摘 要：用混合氣體保護焊實芯焊絲焊接50mm規格Q550D調質貝氏體高強鋼。采用斜Y裂紋敏感性試驗、焊接熱影響區最高硬度試驗對Q550D鋼板進行了冷裂敏感性研究。進行了對接接頭試驗、焊后520℃×2h消除應力處理，通過金相顯微鏡、拉伸試驗、硬度試驗、沖擊試驗等系統評價了Q550D的焊接工藝性。結果表明Q550D鋼板在4℃不預熱情況下焊接，淬硬傾向不明顯。50mm規格Q550D配套鑫宇焊絲GHS-70的預熱溫度為50℃即可避免冷裂紋的產生。焊接接頭性能良好，焊后520℃×2h消除應力熱處理對熱影響區和母材的性能沒有不利影響。
關鍵詞：Q550D調質貝氏體高強鋼板 焊接性 混合氣體保護焊 預熱溫度消除應力
0.引言
工程機械廣泛采用高效能液壓傳動，要求在自重增加不多的條件下大幅度的提高焊接結構的承載能力，這種情況下必須采用抗拉強度600MPa以上的高強度鋼或者超高強度鋼[1]。首鋼集團開發了屈服強度大于550MPa的低碳調質高強鋼-Q550D鋼，抗拉強度大于640MPa，采用控軋控冷＋離線調質工藝生產，母材組織為貝氏體，集高強度、高韌性和優異焊接性于一體，滿足GB/T 16270-2009《高強度結構用調質鋼板》標準要求，廣泛應用于工程機械和礦山機械。氣體保護焊是適合大批量生產的普遍的焊接方法，尤其是混合氣體保護焊具有生產效率高、焊接質量好、操作簡單靈活、焊縫韌性高等優點[2]。
目前，國內外有關采用混合氣體保護焊焊接Q550D鋼的研究并不多見，對其焊接接頭的性能也鮮見報道。為此作者采用混合氣體保護焊(80％Ar+20％CO2)對Q550D高強度鋼進行焊接，系統研究了Q550D鋼的焊接冷裂敏感性、焊接接頭綜合力學性能、焊后熱處理性能。以期為該鋼種的焊接性研究、合理匹配焊接材料和優化焊接工藝提供參考依據。
1.試樣制備與試驗方法
焊接母材取自批量生產厚度50mm的Q550D鋼板，母材原始組織為貝氏體（圖1）,其碳當量Ceq為0.437,裂紋敏感指數Pcm為0.18。選用直徑為1.2mm的鑫宇GHS-70實心焊絲進行焊接試驗,試驗材料的成分和力學性能分別見表1，表2。焊接設備為YD-500氣體保護焊機，采用80％Ar+20％CO2混合氣體保護。
2.2 Q550D鋼焊接接頭組織性能和焊后熱處理性能
2.2.1焊接接頭組織性能
焊縫組織為少量貝氏體＋針狀鐵素體＋塊狀鐵素體，粗晶區組織為粒狀貝氏體＋少量鐵素體，正火區組織為貝氏體，部分相變區為貝氏體。
拉伸性能試驗表明，接頭斷裂位置在母材，焊接接頭的強度σb＝685MPa。沖擊結果表明，焊縫中心的-20℃沖擊值為47J，熔合區稍高為165J，焊接熱影響區熔合線外1mm為156J。對比發現，焊縫中心沖擊韌性在經過了520℃×2h消除應力熱處理之后，較焊態有所下降，滿足鋼板標準要求。
硬度結果如圖4所示，熱處理態對比焊態下的硬度值，觀察發現，部分相變區在焊接熱影響下有硬度降低的現象，但不至于影響接頭的強度。
.結論
(1)調質高強鋼Q550D鋼板在4℃不預熱情況下用鑫宇GHS-70焊絲點焊或者焊接，焊接熱影響區最高硬度HVmax為234HV，淬硬傾向不明顯。50mm的Q550D鋼板在冬季焊接時，采用鑫宇GHS-70焊絲，預熱溫度在50℃就是安全的。
(2) 焊縫組織為少量貝氏體＋針狀鐵素體＋塊狀鐵素體，粗晶區組織為粒狀貝氏體＋少量鐵素體，正火區組織為貝氏體，部分相變區為貝氏體。經過520℃×2h消除應力處理后，焊接接頭焊縫中心韌性有所降低，硬度、組織、性能良好，滿足用戶的需求。
參考文獻
[1]鄒增大等.低合金調質高強度鋼焊接及工程應用[M].北京：化學工業出版社,2000.
