低碳钢16MnR的焊接接头组织类型及性能分析

16MnR钢焊接接头组织类型及性能分析
关键词：l6Mn钢；焊接接头；显徽组织
内容提要：采用直流正接埋弧自动焊法，对60 m m厚16MnR钢板实施焊接，焊接电流为450 A，焊接速度为140mm /min。

观察和分析了焊接接头金相组织，测量了焊接接头表面的显微硬度。

结果表明，在本文的焊接实验条件下，焊缝外观平整、组织均匀，在焊缝的热影响区显微硬度达到最大，硬度最低的区域为母材，焊缝质量可以满足使用要求。

钢板在焊接时，随着钢板厚度的增加，焊接道次也会随之增加，因而会对热影响区的组织与性能产生很大的影响。

16Mn钢是一种应用较广的工程材料，在压力容器、石油储罐和油气管道等领域均有广泛应用。

目前已对该材料开展了许多试验研究，得到了一定厚度范围下该材料焊接接头组织与性能的关系，但对厚度大于等于6 0 mm 钢板的焊接接头组织与性能的研究比较少。

因而有必要对其组织和性能进行研究，以确保其优良的综合性能。

特厚板对接焊时，由于焊接道次较多，各焊接道次将相互产生影响。

加之由于焊接时间较长、焊接温度较高，形成的焊接热影响区较大，对母材晶粒的再结晶产生很大的影响，尤其在厚度方向出现了不同形态的晶粒组织。

因此，本文研究了在一定焊接工艺条件下，特厚板16MnR钢焊接接头的组织及性能，以期对特厚板l 6MnR钢的焊接提供试验依据。

1 试验材料与方法
1·1 试验用母材
试验用母材为热轧状态的l6MnR钢板，2块钢板的尺寸( 长×宽×高 )均为 l000 mm × 400 mm×60 m，其化学成分见表1。

表 1 试验材料的化学成分( 质量分数，％)
C Mn Si S P Fe
≤0.2 1.20-1.60 0.2.-0.55 ≤0.030 ≤0.035 余量
1 ．
2 试验用焊接材料
试验选用与母材成分相接近的H1OMn2焊丝，以防止由于焊缝处成分的改变使得焊缝硬度变高，从而引起焊缝韧性、塑性及接头抗裂性能的降低。

1 ．3 焊接工艺的制定
采用易操作、效率高的埋弧焊时，能够得到组织致密、性能良好、焊缝外形美观的焊接接头。

由于埋弧自动焊可用焊剂保护，对熔化金属和冶金处理保护效果良好，特别适合于厚度较大材料的焊接。

试验采用直流正接法埋弧焊。

焊接工艺参数见表 2 。

表 2 焊接工艺参数
电弧电压焊接电流焊接速度焊丝直径坡口角度喷嘴直径28-31V 450-500A 140mm/min 4mm 60°4mm
1 ．4 检测方法
采用 ZEISS光学显微镜观察焊接接头的金相组织，采用LEICA显微硬度计测定焊接接头的显微硬度。

2 试验结果及分析
对焊接接头的不同部位进行取样，取样区域如图1所示，编号 l 一 7。

2 ．1 试验母材的显微组织
对16MnR钢母材进行显微组织观察，其结果如图2所示。

图2为样品区域①位置的金相组织。

由图2可以看出，热轧状态下的l6MnR 钢为典型的铁索体 + 珠光体的带状组织。

这种带状组织是在热加工时沿着变形方向形成的。

由于l6MnR钢含碳量较低，因此珠光体较少，铁素体量较多。

2 ．2 焊缝组织分析
对采用上述焊接工艺焊接的l6MnR钢焊接接头进行宏观观察，焊接接头的外观没有裂纹、咬边、下塌等缺陷，焊缝纹路整齐，外观平整。

图3 是焊缝的显微组织。

图 3 ( a ) 为样品区域②位置( 焊缝区的上部 ) 的金相组织。

从图 3 ( a ) 可以看出，该部分焊缝组织由白色块状铁素体和黑灰色珠光体组织组成，同时还有针状铁索体和少量的魏氏组织。

针状铁索体一般都是在晶内生成，相变时几乎全部生成针状铁素体组织。

由于此处为焊缝的最后几道，转变温度较高，冷却速度较大和反复受热，焊缝内针状铁索体比较粗大。

此时，针状铁素体( A F ) 可以改善原始焊缝的低温冲击韧性，它属于贝氏体范围的组织。

焊缝针状铁素体越细小密集，其冲击韧性愈好。

在本实验中，所选用的焊丝和焊剂均含有很多的微量元素，可以抑制高温奥氏体晶粒长大，因此促进了针状铁索体的形成。

图3 ( b ) 为样品区域③位置 ( 焊缝的下部) 的金相组织。

由图 3 ( b )
可以看出，该部分焊缝组织由白色块状先共析铁素体和少量黑灰色珠光体组织组成。

在过冷奥氏体连续冷却过程中，奥氏体晶界是高能区，初生的铁素体优先在晶界生成，随着碳的扩散，铁素体在奥氏体晶界逐渐长大，碳原子将向奥氏体晶内扩散，焊缝组织随焊接冷却时间的加长而变得粗大，沿奥氏体晶界析出的先共析铁素体量增多。

