ABSTRACT

By testing the effects of different welding heat input and weld bead temperature on the mechanical properties of Q550 steel joints, tensile and hardness tests were performed on the welded joint under different heat input, and their microstructures were analyzed. The results show that with the increase of heat input, the lath Martensite Structure increases, the Granular Bainite decreases, and the properties of the joints become worse. When the welding heat input is 14.9 kJ/cm and the weld bead temperature is 100˚C, the comprehensive mechanical properties are the best.

Keywords:Heat Input, Welding Process, Mechanical Properties, Microstructure

Q550低合金钢焊接工艺研究

易俊霖¹，张丽萍^1*，汪虹¹，李明忠²，亓元浩³，罗晓东¹

¹重庆科技学院冶金与材料工程学院，重庆

²天地科技股份有限公司，北京

³兖州煤业股份有限公司，山东 济宁

收稿日期：2020年4月1日；录用日期：2020年4月16日；发布日期：2020年4月23日

摘 要

通过试验不同的焊接热输入和焊道温度对Q550钢接头力学性能的影响，对不同热输入下焊接接头进行了拉伸和硬度试验，并对其显微组织进行分析。结果表明，随着焊接热输入增加，焊缝中板条马氏体组织增加，粒状贝氏体下降，焊接接头性能变差。当焊接热输入为14.9 kJ/cm、焊道温度为100℃时，综合力学性能最佳。

关键词 :热输入，焊接工艺，力学性能，显微组织

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1. 引言

Q550低合金高强度结构钢是常用的支撑结构件材料 [1]。焊接中热影响区中金属的金相组织、化学成分、力学性能易发生变化。焊接后易产生冷裂纹和硬化组织。因此，低合金高强度钢的焊接必须结合母材的成分和力学性能、焊接前的准备和焊接材料的选择、焊接工艺控制、焊后热处理等方面需要控制 [2]。本论文采用多层单道焊，采用不同的焊接热输入 [3]，对金相组织及力学性能的研究，并根据实验结果选用合理工艺参数。

2. 试验材料及性能

试验用钢板微观组织见图1，试件尺寸为230 × 150 × 16 mm，钢板化学成分及力学性能见表1和表2。

表1. Q550的主要化学成分(GB16270-2009)

表2. Q550的力学性能(GB16270-2009)

图1. Q550母材微观组织

3. 试验方法

焊接试样开V型坡口，角度为30˚ ± 2˚，见图2。选用CHW-60C气保焊焊丝，气体选用80%Ar + 20%CO₂。焊接过程中采用多层单道焊，本次焊接不采用预热。焊接后经研磨、抛光后，采用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，然后在LeicaDM2500莱卡光学显微镜下观察样品组织；采用HV-1000型显微硬度计进行硬度检测，WAW-1000D微机控制电液伺服万能试验机测定拉伸强度。

图2. 坡口示意图

4. 焊接工艺性研究

4.1. 焊接热输入对接头力学性能影响

根据各试样的焊接电流、焊接电压根据公式E = UI/V计算出的焊接热输入见表3。

表3. 焊接工艺试验参数

4.2. 试验结果及分析

4.2.1. 焊缝区微观组织分析

图3. 不同热输入条件下的焊缝区

当热输入适中(14.9 kJ/cm)时，见图3(a)，焊缝中组织比较均匀，主要有板条马氏体、贝氏体，此时焊缝综合力学性能最优。随着热输入、焊接层数的增加，下一道焊缝的温度高于前一道焊缝，相当于对前一道焊缝做了热处理，起到细化焊缝组织晶粒作用，从而有效防止了焊缝中的微观裂纹生成和扩展。但当热输入过大时，见图3(b)、图3(c)，焊缝中晶粒变得很粗大，塑韧性急剧下降，综合力学性能变差。所以，热输入适中时，焊缝综合力学性能最为优异，当随着热输入不断增加，焊缝的硬度可能会有一点增加，但塑韧性急剧变差。

4.2.2. 拉伸分析

本次Q550试样拉伸后试样见图4。从左到右依次为试样1、2、3。

图4. 拉伸后试样

表4. Q550焊接接头拉伸数据

延伸率与端面收缩率是衡量材料塑性变形能力的重要标准，各试样拉伸数据见表4，通过对比可以发现试样1的性能较为良好，其抗拉强度达到660 Mpa，延伸率为16.4%，为所有试样中的焊接接头综合性能最佳。且如图4所示，拉伸后的试样端口缺陷不明显，实验中的拉断过程也较为缓和。

试样2和试样3的性能略差，见图4，断口附近有明显的缩颈现象，断面没有光泽并且呈暗灰色，在断口中央有少量的纤维区，但是断口面十分不平整，在拉伸断裂处出现了分层、内裂而且还发现了少量的气孔，断口出现的内裂很有可能是金属内部夹渣造成的，由于夹渣和气孔的存在使得该处成为钢板的薄弱地带，当试样承受较大载荷时应力会在这个地方集中叠加，成为裂纹的起源向周围扩散，最后导致了冲击试样断裂 [4]。虽然这两组试样性能没有第一组优秀，但是也基本满足实验标准要求。除去人为影响因素后，综合三组实验数据可以得出以下结论：在不预热的情况下对Q550钢板进行焊接，焊接时必须保证在一定的焊接热输入范围之内，才能够得到较好的焊接接头性能。

5. 结论

采用了不同的焊接热输入对Q550低合金高强度钢钢板进行焊接对接试验，对金相显微组织和显微硬度进行对比分析。完成焊接试验后，通过拉伸强度、金相组织的分析，得出以下结论：

1) 通过不同的焊接热输入的试验，确定出Q550D钢合理的焊接工艺参数范围。当焊接热输入为14.9 kJ/cm，道间温度为100℃，焊接接头拉伸强度达到了660 Mpa时性能最好。

2) 焊接试验的焊缝组织中主要有板条马氏体、贝氏体，此时的焊缝综合力学性能优秀，但随着热输入的增加，焊缝中的晶粒变粗，塑韧性急剧下降综合力学性能变差。所以，热输入适中时，焊缝综合力学性能最优，随着热输入不断增加，焊缝的硬度可能会有一点增加，但塑韧性急剧变差。

文章引用

易俊霖,张丽萍,汪 虹,李明忠,亓元浩,罗晓东. Q550低合金钢焊接工艺研究
Study on the Welding Process of Q550 Low Alloy Steel[J]. 冶金工程, 2020, 07(02): 49-53. https://doi.org/10.12677/MEng.2020.72008

参考文献