高强钢焊接工艺及接头组织与性能研究(3)

高强钢应用的日趋广泛，国内外学者对高强钢的点焊性能进行了大量的研究，主要包括高强钢微观组织及性能分析、点焊接头断裂模式分析等方面。

S. Brauser等人针对汽车用高强度TRIP钢（HCT690T）和微合金钢（HX340LAD）异种材料点焊接头的力学性能及形变行为作了深入的分析[19]。试验分别对同种材料和异种材料进行点焊试验，发现点焊接头拉剪力大小与母材的强度无线性关系，正面和背面的伸长率无显著差别。异种材料点焊时，相比于同种材料局部应力减少约20%。电子衍射结果显示HCT690T接头断裂处组织中奥氏体有所减少，同时测得其HAZ硬度有所增加，这促使TRIP钢接头应力水平低于母材。

王敏、吴毅雄等人研究了母材成分对DP590钢点焊接头性能的影响[20]。通过对化学成分不同的DP590A和DP590B双相钢进行点焊对比试验，发现碳含量高DP590B的点焊接头韧性较差。这是由于点焊熔核急速冷却的不平衡条件下，形成了孪晶马氏体亚结构，这导致接头韧性的降低。

3. 高强钢焊接工艺

近年来随着高强钢的广泛应用，国内外许多学者对高强钢的焊接工艺做了大量的研究。娄宇航等研究了690MPa级低合金高强钢的焊接性，分别采用手工电弧焊和埋弧焊进行焊接，焊前进行80 ℃预热处理，设计不同的坡口角度和根部间隙，严格按照设计的焊接工艺参数进行焊接，得到了完全符合各种性能要求的焊接接头。采用CO2激光填丝焊和激光-MIG复合焊工艺对12mm厚的船用钢10CrNiMnMoV进行了焊接性研究，得出激光填丝焊的焊接变形较小，焊缝成形性好。尹杰[21]利用双光束热丝多层焊对高强钢焊接进行研究，设计并改进了适合于厚板的双光束热丝多层焊的窄间隙坡口尺寸，实现16mm厚的11CrNi3MnMoV低合金高强钢的可靠连接，消除了未融合和气孔缺陷。

随着各国对工程机械件要求的提高以及材料加工技术的快速发展，超高，强度钢得到广泛应用。李亚江等[22]利用Ar + CO2混合气体保护焊对超高强度钢HQ130做了焊接试验，通过扫描电镜、透射电镜和电子衍射技术研究了工艺参数对热影响区域(HAZ) 韧性的影响，得出当热输入E在9.2～26.4kJ/cm变化时，随E的增加，钢HAZ的冲击韧性逐渐降低；当E＜20 kJ/cm时，在HAZ可以获得较好的韧性，所以要想获得具有良好韧性的接头就必须将E 控制在20 kJ/cm

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以下。在用四丝埋弧焊焊接20mm厚的HSLA80钢的试验中，结果表明:：在不降低接头质量的条件下，提高焊接速度和电流密度可以增加熔敷率；随着热输入的增加，粗大的柱状晶含量增加，针状铁素体的含量降低。

4. 高强钢焊接接头组织与性能研究

4.1 焊接接头组织分析

对于熔焊来说，焊缝金属是指由填充金属和一部分熔化的母材在熔池中凝固而形成，主要经历加热熔化、凝固结晶和固态相变等阶段[23]。而一般来说，焊缝金属组织主要由母材和焊材的原始组织以及化学成分、焊接工艺等因素所决定。低合金高强钢中常见的焊缝显微组织主要有针状铁素体、先共析铁素体、侧板条状铁素体以及少量的粒状贝氏体、马氏体和M-A岛状组织等。由于受热状态不同，可以将焊缝区组织分成3个区域：原始焊缝组织，为贝氏体、针状铁素体和少量的低碳马氏体；二次重熔组织，为粒状贝氏体和针状铁素体组织；经历热处理后的焊缝组织，为贝氏体正火组织、贝氏体回火组织，以及大量相互平行的铁素体束。娄宇航等采用手工电弧焊及埋弧焊两种焊接方法焊接HSLA100钢，结果显示：两种焊接方法所得的焊缝组织主要为板条状贝氏体和少量针状铁素体。

在焊接过程中，由于热影响区不同部位所经历的热循环以及焊后的冷却速度不同，使得热影响区的组织及力学性能不均匀，这种不均匀性对高强钢的力学性能影响尤为明显。国外学者研究了高强钢多层多道焊的热影响区，结果将热影响区分为6个部分，粗晶区、细晶区、临界热影响区、亚临界热影响区、临界重熔粗晶区和亚临界重熔粗晶区。在临界热影响区和临界重熔粗晶区都观察到M-A岛状组织，粗晶区主要包括粗大的上贝氏体、微合金析出物和M-A岛状组织，晶粒尺寸为75～150μm；临界重熔粗晶区主要组织为粗大的铁素体、细小的微合金析出物和M-A岛状组织，晶粒大小为20μm。研究结果表明：影响M-A岛状组织形成的主要因素是奥氏体的淬透性，并指出大量的Si含量以及铁素体基体中固溶的钒(V) 是提高淬透性及M-A组织形成的主要因素。

在焊接接头中，焊缝与热影响区的过渡区域称为熔合区。与其他特征区相比，熔合区的冲击韧性值最低而硬度最高，是接头的一个薄弱环节，这主要是由于熔合区主要由铸造组织以及晶界相组成，扫描电镜结果显示熔合区组织主要为针状

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铁素体和晶界相( 先共析铁素体以及魏氏铁素体)。有的研究说明在熔合区边缘部分熔化的母材是柱状晶形核的核心；而有的研究结果表明：熔合区柱状晶晶粒大小主要由熔合区边界部分熔化区的晶粒尺寸决定。

4.2 焊接接头力学性能分析

在对焊接接头的力学性能分析中，一般采用拉伸、弯曲、冲击以及硬度测试等段。对于高强钢而言，由于在热影响区的粗晶区会形成M-A岛状组织而使得其强度和硬度值较高，但冲击韧性下降，脆性增加。日本学者研究了一种通过控制焊缝中B元素的扩散来提高高强钢在高热输入条件下热影响区韧性的方法[24]。该方法主要是通过提高焊缝金属中B元素的含量，然后通过扩散进而提高热影响区中B元素的含量，再通过B元素来抑制热影响区的晶粒长大从而提高热影响区的韧性。在对临界再热粗晶区组织及力学性能的研究试验中，结果表明：影响该区域冲击韧性的主要因素是M-A岛状组织的形态而不是其数量。

5. 结语

对于高强钢焊接接头组织复杂，热影响区易于形成组织粗大等问题，如何改善或控制高强钢焊接接头的组织与性能仍是重点与难点。

高强钢的熔合区与粗晶区是焊接接头性能最薄弱环节，其韧性往往低于母材，并具有明显的脆性倾向，如何提高该区域的综合性能是今后高强钢焊接研究的一个重点方向。

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