在先共析铁索体大量析出后，先共析铁素体长大成多边形块状组织，剩余奥氏体转变为珠光体组织。

由图 3 ( a ) 和图 3 ( b )对比可以看出，由于该试验采用了多层多道焊方法，互相重叠的焊道相互产生影响，后一道焊接对前一道焊接有一个再加热作用。

由于再加热的作用，把原来焊缝中的一次组织重新加热、冷却，发生相变，组织细化。

可以明显看出图 3 ( a ) 组织属于后几道焊接，组织较为粗大，图3 ( b ) 属于前几道焊接，组织较为均匀细小。

2 ．
3 熔合区组织分析
图 4 ( a )为样品区域④位置( 焊缝熔合区上部 )的金相组织。

左侧为靠近焊缝的组织，右侧为靠近母材的组织，由图 4 ( a ) 可以看出，在熔合区，母材粗晶区出现了针状的魏氏组织。

该区靠近焊缝过渡区域，并处于粗大的过热组织前沿。

在这个区域温度较高，可使局部晶粒熔化，所以也称为半熔化区。

该区域在化学成分和组织性能上有较大的不均匀性，冷却后的组织和过热组织非常接近。

图 4 ( b )为样品区域⑤位置( 焊缝熔合区下部)的金相组织。

左侧为靠近焊缝的组织，右侧为靠近母材的组织。

由图 4 ( b ) 可以看出，该部分的熔合区组织由细小的铁素体和珠光体组织组成，没有出现性能较差的魏氏组织。

对比图 4 ( a )和图 4 ( b )可以看出，图 4 ( b ) 中的组织更为细小和均匀。

这与该区域所处的焊道位置和受到的反复加热有关。

多层多道的焊接方法使得后一道焊接对前一道焊接产生了一个再加热作用，使原来焊缝中的一次组织得到细化。

2 ．4 粗晶区组织分析
图5为样品区域⑥位置( 热影响区) 的金相组织。

从图5可以看出，这是典型的焊接粗晶区组织。

先共析铁素体沿晶界分布，从晶界处伸展于晶体内的粗大铁素体片为魏氏组织铁素体( WF )，WF是较高温度下形成的一种片状产物，是在等轴铁素体形成温度之下，在贝氏体形成温度之上形成的，它的形成条件是冷却速度比较快，样品在区域⑥正好符合冷却速度较快的条件。

2 ．5 正火区组织分析
图6为样品区域⑦位置 ( 热影响区) 的金相组织。

从图 6可以看出，正火区组织是由均匀而细小的铁素体和珠光体组成。

当l6MnR钢加热到Ac3以上稍高的温度时，会发生重结晶，即铁素体和珠光体全部转变为奥氏体。

由于焊接加热速度较快，临界点Ac1，Ac3上升较多，组织全部奥氏体化，但奥氏体晶粒又未长大，并且在达到峰值温度后连续冷却实现完全重结晶，得到了均匀细小的铁素体和珠光体组织，这种组织相当于热处理时的正火组织。

由于具有比母材区的更细小均匀的组织，因此这个区域性能比较好，甚至超过母材的性能。

3 焊接区域的显微硬度
对焊接接头对称区域进行了显微硬度的测定。

本文测量了焊缝上表面的硬度，图 7显示的是测量位置以焊缝中心为坐标原点，以显微硬度数据为纵坐标的硬度变化曲线。

图 7显示了从焊缝一热影响区一母材区域显微硬度的变化情况，在焊缝和热影响区交界处，显微硬度达到峰值 ( 248 HV ) ，距熔合线距离增大，硬度值逐渐下降，最后达到母材的硬度 ( 164 HV )。

焊接热影响区的组织与硬度的变化存在着一定的联系。

熔合线外侧的粗晶区出现了硬度较高的针状魏氏组织，因此显微硬度也最高，并达到了显微硬度的峰值。

4 结论
( 1 ) 对于60mm厚的16MnR钢板，采用单边埋弧自动焊，直流正接法，当焊接电流为450 A，焊接速度为140mm/min时，能够获得组织均匀、显微硬度较为理想的焊接结构。

( 2 ) 对于特厚板的焊接，焊缝的下部位置和上部位置组织不同。

下部区域组织由于受到多次热循环的作用，组织比较细小，无缺陷组织，而焊缝上部的组织则较为复杂，也比较粗大。

( 3 ) 本文研究的特厚板16MnR钢，在焊缝与母材的交界处显微硬度达到最大值。

参考文献：
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