蔡养川，罗 震

（天津大学 材料科学与工程学院，天津300072）

高强钢焊条中Ni含量对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800 MPa高强钢焊条中Ni含量对焊缝组织和性能的影响。研究结果表明，当w（Ni）＜4.0%时，随着Ni含量的增加，焊缝金属强度和韧性逐渐升高；当w（Ni）＞4.0%时，随着Ni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（Ni）=4.0%时，可以有效地抑制先共析铁素体的析出，使焊缝获得大量细小、均匀的针状铁素体组织，从而提高了焊缝的强度和韧性。

焊接；Ni-Cr-Mo-V合金；Ni；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。

Ni是形成和稳定奥氏体的元素，Ni和Fe以互溶的形式存在于奥氏体和铁素体中，并使之强化，且Ni是唯一能降低冲击转变温度、提高低温冲击韧性的合金元素，它通过细化铁素体相晶粒改善钢在低温下的韧性[3-9]。Ni含量在一定范围变化时抑制先共析铁素体的产生，促进针状铁素体的形核，对韧性具有较大的促进作用[10]。

本研究利用自主开发的800 MPa高强钢焊条，通过试验研究Ni对高强钢焊条焊缝组织和力学性能的影响，确定Ni的最佳含量，为研制综合性能优良的先进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5.0mm。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，加工成直径5.0mm、长约450mm的焊条，再经低温80℃×2 h，中温150℃×1 h，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Ni粉含量逐渐增加，其他合金成分（Cr和Mo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号硅铁等矿物质混合物，其药皮成分配比见表1。

采用Newasia WS-630D焊机在Q235试样上实施堆焊，试样尺寸160mm×120mm×20mm。焊接电流160～240 A，电压20～25 V，焊接速度约180mm/min，连续堆焊10～15层，层间温度控制在250℃左右，堆焊厚度不小于15mm，制取试样。

表1 药皮中各成分的质量分数 %

1.2 显微组织及力学性能试验

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

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，因此明确合金元素Ni对熔敷金属组织的影响规律是非常必要的。不同Ni含量熔敷金属的组织结构如图1所示。

图1 不同Ni含量熔敷金属的组织结构

由图1可以看出，Ni含量较低时，熔敷金属组织中含有较多的先共析铁素体；当w（Ni）≤4.0%时，随着Ni含量的增加，熔敷金属中先共析铁素体含量逐渐减少，针状铁素体含量逐渐增多，且组织晶粒度也逐渐均匀细小；当w（Ni）＞4.0%时，随着Ni含量的增加，熔敷金属中针状铁素体含量逐渐减少，且出现少量先共析铁素体。主要是由于Ni是形成和稳定奥氏体的元素，可以抑制先共析铁素体的产生，促进针状铁素体的产生。

2.2 焊缝金属组织力学性能

不同Ni含量时各组熔敷金属力学性能见表2。熔敷金属力学性能与Ni含量关系曲线如图2所示。

图2 熔敷金属力学性能与Ni含量的关系曲线

由表2和图2可以看出，当w（Ni）＜4.0%时，随着Ni含量的增加，熔敷金属的强度和冲击韧性均逐渐增加；当w（Ni）＞4.0%时，随着Ni含量的增加，熔敷金属的强度逐渐增加，而冲击韧性逐渐降低。这主要是因为Ni是形成和稳定奥氏体的元素，Ni和Fe以互溶的形式存在于奥氏体和铁素体中，抑制先共析铁素体的产生，促进针状铁素体的产生。针状铁素体比较细小，取向自由，呈大角度晶界，具有较强的抗裂纹扩展能力；又因针状铁素体板条之间为大角度晶界，且含有高密度位错，微裂纹解理跨越针状铁素体要消耗较高的能量。这种组织不仅提高焊缝金属的强度，而且能都显著提高焊缝金属低温冲击韧性。

2.3 焊缝金属断口微观形貌

本研究通过拉伸试验和常温冲击试验获得4组试样抗拉强度、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组织。不同Ni含量时各组试样断口的微观形貌如图3所示。

由图3看出，当w（Ni）＜4.0%时，随着Ni含量增加，试样断口微观形貌中韧窝数量逐渐增多，尺寸变小，深度增加，分布更均匀；当w（Ni）＞4.0%时，随着Ni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（Ni）=4.0%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。这与上面分析熔敷金属的韧性与Ni含量的关系相似。

2.4 焊缝金属冷裂纹倾向

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，本研究从以下三个方面分析试样的裂纹倾向性。

2.4.1 扩散氢含量

不同Ni含量时各组试样焊缝金属中扩散氢的含量如图4所示。

由图4可以看出，虽然4组试样扩散氢含量有所差异，但差别不大，基本都在3.3 mL/100 g左右，且均满足超低氢的标准要求。

2.4.2 淬硬性

硬度是力学性能的重要指标，与金属的组织结构密切相关，硬度越高其脆性逐渐增大。

图3 不同Ni含量试样断口的微观形貌

图4 不同Ni含量焊缝金属中扩散氢的含量

不同Ni含量时各组试样焊缝金属的宏观硬度如图5所示。

图5 不同Ni含量焊缝金属的宏观硬度

由图5可以看出，随着焊缝金属中Ni含量的增加，焊缝金属宏观硬度逐渐增加。主要是因为熔敷金属中Ni含量的增加导致碳当量的增加，因此熔敷金属的硬度提高。

2.4.3 微观残余应变

对4组试样焊缝金属的显微组织进行XRD物相分析试验，结果如图6所示。

图6 4组试样焊缝金属的物相组成

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和Mo等，在焊接过程中形成一些微量相，但由于其含量太低，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。

不同Ni含量时焊缝组织中的点阵常数精确测量值见表3。

表3 不同Ni含量时焊缝组织的晶格畸变量

表3中(a-a0)/a0×100表示晶胞参数相对变化量，a0为α-Fe在25℃时晶胞参数（a0=2.866 4 A）。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和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组试样的试验结果可以发现，4组试样出现不同程度的晶胞参数增加的情况，即存在晶格正向应变，在这一范围内存在微观压应力。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宽度的变化（见图6）主要是由于微观应变的变化引起的。不同Ni含量时焊缝组织中的微观应变计算结果见表4。

表4 不同Ni含量时焊缝组织中的微观应变

表4的微观应变分析结果与表3的晶格畸变分析结果大体一致，即对不同Ni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，这种应变主要为正向的，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Ni含量的影响。

通过对试验用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发现，最优试验组A3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A3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（Ni）=4.0%时， 获得的焊条熔敷金属具有最优组织，主要为大量均匀、细小的针状铁素体组织。

（2）w（Ni）=4.0%时， 获得的焊条熔敷金属具有最优力学性能，屈服强度717 MPa，抗拉强度808 MPa，伸长率27%，断后收缩率74%，25℃冲击功117 J。

（3）最优组焊条（w（Ni）=4.0%）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 Nickel Element on Weld Microstructure and Mechanical Properties of High-strength Steel Electrode

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 nickel on weld microstructure and mechanical properties of 800 MPa high strength steel electrode.The results showed that whenw（Ni）＜4.0%,the weld metal strength and toughness gradually increased with the increase of the content of Ni;whenw（Ni）＞4.0%,the weld metal strength gradually increased and the toughness gradually decreased with the increase of Ni.It can effectively inhibit the precipitation of proeutectoid ferrite and make the weld obtain a large number of tiny and homogeneous acicular ferrite whenw（Ni）=4.0%,thus improved the weld metal strength and toughness.

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

TG422.1

A

1001－3938（2015）04-0005-06

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