马清波，黄显峰，黄君辉，宋 菲

（1.齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司，黑龙江 齐齐哈尔 100036；2.大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028）

0 前言

Q345E低合金钢是我国铁路集装箱货车、焊接构架转向架钢结构的常用钢材，一般采用MAG焊焊接。对于厚板（板厚≥10 mm）长大钢结构，为提高效率和保证质量，经常采用埋弧焊进行焊接。在进行埋弧焊工艺评定时发现，其焊接热影响区的低温冲击性能较MAG焊下降明显，尤其是随着焊接热输入的增加，其焊接过热区的低温冲击性能降低更为明显。为确保产品的使用性能，有必要针对埋弧焊焊接热输入对Q345E低合金钢焊接接头性能的影响进行深入的工艺试验研究。

由于影响埋弧焊焊接热输入的工艺因素较多，如采用工艺评定方法进行试验研究，工作量太大。热模拟技术是指通过精确显示热加工过程中材料或部件的组织和性能变化来预测材料制备或热加工过程中的问题[2]。本文采用热模拟技术、显微组织分析技术、硬度试验和夏比冲击试验，对Q345E低合金钢在不同焊接热输入下过热区的组织和冲击性能进行研究，为获得合理的加工工艺提供理论指导和技术支持。

1 试验材料及方法

试验材料为Q345E低合金结构钢，热轧状态供货，其化学成分及力学性能分别如表1和表2所示。

表1 Q345E的化学成分 %Table 1 Chemical composition of Q345E materials

表2 Q345E的力学性能Table 2 Mechanical properties of Q345E materials

热模拟焊接试验在Gleeble3800热模拟试验机上完成，设定峰值温度为1350℃，加热速度为130℃/s，模拟热输入分别为1.35kJ/mm、1.75kJ/mm、2.23kJ/mm、2.68 kJ/mm、3.06 kJ/mm，热模拟试样尺寸为11 mm×11 mm×100 mm。热模拟试验后，对试件进行研磨、抛光，选用4%硝酸酒精溶液腐蚀试样，并在金相显微镜下观察其显微组织。根据GB/T4340.1-2009《金属材料维氏硬度试验》，利用HV-50A型显微维氏硬度仪测量不同焊接热输入下的维氏硬度分布，显微硬度仪的参数设置为：载荷5 kgf（1.96 N），保持时间15 s，步长200 μm。对Q345E低合金钢进行-40℃冲击试验。试件的缺口位置开在过热区。试验参照GB/T 2650-2008《焊接接头冲击试验方法》在JB-300B300/150型冲击试验机上进行，试件尺寸10mm×10 mm×55 mm。利用JSM-6360LV型扫描电子显微镜观察冲击试验后的断口形貌。

2 试验结果及分析

2.1 金相组织

不同焊接热输入下Q345E低合金钢的显微组织如图1所示。室温下母材基体组织为带状分布的铁素体和不规则珠光体。由图1可知，当焊接热输入为1.35 kJ/mm时，显微组织为先共析铁素体+珠光体以及少量板条马氏体。出现板条马氏体可能与热模拟时高温停留时间较短有关。当焊接热输入为1.75 kJ/mm时，组织为个别部位细片状先共析铁素体沿晶界分布，晶内有粒状贝氏体和少量马氏体。当焊接热输入为2.23 kJ/mm时，显微组织主要为珠光体+少量马氏体，个别晶界有先共析铁素体。当焊接热输入为2.68 kJ/mm时，显微组织为少量先共析铁素体沿晶界分布，晶内有珠光体和针状铁素体，此时韧性最佳。当焊接热输入达到3.06 kJ/mm时，显微组织为针状铁素体并出现魏氏组织。焊接热输入大小对Q345E低合金钢热影响区的显微组织影响较大，高焊接热输入会使焊接热影响区组织晶粒粗大，形成粗大的魏氏组织；低热输入会使焊接热影响区出现马氏体等淬硬组织[3-6]。