[2]殷樹言.氣體保護焊工藝基礎[M].北京：機械工業出版社,2007.
[3]陳伯蠡.金屬焊接性基礎[M].北京:機械工業出版社,1982..
[4]張文鉞.焊接冶金學[M].北京：機械工業出版社,1999.
拉伸性能試驗表明，接頭斷裂位置在母材，焊接接頭的強度σb＝700MPa。沖擊結果表明，焊縫中心的-20℃沖擊值為64J，熔合區為147J，焊接熱影響區熔合線外1mm為115J，較母材有所降低。
2.2.2焊接接頭焊后熱處理性能
金相檢驗表明，在經過520℃×2h處理后，母材位置及焊接接頭各區域并沒有發生明顯的相變，焊縫組織為少量貝氏體＋針狀鐵素體＋塊狀鐵素體，粗晶區組織為粒狀貝氏體＋少量鐵素體，正火區組織為貝氏體，部分相變區為貝氏體。
焊接熱影響區最高硬度試驗依據JIS Z 3101-1990《焊接熱影響區最高硬度試驗方法》進行，焊接材料為鑫宇GHS-70實心焊絲。分別選擇了4、100℃預熱，焊接線能量為10.9～17 kJ/cm，焊接試驗12h后加工成最高硬度試樣。
斜Y裂紋敏感試驗依據ISO17642-2：2005 《金屬材料焊接的有損試驗.焊接的冷裂試驗.弧焊工藝.第2部分自拘束試驗》進行。采用GHS-70焊接拘束焊縫，焊接過程控制層間溫度低于180℃。GHS-70實芯焊絲進行試驗焊縫焊接，焊接線能量13～23 kJ/cm。焊后48h滲透著色檢驗表面裂紋，通過機械加工、拋光腐蝕檢驗斷面裂紋，將試樣經過250℃氧化發藍后，扭斷檢驗根部裂紋。
焊接工藝試驗鋼板為50mm厚，雙面對稱X型坡口，坡口角度60o,無鈍邊，試板尺寸460mm×600mm，焊接方向與軋鋼方向一致。用實心焊絲GHS-70焊接。預熱（50℃），層間溫度150～200℃。混合氣體壓力0.5 MPa，流量20 L/min，焊接電流240A、電壓24V、速度5mm/s。焊后520℃×2h消除應力處理，檢驗強度、沖擊韌性、冷彎性能。在距焊縫表面2mm處以焊縫中心為0點，向焊縫外側移動，每隔1mm測量硬度HV10。
焊接接頭沖擊試驗取樣位置為鋼板中心，用JBN-300B型沖擊試驗機檢驗接頭沖擊韌性；采用全厚度拉伸試樣，用WE-60型萬能材料試驗機檢驗接頭力學性能；金相試樣、裂紋試樣、硬度試樣取樣位置為全板厚，腐蝕劑為4％硝酸酒精，用LEXT3100型激光共焦顯微鏡檢驗金相組織和裂紋率， 用CV430-DAT型維氏硬度計檢驗接頭硬度。
2.試驗結果與分析
2.1 Q550D鋼焊接冷裂敏感性
最高硬度試驗結果表明，Q550D鋼板在4℃下點焊或者焊接，最高硬度HVmax為234HV，當預熱至100℃時最高硬度降為229HV。通常認為，鋼板的焊接熱影響區的最高硬度超過350 HV時，即有一定的冷裂紋傾向[3]。本試驗結果表明，Q550D鋼板的焊接熱影響區淬硬傾向不明顯。
裂紋率檢驗結果(表3)表明，50mm厚Q550D配套鑫宇GHS-70焊絲，在50℃、80℃、100℃下焊接，表面裂紋率為0、斷面裂紋率0、根部裂紋率為0；通常認為，斜Y裂紋敏感性試驗，裂紋率在20％以下就是安全的[4]，因而50mm的Q550D鋼板在冬季焊接時，采用GHS-70焊絲，預熱溫度在50℃就是安全的
