45钢焊接接头组织与性能分析_代雪佳
Hot Working Technology 2014, Vol.43,No.3
45钢焊接接头组织与性能分析
代雪佳1,凌泽民1,刘明翔1,冷林霞2
(1.重庆大学材料科学与工程学院,重庆4000442;2. 重庆大学国家重点传动实验室,重庆400044)
摘
要:通过金相观察和硬度测试实验,研究了45钢在不同焊接电流下焊接接头的组织、性能变化规律,并分析了
t 8/5对焊接接头组织和性能的影响。结果表明:焊接接头中焊缝处金属的硬度最大;随着t 8/5的减小,45钢在淬火区产生
更多的脆硬马氏体,导致焊接接头硬度增大;增大t 8/5,可以减少或避免淬火组织的产生,改善钢的焊接性能。
关键词:45钢;TIG ;焊接接头;热循环曲线;t 8/5中图分类号:TG457.11
文献标识码:A
文章编号:1001-3814(2014)03-0184-02
Analysis on Microstructure and Properties of 45Steel Welded Joints
DAI Xuejia 1, LING Zemin 1, LIU Mingxiang 1, LENG Linxiang 2
(1.School of Material Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 2. State Key Laboratory of Transmission, Chongqing University, Chongqing 400044, China)
Abstract :The microstructure and properties of the welded joint of 42CrMo steel was analyzed at different levels of welding current. The impact of t 8/5on the microstructure and properties of the welded joint was also studied. The results show that the microhardness of the weld metals is much higher than that of welded joint. With t 8/5decreasing, more brittle martensite is produced in the quenching zone of 45steel, resulting in the increase of the hardness of welded joints. It is possible to reduce or avoid the generation of the quenched structure by increasing t 8/5, thus improving the properties of the steel.
Key words :45steel; TIG; welded joint; thermal cycling curve; t 8/5
45钢为优质碳素结构用钢,含碳量为0.42%~0.50%,属于中碳钢。根据国际焊接学会推荐的碳当
量计算公式可计算求得45钢的碳当量为0.72%[1]。当碳当量大于0.4%时,母材具有较大的淬硬倾向,冷裂敏感性较高,焊接性较差。其焊接的主要困难在于焊缝及焊接热影区(HAZ)易产生低塑性的淬硬组织,导致冷裂纹。如焊件刚度较大,焊条选用不当时,就容易产生冷裂纹。冷裂纹多产生在近缝区的母材上,有时也出现在焊缝处。冷裂纹产生的主要原因是冷却速度太快,焊缝含氢量偏高和存在较大的应力[2]。
焊接接头是由力学和冶金性能非均质材料构成,接头HAZ 中的熔合区和过热区在焊后冷却过程中出现过热组织,其晶粒粗大,化学成分和组织性能都不均匀,极大降低了焊接接头的塑性和韧性。而且,焊接接头还在焊接残余应力直接作用下,一般在接头内部起裂,然后偏向母材并在其中扩展,焊接接头在整个焊接结构中属于薄弱环节[3]。因此,提高
收稿日期:2013-07-04
作者简介:代雪佳(1989-), 女, 河南永城人, 硕士, 主要从事金属材料焊接
数值模拟研究; 电话:[1**********];
优质碳素钢焊接结构的力学性能是当前军事工业、航空航天、石油化工、交通运输、机械制造等许多工业生产和实际应用中急需解决的关键问题[4]。
1试验材料与设备
试验材料为准100mm ×10mm 的45钢,其显微组织如图1,为铁素体和珠光体。采用TIG 重熔母材的方法,试验研究45钢在不同的焊接电流下焊接接头组织性能的变化规律。
50μm
图1母材金相
Fig.1The microstructure of base metal
采用TIG 重熔工艺可以排除填充金属对焊缝的影响,同时使得母材经历了一次焊接热循环。对于既定的母材金属,焊接接头的温度梯度决定于焊接时的工艺条件。接头的不同部位所经历的热循环是
E-mail:[email protected]
不同的,受热的峰值温度不同,冷却速度也不同,这就必然导致焊接HAZ 内各部分的组织变化和性能变化也不同。因此,本次试验在用不同的焊接电流对母材进行焊接时对其HAZ 的热循环曲线进行了测定。测温时把镍铬-镍硅(K型) 热电偶的热接点焊在试件背面小孔的底部,热电偶的另一端接在AD 转换器上,进行数字采集和处理,通过AD 转换将热循环曲线直接输出在计算机上。
焊接方向为沿着圆形板母材半径由边缘向中心进行焊接,焊接工艺参数见表1。焊后采用电火花切割方法,从焊接板上跨3个区(焊缝、热影响区和母材) 垂直于焊缝的方向切取试样进行光学金相分析和硬度测试。
表1TIG 重熔母材焊接工艺参数
50μm
50μm
(a)试样1
(b)试样2
图3焊缝显微组织
Fig.3Microstructure of weld seam
比母材少的多。对比两图可以看出,试样1中的马氏体比试样2中的马氏体大,试样2中针状马氏体比试样1多,预计试样1的焊缝硬度比试样2的低。
图4是试样1、2熔合区的显微组织。可看出,熔合区组织主要为铁素体、屈氏体和少量残余奥氏体。并且试样1的铁素体较试样2多,预测试样1熔合区硬度应比试样2低。
(a)试样1
