16MnDR與ZG20SiMn鑄鋼焊接接頭的微觀組織與低溫性能

崔 琦，包曄峰，張國偉，楊 可

(1.洛陽理工學院 機電學院，河南 洛陽 471023，2.河海大學 機電學院，江蘇 常州 213002)

16MnDR與ZG20SiMn鑄鋼焊接接頭的微觀組織與低溫性能

崔 琦1，包曄峰2，張國偉2，楊 可2

(1.洛陽理工學院 機電學院，河南 洛陽 471023，2.河海大學 機電學院，江蘇 常州 213002)

采用藥芯焊絲氣保焊方法焊接了壓力容器用低溫鋼16MnDR和塑性、低溫沖擊韌性良好的ZG20SiMn鑄鋼。試驗了焊接接頭的低溫拉伸、彎曲和沖擊性能，結果為：焊縫和ZG20SiMn鑄鋼的低溫強度都大于16MnDR，-40℃拉伸試驗都斷于16MnDR母材；-40℃側彎試驗彎曲角為90°時，在ZG20SiMn鑄鋼側出現了大于3mm的裂縫；-40℃焊縫、16MnDR側和ZG20SiMn側熱影響區的沖擊值都大于標準要求的34 J，-50℃時ZG20SiMn側熱影響區的沖擊韌性已不足。焊縫金屬中C、Si和Mn含量合適，并含有對提高低溫性能有益的Ni和微量V，微觀組織細小，有大量針狀鐵素體，故焊縫區域有很好的低溫塑性和韌性。ZG20SiMn過熱區的組織以貝氏體為主，有細小的縮松缺陷，故有較高的強度，彎曲試驗在ZG20SiMn側出現裂紋。

16MnDR；ZG20SiMn焊接接頭；低溫性能

0 前言

16MnDR在主要強化元素Mn、Si的基礎上，通過添加微量合金元素Ni、Nb和V，采用高純潔度鋼的冶煉方法，優化的熱處理工藝，得到的一高韌性鋼種，其最低工作溫度可達-40℃[1]，是我國開發的一種壓力容器用低溫鋼。16MnDR逐步在壓力容器、化工設備、車輛等行業得到了推廣應用[2]。ZG20SiMn鑄鋼具有較高的強度、良好的塑性和低溫沖擊韌性，廣泛應用于水壓機立柱、橫梁，水輪機葉輪與導桿、鐵道車輛轉向架的側架與搖枕等零件[3-4]。鑄焊聯合工藝是節約原材料、提高生產效率的有效方法，開展鑄鋼與鋼板的焊接工藝和接頭性能研究是鑄焊聯合工藝能否成功應用的前提。在此選用藥芯焊絲氣保焊方法進行了16MnDR與ZG20SiMn鑄鋼的焊接，根據接頭的實際服役情況，試驗分析了焊接接頭的低溫拉伸、低溫彎曲和低溫沖擊性能以及微觀組織。

1 試驗材料與方法

試板材料為16MnDR和ZG20SiMn，尺寸340mm× 100 mm×12 mm，開60°V型坡口，鈍邊留2.5 mm，組對間隙1.0～1.5 mm。焊材為TWE-711Ni藥芯焊絲，焊絲和熔敷金屬的化學成分如表1示，焊絲直徑為φ 1.2mm。采用氣體保護焊方法，直流反接，保護氣體φ(Ar)80%+φ(CO2)20%，層間溫度小于等于100℃，為保證焊接過程的穩定，采用Motoman UP6機器人施焊，焊接工藝參數如表2所示。

表1 TWE-711Ni焊絲和熔敷金屬的化學成分Tab.1 Composition of the wire of TWE-711Ni and its deposition metal %

表216 MnDR和ZG20SiMn試板焊接工藝參數Tab.2 Parameters used for welding samples of 16MnDR and ZG20SiMn

16MnDR和ZG20SiMn的焊接試板按照國標“焊接接頭力學性能試驗取樣方法”(GB2649-89)規定的方法取樣，按“焊接接頭沖擊試驗方法”(GB2050-89)“焊接接頭拉伸試驗方法”(GB2651-89)“焊接接頭彎曲及壓扁試驗方法”(GB2654-89)分別制備沖擊、拉伸、側彎試樣，并按照上列標準在-40℃低溫下進行拉伸和彎曲試驗，在-40℃和-50℃低溫下進行焊縫金屬和熱影響區沖擊試驗。

16MnDR和ZG20SiMn的焊接接頭經切割、平磨、拋光、4%硝酸酒精腐蝕，然后在NEPHOT-21顯微鏡上觀察微觀組織。

2 試驗結果與分析

表316 MnDR與ZG20SiMn焊接接頭低溫拉伸性能(-40℃)Tab.3 Tensile test results of 16MnDR and ZG20SiMn welding joint at-40℃

表4 16MnDR與ZG20SiMn焊接接頭低溫側彎曲性能(-40℃)Tab.4 Side bent test results of 16MnDR and ZG20SiMn welding joint at-40℃

