《 热加工工艺》 2014 年 4 月 第 43 卷 第 7 期 一种新型气保护药芯焊丝低温韧性的研究 杜精卫 , 陈冰泉 , 汤 剑 , 李 磊 ,吕奎清 (1. 武汉理 工大学 华夏 学院机 电 系, 湖北 武 汉 430223; 2. 武汉铁锚焊接材料股份有限公司 , 湖北 武汉 430084) 一 摘要 : Y CJ590 是一种 自行研制的 、 熔 敷金 属抗 拉强度≥540 MPa 的 CO: 气保护药芯焊丝 。本 文通过 系列低 温冲 击试验研究了在 0 ~. 60 ℃范围内该焊丝熔敷金属韧性 的变化规律 。试验结果显示 , Y CJ590 是一种低温 韧性 非常好 的 高强度 焊丝 , 在 . 60 ℃其熔敷金属 的平均 冲击功仍可达 13l J , 而且 冲击功从 0 ℃到 一 60 ℃变化平缓 。金相分析表明 , 该 焊丝熔 敷金 属的组织 为针状铁素体 + 细珠光体 , 因而使其具有 良好 的强韧性 。 关键词 : Y CJ 590 气保 护药 芯焊 丝 ; 低温韧性 : 针状 铁索体 中囤分类号 : TG422. 3 文献标 识码 : A 文章编 号: 1001. 3814(2014)07. 0209. 03 R esear ch on L o w T em perature T oughness of New G as- shield ed F lux- c ore W ire D U J ingwei , C H E N B ingquan , T A N G J ian , L I L ei , L Y U K uiqing2 ( 1. Department of Mechanical and Electric E ngineering, Wuhan University of Technology Huaxia College, Wuhan 430223, China; 2. Wuha n T emo W elding Consumables Co. , Ltd. , Wuhan 430084, China) A bstract : Y C J 590 is C O2 g as-shie lded f l ux -core wir e , in which the tensile strength of deposited metal is higher than 540 M Pa.W ith the help of series low temperature impact tests, t h e change rule of tough n ess of the deposited metal wit h in 0--60 ~ C was studied. The results show t h at Y CJ 590 is a hi曲 streng t h wire which has good low temperature toughness. Its impact work still reache s 13 1J a t一 60 ℃ . and t h e impact wor k chang es smoothly from 0 ℃ to 一 60 ℃ . T he metallographic r e sults show t h a t the microstructure of deposited metal of t h e wir e is acicular ferrite and f i ne pearlite, SO a high st r eng t h and toughness can be obt a ined by deposited met a 1. K ey wor ds : Y C J 590 g as— shiel ded flux -cor e wir e; l ow temperature toug hness; aci cul ar ferri te 由于药芯焊丝具有适应性好 、 工艺性能好 、 质量 高 、 成本低等特点 , 使其适应 了焊接高要求的发展趋 势并得到越来越广泛的应用 。 