2.2 硬度试验结果及分析

不同焊接热输入下Q345E低合金钢的显微硬度如图2所示。可以看出，材料硬度与组织密切相关。当热输入由1.35 kJ/mm逐渐增加到2.23 kJ/mm时，硬度普遍较高且变化不明显。这是因为此时显微组织主要由先共析铁素体、马氏体和贝氏体组成，显微硬度相差不大，而马氏体高强度、高硬度的特点导致材料硬度普遍较高。当焊接热输入增大到2.68kJ/mm时，硬度下降较为明显，这是因为组织中出现了针状铁素体，其显微硬度低于之前的显微组织。当焊接热输入为3.06 kJ/mm时，硬度变化不再明显。

2.3 冲击试验结果及分析

不同焊接热输入下Q345E低合金钢粗晶区的冲击功如图3所示。Q345E的低温冲击功呈降低趋势，在热输入2.68 kJ/mm时出现上升，冲击功达到83 J。分析可知，冲击性能的变化与组织密切相关，在热输入较低时组织主要由珠光体以及部分马氏体组成，板条马氏体不仅具有高强度和高硬度，还具有相当高的塑性和韧性，因此冲击性能较好。随着热输入的增加，组织逐渐转变为贝氏体，冲击韧性有所下降，但是当热输入达到2.68 kJ/mm时，显微组织中出现针状铁素体，其有效晶粒尺寸，尺寸参差不齐，彼此交叉分布，其间具有大角度晶界，这种组织特征使得低碳钢具有连续的屈服行为[7]。而针状铁素体的冲击性能较好，因此冲击性能显著升高。当热输入达到3.06 kJ/mm时，魏氏组织的出现导致冲击性能下降。

图1 不同焊接热输入下Q345E低合金钢显微组织Fig.1 Microstructure of Q345E lowalloy steel with different welding heat input

图2 不同焊接热输入下Q345E低合金钢的显微硬度Fig.2 Microhardness of Q345E low alloy steel under different welding heat input

图3 不同焊接热输入下Q345E低合金钢热影响粗晶区的冲击韧性Fig.3 Impact toughness of heat affected coarse grain zone in Q345E low alloy steel with different heat input

2.4 冲击断口形貌

不同焊接热输入下Q345E低合金钢粗晶区扫描断口如图4所示。

图4 不同焊接热输入下Q345E低合金钢热影响粗晶区扫描断口Fig.4 Q345E low alloy steel under different welding heat input heat affected coarse grain area scanning fracture

当焊接热输入为2.68 kJ/mm时，试样冲击断口表面出现韧窝，为韧性断裂；其他焊接热输入试样发生穿晶断裂，断口表面上的韧窝全部消失，被河流状或扇形的解理小平面代替并有撕裂棱和伴随有二次裂纹，断口形貌为明显的解理断裂，冲击性能较差。断口形貌与试样的冲击性能吻合较好。

3 结论

（1）随着焊接热输入的增加，过热区组织由先共析铁素体＋珠光体及部分马氏体逐渐转变为粒状贝氏体和针状铁素体组织，当焊接热输入达到3.06 kJ/mm时，出现少量魏氏组织。

（2）随着焊接热输入的增加，试件的显微硬度逐渐降低。当焊接热输入为1.35 kJ/mm时，显微组织中有少量板条马氏体，硬度最大。当热输入为2.68 kJ/mm时，硬度下降较为明显，主要原因是此时显微组织主要为针状铁素。

（3）随着焊接热输入的增加，冲击功整体呈下降趋势，但在焊接热输入为2.68 kJ/mm时出现上升，此时显微组织为针状铁素体，冲击功最大；断口形貌为韧窝，冲击功达到83 J。当焊接热输入达到3.06 kJ/mm时，由于显微组织中出现少量魏氏组织，冲击功最低。