16MnDR和ZG20SiMn的焊接接頭-40℃低溫拉伸試驗結果見表3，-40℃低溫彎曲試驗結果見表4，焊縫金屬和熱影響區-40℃和-50℃低溫沖擊試驗結果見表5。圖1、圖2分別為16MnDR和ZG20SiMn母材金相照片，圖3～圖6分別為焊縫頂層、根部、ZG20SiMn側過熱區和16MnDR側過熱區的金相照片。

由表3可見，拉伸試樣斷裂位置位于16MnDR側母材，說明在-40℃試驗條件下，焊縫和ZG20SiMn母材強度高于16MnDR母材，拉伸試驗時大部分的塑性變形在16MnDR母材上出現，造成在焊縫區以外的頸縮和破壞。低溫(-40℃)側彎試驗結果為：所有試樣彎角達到90°后，彎曲凸面焊縫上沒有出現開裂，而ZG20SiMn側上出現了大于3 mm的裂紋，其原因是ZG20SiMn鑄鋼件試板中存在縮孔和疏松等缺陷，這些缺陷在彎曲試驗的拉應力作用下，因應力集中而導致開裂，嚴重時發生斷裂。彎曲試驗焊縫上沒有出現裂紋，說明焊縫塑性較好，沒有尺寸較大的非金屬夾雜。-40℃和-50℃焊縫區的沖擊試驗平均值分別為79J和47.7J，都大于標準要求的34 J；-40℃熱影響區沖擊試驗16MnDR側和ZG20SiMn側的平均值分別為58.7J和34J，達到了標準要求的34J；-50℃熱影響區沖擊試驗16MnDR側和ZG20SiMn側的平均值分別為47.7 J和25.3 J，ZG20SiMn側的沖擊功沒有達到標準要求值。試驗結果表明16MnDR與ZG20SiMn的焊接接頭可在-40℃時服役，但-50℃時韌性已不足。

表516 MnDR與ZG20SiMn焊接接頭橫向低溫沖擊性能Tab.5 Impact test results of 16MnDR and ZG20SiMn welding joint

圖1為16MnDR母材的金相照片，組織為鐵素體和珠光體，珠光體以帶狀結構分布。圖2為ZG20SiMn母材的金相照片，組織為鐵素體、珠光體和少量貝氏體。圖3為頂層焊縫的金相照片，組織為先共析鐵素體、針狀鐵素體和少量粒狀貝氏體。圖4為根部焊縫的金相照片，組織仍為先共析鐵素體、針狀鐵素體和少量粒狀貝氏體，但晶粒形態與圖3相比有了較大的變化，圖4中的先共析鐵素體晶粒很小，已不是圖3中的大塊狀了，圖4中針狀鐵素體晶粒比圖3中的小。圖5為ZG20SiMn側熱影響區過熱區的金相照片，組織為貝氏體和少量鐵素體，還能看到一些縮松，這正是彎曲試驗時，在ZG20SiMn側出現裂紋的原因。圖6為16MnDR側熱影響區過熱區的金相照片，組織為鐵素體和粒狀貝氏體?；瘜W成分與受熱經歷是造成焊接接頭不同位置的組織產生差異的根本原因，頂層焊縫為最后一道焊縫，焊后隨即自然冷卻，沒有經歷其他熱過程，冷卻速度快，溫度梯度大，先共析鐵素體沿原奧氏體析出，保留了柱狀晶的特征，原奧氏體晶內生成的針狀鐵素體細小。根部焊縫最先施焊，其后又焊了4道，這4道焊接的熱過程對根部焊縫也有影響，使得原奧氏晶界的塊狀先共析鐵素體分解后再結晶，晶粒變小，柱狀晶邊界變模糊，而原來晶內細小的針狀鐵素體在多次受熱后有所長大。

化學成分、組織形態和種類決定了材料的性能。由圖3、圖4可見，無論是頂層焊縫、還是根部焊縫，其微觀組織中都存在大量的細針狀鐵素，少量小顆粒的粒狀貝氏體。針狀鐵素體存在于原奧氏體晶粒內部，晶粒位向以大角度分布，可以向任何方向生長，故其強度高，塑韌性較好，在各類鐵素體中性能最好，焊縫組織中希望得到針狀鐵素體，這種組織形態有利于焊接接頭的低溫力學性能，尤其是低溫沖擊韌性[5]。另一方面，試板采用藥芯焊絲施焊，藥劑氧化較強，焊接過程中，焊絲鋼皮中的部分C因氧化而燒損，故其焊縫熔敷金屬中的C含量比焊絲金屬中的少。碳是擴大γ相區的元素，研究認為適當降低碳含量可抑制焊縫中碳化物的大量析出，有利于改善凝固一次結晶組織。Mn和Si是低碳低合金鋼的主要強化元素，Mn和Si同時存在時，可作為脫氧劑，對焊縫組織和性能都有重大影響，研究表明隨Mn、Si含量增加，可逐漸降低連續冷卻時的相變溫度、組織細化。當w(Si)＝0.1%～0.5%和w(Mn)＝0.8%～1.5%時，焊縫組織可得到中等粒度的先共析鐵素體和晶內細針狀鐵素體，是期望的焊縫組織，可獲得最佳韌性[6-7]。本試驗焊縫熔敷金屬中w(Mn)＝1.23%，w(Si)＝0.41%(見表1)都在較合理的范圍內，而且含有提高低溫韌性的Ni(0.48%)和微量的V，Ni是弱合金元素，其作用與Mn相似，但較Mn的作用弱。在焊縫金屬的整個冷卻速度范圍內，Ni都可以使相變溫度降低，使側板條鐵素體開始轉變溫度降低的程度明顯大于針狀鐵素體開始轉變溫度的降低，有Mn存在時，Ni的這種效果有利于針狀鐵素體形成。V有細化晶粒的作用。因此焊縫的低溫沖擊韌性比焊接熱影響區的好。