(b)试样2
Tab.1Welding parameters of TIG remelting base metal
试样试样1试样2
焊接电流
/A160130
电弧电压焊接速度
·/A/(mm s -1) 气体流量
·/(L min -1)
电源极性直流反接
直流反接
2424101020~2520~25
2试验结果及分析
2.145钢热循环曲线的测定结果
试验所测得的45钢HAZ 的热循环曲线如图
2。由图2知:焊接电流不同时,焊接接头的最高温度
不同,冷却过程中t 8/5不同。试样1焊接接头最高温度为2140℃,试样2焊接接头最高温度为1780℃。在冷却过程中试样1的t 8/5为255ms ,试样2的t 8/5为120ms 。
20001500温度/℃
试样1试样2
100μm 100μm
图4熔合区显微组织
Fig.4The microstructure of fusion zone
过热区的温度范围是处在固相线以上到1100
℃左右,金属是处于过热的状态,奥氏体晶粒发生严
重的长大现象,冷却之后便得到粗大的组织。45钢属于易淬火钢,由于含碳量较高,冷却后形成粗大马氏体,或者形成马氏体和非马氏体的混合组织。至于过热区内到底形成什么样的过热组织,与钢材本身的化学成分,其中主要是含碳量或碳当量有关,还与决定冷却速度的具体焊接工艺条件有关。在连续冷却过程中,过冷奥氏体转变后的组织形态通常取决于800℃到500℃的冷却时间t 8/5。
图5为试样1、2过热区的显微组织。从图中观察分析知:试样1组织主要为屈氏体、铁素体和少量马氏体加残余奥氏体;试样2组织主要为屈氏体、马氏体和少量铁素体加残余奥氏体。预测试样1过热区的硬度比试样2的低。
10005000
[***********]006000
时间/s
图2不同焊接电流HAZ 热循环曲线0
Fig.2Thermal cycling curves of HAZ at different levels of
welding current
2.2金相组织观察
电火花切割试样经磨光与抛光后,使用20%硝酸酒精溶液浸蚀,釆用金相显微镜观察其微观组织。图3为试样1、2焊缝区的显微组织。可看出,焊缝组织和母材一样都为铁素体和珠光体,但铁素体的量
2.3硬度测试
不同HAZ 的硬度变化,反映了(下转第189页)
流15A ;脉冲峰值持续时间0.12s ,基值持续时间
表2产品实测数据
0.08s ;脉冲频率5Hz ;焊接速度60cm/min。
另外,在焊接过程中必须严格控制焊缝坡口间隙,间隙过大,容易将工装与工件焊在一起;间隙过小,不容易保证焊透。比较理想的坡口间隙在1~
序号
Tab.2Product data
理论值/mm实测值/mm
误差
国标A 级
1.5mm 左右。
3实际检测结果
20多件产品生产完成后,经热处理定型后检测,检测结果见表2。从表中数据看出,产品检测尺寸在国家标准GB/T19804-2005《焊接结构的一般尺寸公差和形位公差》A 级范围内。产品满足了设计使用要求。
[***********]890489545.[1**********]143R 340R 164915°直线度1890平面度[1**********].5544.3100.596.474.3678.5144R 341R 1651.514.9---2-1.5-0.90.50.40.3-1.5112.50.1°1.82±3±2±2±1±1±1±2±1±1±3±0.25±2±2
4结论
(1)通过合理的拆分零件和设计焊缝位置分型
解决了焊接问题,又解决了热处理变形问题。参考文献:
[1][2]
中国机械工程学会.焊接手册第2卷[M].北京:机械工业出版社,2003.
傅积和,孙玉林.焊接数据资料手册[M].北京:机械工业出版社,1993.
面,解决了复杂曲面展开下料问题。
(2)设计了组合式成型焊接工装,解决了普通工装无法取出的难题。
(3)设计了简易、经济的置换式热处理工装,既
(上接第185页)
(a)试样1
(b)试样2
缝各硬度值均为6次测量结果的平均值。
3结论
对比不同焊接电流下45钢的HAZ 热循环曲线,
并结合具体的焊接接头金相分析和硬度试验,对45钢焊接接头的组织和性能进行分析,得出以下结论:
100μm
100μm
(1)45钢碳当量较大,极易淬硬,焊接性差,需要采取相应措施才能达到工艺要求。
(2)通过对45钢焊接HAZ 的热循环曲线的测定和焊缝硬度的测试知,焊缝区金属的硬度最高。
(3)在焊后的冷却过程中,冷却时间t 8/5越小,
图5过热区显微组织
Fig.5The microstructure of overheated zone
不同金属组织性能。通常用硬度来判断热影响区的韧性、脆性和抗裂性等。
根据金属学理论[5]:热影响区的硬度随着含碳量和合金元素的增加而提高,随着t 8/5的减少而提高。焊接HAZ 的最高硬度值不超过350HV ,否则焊接性显著恶化,对于碳钢,当维氏硬度值超过350
HAZ 、熔合区、焊缝的硬度越高。
参考文献:
[1][2][3][4][5][6]
熊健,左舜贵,张春枝,等.20MnTiB 钢与调质45钢焊接工艺[J].焊接技术,2013,42(2):26-30.
中国机械工程学会焊接学会.焊接手册第2卷[M].北京:机械工业出版社,1993.
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崔忠圻,刘北兴.金属学与热处理原理[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2004.
HV 时标志着马氏体的出现[6]。
采用HVA-10A 小负荷维氏硬度计测试焊接接头的硬度,结果如表2所示。其中,HAZ 、熔合区、焊
表245钢焊接接头的硬度值(HV)
Tab.2The welded joints hardness of 45steel(HV)
试样试样1试样2
母材
HAZ 264335
熔合区焊缝
[***********]
Hiroshi lkawa .Effect of martensite-austenitc conslituent on HAZ toughness of a high strength steel [J].Trans. J. W. S. ,1980,11(2):87-90.