热输入对高强耐候钢FCAW接头组织和性能的影响

0 前言

铁路是国家重要的基础设施和交通运输的大动脉，铁路重载运输是轨道交通的重点领域之一，它以运量大、成本低和节能环保等优势，成为世界公认的最重要的货物运输方式和发展方向，在国民经济发展中发挥着十分重要的作用[1]。由于铁路运营环境条件比较恶劣，承担运输物资的车辆常年在雨、雪、水和灰尘等大气腐蚀环境下运营，重载车辆钢结构对承载能力和耐大气腐蚀性要求越来越高。耐候钢即耐大气腐蚀钢，是通过添加少量合金元素(如Cu，P，Cr，Ni等)使其在大气中具有良好耐蚀性能的低合金结构钢[2]，是铁路重载车辆的主要用钢。随着铁路运输逐渐高速化、重载化和安全性能不断提升，对低合金耐候钢的强度和耐大气腐蚀性要求不断提高，450 MPa级耐候钢得到了广泛应用[3-9]。

多年来，她以超前的工作理念、求真务实的工作作风、勤耕不辍的工作态度，勾画着祥顺镇中心校发展的宏伟蓝图，致力打造乡村教育闪光名片，用铮铮言行诠释着新时期好校长形象，践行着对乡村教育事业执着的承诺，赢得了学生、家长、同仁以及社会各界的高度评价。

药芯焊丝电弧焊(Flux-cored arc welding，FCAW)具有生产率高、可通过合理改变药芯成分调控焊缝性能、实现自动化焊接等优点[10] ，成为铁路重载车辆制造的关键技术。研究表明，已开发的450 MPa级高强度耐候钢配套的药芯焊丝焊接工艺性能优良，可获得具有高强韧性、良好抗疲劳性能的焊接结构[11]。

焊接热输入是综合反映焊接电压、焊接电流和焊接速度的指标，是影响焊接接头组织和性能的主要因素。但目前尚未发现450 MPa级耐候钢的FCAW焊接接头的研究报告。文中采用药芯焊丝对低合金高强耐候钢Q450NQR1进行焊接，分析不同焊接热输入对FCAW接头组织和力学性能的影响。

1 试验方法

试板尺寸为400 mm×150 mm×12 mm，板厚为12 mm，开60° V形坡口，焊接顺序如图1所示，母材和药芯焊丝的化学成分见表1。

图1 焊接顺序示意图

焊接电源为Panasonic KR-500焊机，采用直流正极性，100%CO2气体保护，气体流量15～20 L/min，焊丝直径为1.2 mm，焊丝伸出长度10～14 mm，在0.74 kJ/mm、0.96 kJ/mm和1.19 kJ/mm三种焊接热输入下进行焊接，焊接工艺参数见表2。

侦查决策作为一项专业领域中的决策，其在决策运行过程中必然要受到侦查决策主体、决策路径、案件具体情况、决策压力等方面的局限，在很大程度上应属于有限理性决策。

施焊过程中，每焊完一道，清理焊渣，并控制层间温度。

焊接接头金相试样经过粗磨、细磨和抛光后，用4%硝酸酒精溶液腐蚀，利用Zeiss Primotech光学显微镜(OM)和JSM-6360LV扫描电镜(SEM)观察焊缝和热影响区(Heat Affected Zone,HAZ)的显微组织和夹杂物分布。

表1 母材和焊丝的化学成分(质量分数，%)

材料CMnSiSPNiCrCuFeQ450NQR10.0531.080.220.0060.0180.1430.520.215余量药芯焊丝0.0201.200.420.0100.0060.6000.500.350余量

表2 FCAW对接工艺参数

试样焊道焊接电流I/A焊接电压U/V焊接速度v/(mm·min-1)热输入Q/(kJ·mm-1)B11190203500.55223500.74323500.74423500.74523500.74B21190203500.552250283500.963250283500.964250283500.965250283500.96B31190203500.552280313501.193280313501.194280313501.195280313501.19

