胞参数减小的情况，即存在晶格负向应变，在这一范围内存在微观拉应力。晶格参数变化量的绝对值越小，引起的晶格畸变量也越小，使得其焊缝组织应力分布更均匀；而晶格参数变化量的绝对值越大时，引起的晶格畸变量也越大，增加了焊接残余应力，加大了焊件的冷裂倾向。

本试验中4组试验焊缝组织衍射峰的宽度变化（图6）主要是由于微观应变的变化引起的。表4为不同Cr含量时焊缝组织中的微观应变计算结果。

表4 焊缝组织的微观应变计算结果

表4中微观应变的分析结果与表3中晶格畸变的结果大体一致，即对不同Cr含量的4组试样，在焊缝组织中均存在晶粒尺寸的微观应变，这种应变主要为负向的，且在数值变化上有较大差别。微观应变和晶格畸变数值上的变化大致反映了Cr含量的影响。

通过对试验高强钢焊条的熔敷金属进行扩散氢含量测定、宏观硬度测定和微观应变测定等试验结果进行分析发现，最优试验组A2虽然扩散氢含量较低，微观应变值较小，但宏观硬度值较高，具有一定的脆硬倾向，焊接时存在产生冷裂纹的危险。因此，采用A2组焊条进行焊接时要合理地选择焊接工艺，降低焊缝金属的冷裂倾向。

3 结 论

（1）w(Cr)=1.2%时，获得的焊条熔敷金属组织最优，主要为细小的铁素体组织和细小且均匀分布的M/A组元。

（2）w（Cr）=1.2%时， 获得的焊条熔敷金属具有最优力学性能，屈服强度821 MPa，拉伸强度935 MPa，伸长率19%，断后收缩率70%，25℃冲击功101 J。

（3） 最优组焊条（w（Cr）=1.2%）具有一定的冷裂倾向，使用时应选用合适的焊接工艺。

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Effect of Heat Chrome Element on Microstructure and Mechanical Properties of High-strength Steel Electrode Weld

CAI Yangchuan,LUO Zhen
(College of Materials Science and Technology,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Based on Ni-Cr-Mo-V alloy system,it studied the effect of chrome on weld microstructure and mechanical properties of 800 MPa high strength steel electrode.Experimental results showed that,as the content of chrome less-than 1.2%,the weld metal strength and toughness gradually increase with the increase of the content of Cr;and when the content of chrome more-than 1.2%,the strength of weld metal gradually increases and the toughness gradually decreases with the increase of the content of Cr.As the content of Cr is 1.2%,the microstructure of weld metal is large number of wee and homogeneous M/A,which can enhance the strength and toughness of weld metal.

welding;Ni-Cr-Mo-V alloy system;Chrome;800 MPa high-strength steel electrode

TG421

A

1001－3938（2015）06-0020-06

蔡养川（1987—），男，博士研究生，主要从事焊接材料方面的研究工作。

2014-10-28

谢淑霞