Y CJ 590 是武汉某焊接材料生产厂家正在研制 的一种应用 于船体结构 焊接的 CO: 气保护药芯焊 丝 , 该焊丝可用于碳钢 、 低合金 高强钢 、 高强度淬火 回火钢等材料的焊接。 韧性是船体结构钢的重要性能 ,对于钢制海船 , 不仅要求焊缝金属与被焊的船体结构材料等强 . 还要 等韧性。在 Y CJ590 焊丝的研制过程中, 在保证熔敷 金属抗拉强度的条件下 。 重点研究了如何提高其韧性 及保证韧性的稳定性 , 以适应船舶在冲击载荷和高寒 水域运行的要求 。 本文将通过系列低温冲击试验等方 收 稿 日期 : 20 13-08. 14 基金项 目: 武汉理工 大学华 夏学院科研基金 资助项 目( 110171 作 者简介: 杜精]2(1989一), 男, 湖北荆州人, 学士, 研究方 向: Y CJ590 药芯 焊丝性能 通讯作者 : 陈冰泉( 1949一), 女, 天津人, 教授, 学士, 主要研究方 向: 焊接材 料 、 焊接工艺及焊接力学: 电话: 1303514445l: E·mail: chbq19492004@ 163. com 法研究 Y CJ 590 焊丝熔敷金属的低温韧性。 1试验材料 与方法 Y CJ 590 药芯焊丝熔敷金属抗拉强度 R ≥540 MPa , 渣系偏碱性 , 熔敷金属 的化学成分(质量分数, %) 为 : 0. 03C , 0. 25Si , 1. 0Mn , 0. 20Cr , 1. 14Ni, 0. 008S , 0. 0 18P 。 采用两块 300mmx l50mmx20 mm 的 Q235 钢 板对接 , I 形坡 口,间隙 161 TI 1 TI,衬 以 300mmxl 00 mi n x8mm 的 Q235 垫板 , 如图 1所示。 用 Y CJ590 焊 丝施 焊 ,将 I 型坡 口间隙填 满 。所用焊接设 备为 NB 一 500 气保护逆变焊机 ,焊接电流 220~ 240A , 电 弧 电压 24 V , CO2 流量 20 L/ min,焊 接 速度 4. 29 mnf f s, 焊接时刚性 固定 , 尽量减少角变形。焊好后用 刨床去除垫板 。 】 50 l 6 15 0 图 1 焊接试板尺寸 Fig . 1 S izes of w elding sample H ot W ork in g T echn ology 20 1 4 , V o l。 43 , N o . 7 参照 GBT 229— 2007( 金属材料夏 比摆锤冲击试 验方法》和 GBT 2650 2008 《 焊接接 头冲击试验 方 法》 ,采用线切割方法从熔敷金属试板 中切取 V 型 缺 口冲击试样 , 其 寸为 lOmmx lOmmx55mm。V 型缺 口存熔 敷金 属试 板 中的位 置 如 图 2 所 示 。 2 冲击试 样截取部位示意 图 F ig . 2 C ut po siti on o f im p act sam p les 用 JBS. 300 数显冲击试验机和 DWC一 60 型冲击 试验低温槽 (其最低试验温度为 . 60 o C ) 分别在 0、 一l0 、 . 20、 一 30、 一 40、 . 50 和 60℃进行冲击试验 。每个 试验温度下冲击 3 个试样 , 取平均值。 2试验 结果及 分析 冲击试验结果 金属具有优 良的韧性 . 即使是在 一 60 ℃仍可达到 l3l J 的较高的冲击功 表 1。可见 , Y CJ590 焊丝熔敷 表 1 Y C J 590 焊 丝 熔 敷 金 属 冲 击 试 验 结 果 T ab. 1 I mpact test results of Y C J 590 w ire deposited m etal 试验温度 / ℃ 0 1O . 20 . 30 — 40 — 50 — 60 A 门 2 18 2 l O 185 l 66 l 66 l 53 l 3l I 割3 是 Y CJ590 焊丝熔敷金属冲击功 随温度变 化的曲线 , 0℃到 一 6O℃的冲击功随着温度的下降而 平缓下降. 没有 }fI现明显的波动 , 表明该焊丝熔敷金 属 在 一 60 ℃时仍 处 于 韧性 状 态 。其 韧 脆性 转 变 温 度 肯定低于 . 60℃ 。 .’