3 結論

(1)采用TWE-711Ni藥芯焊絲φ(Ar)80%+φ(CO2) 20%氣保焊方法焊接了16MnDR和ZG20SiMn鑄鋼試樣，所用規范為焊接電流190～290 A，焊接電壓27～29 V，焊接速度400～450 mm／min。

(2)16MnDR與ZG20SiMn鑄鋼焊接接頭的低溫力學性能試驗結果為：-40℃拉伸試驗都斷于16MnDR母材；-40℃側彎試驗，彎曲90°時在ZG20SiMn鑄鋼出現大于3 mm的裂紋；-40℃焊縫、16MnDR側和ZG20SiMn側熱影響區的沖擊值都大于標準要求的34 J，-50℃時ZG20SiMn側熱影響區的沖擊韌性已不足。

(3)焊縫金屬中C、Si、Mn含量合適，并含有對提高低溫性能有益的Ni和微量V。焊縫的微觀組織細小，有大量針狀鐵素體，是16MnDR與ZG20SiMn鑄鋼焊接接頭具有優良低溫力學性能的原因之一。ZG20SiMn過熱區的組織以貝氏體為主，而且有細小的縮松缺陷，故其強度比16MnDR側熱影響區高，拉伸試驗斷于16MnDR側，而彎曲試驗在ZG20SiMn側出現裂紋。

[1]陳 曉，董漢雄.高韌性-40℃低溫鋼WHD1(16MnDR)的性能及應用[J].壓力容器，1998(2)：17-21.

[2]徐祖耀.低錳鋼的錳偏析[M].北京：冶金工業出版社，1979.

[3]龍喜寶.O′ZBEKISTON型機車輪芯低溫材料的試驗開發[J].電力機車與城軌車輛，2006，29(6)：32-33.

[4]孫 江，韓學翠，郭士正.ZG20SiMn焊接接頭裂紋擴展速率影響因素的分析[J].機械設計與制造，1997(4)：40-41.

[5]Wang G Z，Wang J G，Chen J H.Effects of geometry of notched specimens on the local cleavage fracture stress σ f of C-Mn steel[J].Engineering Fracture Mechanics，2003(70)：2499-2512.

[6]Santos D B，Bruzszek R K，Rodrigue P C M，et al.Formation of ultra-fine ferrite microstructure in warm rolled and annealed C-Mn steel[J].Materials Science and Engineering 2003，A346：189-195.

[7]Roelof，Hattingha J，Gert Pienaar.Weld HAZ embrittlement of Nb containing C-Mn steels[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping，1998(75)：661-677.

Micro-structure and cryogenic mechanical properties for welding joint of 16MnDR steel and ZG20SiMn cast steel

CUI Qi1，BAO Ye-feng2，ZHANG Guo-wei2，YANG Ke2
(1.Dep.of Mechanical and Electrical，Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyan 471023，China；2.School of Mechanic and Electric Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China)

Welding joint of 16MnDR steel，one kind of cryogenic steels and ZG20SiMn cast steel which owns perfect cryogenic plasticity and toughness property was prepared by gas shielded metal arc welding with flux-cored wire.Tensile test，bend test and impact test of the joints were carried out at low temperature.The result showed that all of the tensile samples tested at-40℃were broken at the side of 16MnDR base metal，which meant that the strength of 16MnDR steel was lower than the weldmetal and the ZG20SiMn；Cracks longer than 3 mm were observed at the side of ZG20SiMn when side bent tests at-40℃ were carried to 90° angles.The values of impact tests at-40℃either located at weldmetal or located at HAZs of 16MnDR and ZG20SiMn were larger than 34 J，required by the code.While the impact values at heat affect zone(HAZ)of ZG20SiMn at-50℃were lower than the code required.With OM and chemical composition analysis，it showed that there were suitable contents of C，Si，Mn，Ni and micro V，and the microstructure of weldmetal was fined，so that the cryogenic mechanical properties were improved.The microstructure of over heated zone in ZG20SiMn HAZ was Bainite and shrinkage porosity was found，caused to high tensile strength of ZG20SiMn and easy to crack when be bent.

16MnDR；ZG20SiMn；Welding joint；cryogenic property

TG407

B

1001-2303(2010)01-0075-05

2009-11-30

崔 琦(1968—)，男，河南澠池人，高級工程師，碩士，主要從事自動焊接設備、焊接工藝方面研究工作。