药芯焊丝焊接接头的拉伸试样平行于焊缝轴线截取，按照GB/T 2652—进行拉伸试验。冲击试样为10 mm×10 mm×55 mm带V形缺口标准试样，V形缺口分别开在焊缝和焊接热影响区，按照GB/T 2650—进行冲击试验，试验温度-40 ℃，冷却介质采用液氮和无水乙醇。药芯焊丝焊接接头的硬度测定采用MH-5L型显微硬度计，加载载荷1 kg，加载时间为10 s。

2 试验结果与讨论

2.1 热输入对焊缝金属组织的影响

图2所示为三种热输入(Q1=0.74 kJ/mm，Q2=0.96 kJ/mm，Q3=1.19 kJ/mm)下焊缝金属的组织形貌图。在小热输入Q1下，焊缝组织主要是以针状铁素体为主，有部分粒状贝氏体，晶粒细小，晶粒尺寸绝大多数为2 μm左右。还有一些沿奥氏体晶界析出的先共析铁素体、从先共析铁素体背面以镐牙状向晶内生长的侧板条铁素体和多边形铁素体。在热输入Q2下，针状铁素体和粒状贝氏体的晶粒尺寸几乎不变，大多数为2 μm左右，先共析铁素体和侧板条铁素体的含量减少，但有一定的长大。在大热输入Q3下，先共析铁素体和侧板条铁素体的含量明显增多，并出现了大块的铁素体，针状铁素体和粒状贝氏体的晶粒尺寸有部分长大到约4.3 μm，焊缝组织有一定的粗化。

影响焊缝金属微观组织变化的因素主要有从800 ℃冷却到500 ℃的时间(t8/5)和焊缝金属的含氧量。冷却时间t8/5增大，冷却速度下降，焊缝金属转变产物从以贝氏体为主变成以针状铁素体为主，再到以先共析铁素体和侧板条铁素体为主[12]。焊接热输入量增大，焊缝金属的冷却速度下降，冷却时间t8/5增大，所以在Q3热输入下焊缝中先共析铁素体和侧板条铁素体增多。

焊缝金属的含氧量对组织的影响主要反映在针状铁素体形核所需夹杂物尺寸和分布[13]，三种热输入下焊缝金属中的夹杂物分布如图3所示。三种热输入下，在相同的面积内分别取15张分布图进行夹杂物数量的统计，结果为：Q1下548个、Q2下533个、Q3下493个。经测量，在Q1和Q2下，大夹杂物的直径在2 μm左右，而Q3下，大直径夹杂物的尺寸为4～5 μm。由此可见，在热输入Q1和Q2下，夹杂物的分布大致相等，在热输入Q3下，夹杂物的数量减少，且尺寸变大。针状铁素体是以0.2～2 μm的有效氧化物夹杂为形核质点而生成的晶内铁素体[14]，晶粒细小，强韧性好，是希望获得的焊缝组织。所以，在热输入Q1和Q2下，夹杂物的尺寸和分布更有利于针状铁素体形核，焊缝组织中针状铁素体含量更多，这与图2的焊缝金属组织形态相吻合。

在完成一学年的教学实验后，为了解教学效果和可行性，笔者对参加实验的201位学生进行实验后问卷调查和随机抽样访谈，结合课堂观察记录和学生作业情况，总结如下：

2.2 热输入对焊接热影响区组织的影响

在三种焊接热输入，Q450NQR1的焊接热影响区过热区的组织如图4所示，焊接热影响区的组织均为板条贝氏体加粒状贝氏体组成。在扫描电镜照片中，热影响区过热粗晶区的原奥氏体晶界清晰可见。经统计，在小热输入Q1下，原奥氏体晶粒尺寸约为20 μm；在热输入Q2下，原奥氏体晶粒尺寸约为27 μm；在大热输入Q3下，原奥氏体晶粒尺寸约为46 μm。过热区晶粒尺寸越大，强度和韧性越差。