云2 萎 · 2 I 温 度 / ℃ 3 Y CJ 590 焊丝熔 敷金属 冲击功随温度变化 的曲线 Fi g l3 C hange of impact w ork s of Y C J5 90 w ire deposi ted metal w ith temperatures 图 4 是冲击试样断 口的宏观照片。 可见 , 其缺 口 根部有明显 的收缩塑性变形。尽管这种变形随冲击 时温度 的降低而减小 ,但是直到 . 60℃缺 口根部仍 有一定的塑性变形 , 仍处于一定的韧性状态 , 而不是 脆性的平齐状断口。以上从断口宏观形貌的角度进 (c) 一 20 ℃ (d)-30℃ (e)一 40℃ (f) 一 50℃ (g) ·60 ℃ 冈 4 Y CJ590 焊丝熔 敷金属 冲击试样 不 同温度下的断 口 宏观 形 貌 F ig . 4 F ract u re m acro — app earance o f im pact sam p les o f Y C J 59 0 w ire de posited meta l at dif f erent temperatures 一步说 明 Y CJ 590 焊丝熔敷金属具有 良好的低温冲 击 韧性 。 冲击试样缺 口根部是应力集 中处 ,是 冲击断裂 的启裂处。特别是靠近缺 口中部 的金属处于一种不 利 的应 力状 态 ,其 启 裂并扩 展所 消耗 的能 量 对整个 试样断裂所消耗的能量“贡献”最大。如果该处是以 韧性方式断裂 , 整个试样断裂时消耗的冲击功则大 , 反之亦然。因此用 S一 570 扫描电镜对冲击试样靠近 缺 口中部的断 口进行了观察. 观察部位见图 5。 冲击 试样 的缺【 J 墨■ L — -A 图 5 扫描 电镜 和金相显做镜观察部位永意冈 F ig . 5 O bserv in g p ositi on s for S E M an d m etal log raph ic m icro scop e 扫描电镜观察到不 同温度下的冲击断 口断裂机 制均 为韧窝 + 准解理 , 只是随着温度 的下降 , 韧 窝 的比例下降 、 准解理的比例增加。 韧窝断裂是一种吸 收能量高的延性断裂 . 往往起源于第二相质点 准解 理断 口由解理刻面和撕裂棱组成 ,其在品内硬质点 处 起 源后 , 沿解 理 面扩 展 (此 时 吸收能 量较 少 ) , 最后 以微观塑性聚合方式( 撕裂棱 )彼此连接。准解理是 种 过渡 的断 裂机 制 ,在某 种程 度上 反映 了解 理 裂 纹与已发生塑性变形的晶粒问相互作用的关系。图 6 是 一 60℃下 的冲击断口形貌 , 是韧窝 + 准解理混合 断口。在 . 60℃的断 口中仍存在较大比例的韧窝 , 从 微观断裂机制上说明熔敷金属材料具有 良好 的韧 性 此外断 口中的韧窝以及由撕裂棱包同起来的解 一2 10 《 热 加. 3 - - 工 艺》 2014 年 4 月 第 43 卷 第 7 期 罔 6 — 60 ℃ 冲击 断 门微 观 形 貌 F ig . 6 T he micro— appearance of impact fr acture a t 一 6 0 ~ C 理刻 面 区域 均 非常 小 , 尺 寸仅 在 几个 微 米 ( 图 6 ) , 说 明熔敷金属中可能存在大量用于细化晶粒的第二相 质点 , 闪而在力的作用下形成大量的微观启裂点 。 般 认 为冲 击时 冲击 功仪 为试 样缺 口附近 参加 变形 的体 积所 吸 收 .陔处 的组织 决 定 了启 裂时 消耗 的能 量大 小 。用 4X GE 型 金相 显微 镜对 冲击 断 口室 温组织进行分析 .以便进一步揭示形成高韧性的组 织 因素 将冲击试样断 口沿图 5 中的 A 。 A 剖 面切开 并将A . A 剖面制成金相试样,观察靠近试样缺 1 2 I根 部的组织 , 即与扫描电镜观察的部位基本相同( 见图 5 所示) 。 观察到的金相组织如罔 7, 低倍放大照片显 一图 7 Y C J 590 焊 丝熔 敷 金属 室 温 金 相 组 织 F ig . 7 M icrostructure of Y C J 59 0 w ire deposited meta l at room tem p em m re 示组织全貌为均匀的针状组织( 图 7 左 ) , 高倍放大 照 片可见 组织 中的细 节 ( 图 7 右 ) 。 根据 成分 及形 态判 断 . Y CJ590 焊 丝熔 敷金 属 的 组织是针状铁素体 + 少量细小的珠光体 。针状铁素 体是力学非平衡组织 ,它形核于奥氏体晶粒内部的 非金属夹杂物,这与前面对断 口形貌的分析非常吻 合。 由于针状铁素体组织为连锁结构, 能很好地阻止 裂纹 的扩 展 , 故 具 有很 好 的力学 性 能 , 特 别 是 韧性 。 研究表明 ,焊缝 中的针状铁素体对焊缝有强化和韧 化作用 .焊缝强韧性随针状铁素体含量的增加而增 加 ]。这就是 Y CJ 590 焊丝熔敷金属同时具有较高 强度和非常高的低温韧性的内在原因。 3 结论 ( 1) Y CJ590 是一 种熔敷 金属抗 拉强 度 R ≥ 540MPa 、 具有 良好低温韧性 的药芯焊丝 , 其在 一 60 ℃的冲击功仍可达到 13l J ,焊丝熔敷金属在 . 60℃ 时处 于 韧性 状态 。 (2) Y CJ 590 熔 敷 金 属 的 组 织 是 针状 铁 素 体 和 细小 的珠光体。 参 考文 献 : [1] 李爱玲 , 翟 阳, 阎澄 . 等. 针状铁索体形成机理 的探 讨[J ]. 甘 肃 丁业大学学报 , 1988 , 14(2) : 61— 69. 【 2] 宋凤 明, 李 自刚, 钱余海 . 等. 大线能量焊接用结 构钢的研究 进展[J ].热加 一 r 1 艺, 2006, 35(I9) : 69— 73. 【 3】 周巾喜 , 王锐 , 张晖 . 等.-7O℃用压 力容器钢焊接热影响 区组 织 与韧性研究[J] .热加 T T 艺, 2010 . 39( 15) : 141- 1 44. 郭振 , 温永红 , 胡水平 , 等. F40 高强船 板钢组织 中钊状铁 素 【 4】 体 形 成 及 细 化 机 制 研 究 [J ]. 热 加 T 丁艺 , 2008 . 37 (2) : 39. 41.田 ( 上接第 208 页 ) 化物 发生溶解 , 在弥散强化和相变 强化的共同作川下 。造成硬度比较高 ;大电流焊接 ( 100A ) , 焊缝热影响 I 的淬硬性 强 , 也会造成较高 的硬 度 4结论 ( 1) T I 22 钢 焊接 电流 为 90 ~ 100A 时 , 焊 缝 中 8 铁索体含量低于 5%: 超过 l 10A , 焊缝 中 6 铁素体 含量迅速增加 , 不能满 足 DL/ T438 2009《 火力发电 厂金属技术 监督规程》 规定的低于 8%的要求。 (2 ) T 122 钢 焊接 热 影 响 区 的 硬 度 热 处 理 后 未 发生 明显下降现象 .不同焊接 电流下焊缝的硬度均 能满 足标准要求 ; 焊接 电流为 90 及 120A 焊接接头 的热影响区硬度最高 , 不能满足标准要求 。 (3) 综合试验结果,焊接电流的最佳值为 100 A .此时焊缝中的 6 铁素体含量和热影响区的硬度 值均能满足标准要求。 参考 文 献 : [ I】 O f i oro J . Weld metal microstructure analysis of 9— 12%Cr steels Ⅳ1. Pressure V essels and Piping , 2006 , 83 : 540— 55. [2】 包汉 生.T 122 马 氏体 耐热钢组 织 稳定性 北 京: 钢 铁研究 总院, 2009: 55. 56. 【 3] Kimura K . A method of long— term creep ruptures data analysis for highC rferritic creep resistant steel [C】 / / Symposium onUltraSuper C ritical Steel s f o r Fossil Pow er Plants . 200 5 , 12— 13 A pril . Beij ing.2005: 145— 156. [4】 齐 向前 , 田旭 海. 焊后 热处 理对 T91 钢 组织 及性 能 的影 响 [J].热加T 丁艺, 2007, 36(1 1 ): 21 — 23. 田 性 能 的研 究【 D]. 2l l