图2 三种热输入下焊缝组织OM和SEM形貌

图3 三种热输入下焊缝组织中的夹杂物分布

图4 三种热输入下HAZ粗晶区组织OM和SEM形貌

在三种焊接热输入，焊接热影响区细晶区的组织都为均匀而细小的铁素体和少量珠光体，三种热输入下铁素体晶粒大小差不多。

2.3 热输入对焊接接头力学性能的影响

2.3.1 热输入对焊接接头强度的影响

不同热输入下FCAW焊接接头室温下拉伸试验结果见表3，在小热输入Q1和中等热输入Q2下，焊缝金属的强度和塑性都达到要求，与母材相差不大。在大热输入Q3下，强度虽然满足要求，但是塑性降低，并且均在焊缝位置断裂，说明在焊缝位置发生了脆化。

焊缝接头的强度和塑性由焊缝组织决定，由前述分析可知，在热输入Q1和Q2下，焊缝金属中大部分为细小的针状铁素体，形成的焊缝组织较均匀，因此强度高、塑性好。而在热输入Q3下，先共析铁素体和侧板条铁素体数量增多、尺寸明显增大，并且针状铁素体的有效形核夹杂物减少，焊缝中针状铁素体数量减少，针状铁素体的晶粒尺寸变大，使焊缝发生了一定程度的脆化，塑性低于Q1和Q2热输入下，并且低于母材。

(5)依据矿区外围斯弄多矿区激电测井资料显示，矿区铅锌矿(化)体的视极化率主要集中在2%～5%，其中在2.5%附近最为集中，以稠密浸染状和网脉状矿石为代表；黄铁矿化体及纯大脉状铅锌矿石主要集中在3.5%～6%，在4%附近最为集中；而对以方铅矿和闪锌矿为主，伴生黄铁矿组成的块状硫化物矿石视极化率约为7%，较高的视极化率段(大于10%)全由黄铁矿引起，多表现为纯块状黄铁矿或块状黄铁矿加稀疏侵染状铅锌矿[7]。从本区电性参数测定结果分析，此规律依然存在，表明本区的铅锌矿化视极化率要稍低于黄铁矿(化)体，在寻找铅锌矿(化)体应以中高视极化率为主。

就在欧文报警之后，约10名警察立即赶到了利夫西家中。据警方描述，利夫西拒绝被铐上手铐，与警方推搡起来，结果胳膊被划伤。急救人员随后抵达，对利夫西的伤口进行简单处理。接着，警方再次试图铐上利夫西，不料利夫西“出拳殴打一名警察，又伸腿踢了另一名警察，口中还骂骂咧咧、威胁恐吓”。利夫西被指控抢劫、盗用服务、攻击他人、威胁恐吓等多项罪名，后被保释出狱。

表3 不同热输入下FCAW焊接接头拉伸试验结果

试样编号焊接热输入Q/(kJ·mm-1)屈服强度ReL/MPa抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A(%)断裂位置110.7449059521.5母材120.7453060022焊缝210.9652059022.5母材220.9650058523焊缝311.1953058517.5焊缝321.1950558020.0焊缝

2.3.2 热输入对焊接接头硬度的影响

不同热输入下焊接接头的硬度分布见表4，硬度整体水平不高，均与母材硬度值接近，未发现硬化倾向。随着热输入增加，焊接接头的硬度呈下降趋势。Q1下焊缝区的硬度值与药芯焊丝熔敷金属的硬度值相等，Q2和Q3下的硬度值均小于熔敷金属的。焊接接头不同位置的硬度值不同，焊缝横截面中心线上(即1，2点处)由于结晶过程中会有一些杂质元素被推挤到此处而使硬度值较高，正面焊缝和背面焊缝交界处(即3点处)硬度略有下降，焊缝中心线两边(即4，5，6点处)硬度分布均匀，相差很小。熔合线处(即7点处)硬度值略高于焊缝区，热影响区粗晶区由于相变生成了板条贝氏体和粒状贝氏体而硬度最高，细晶区(即9点处)组织为细晶铁素体，硬度有所下降。焊接接头在不同热输入下的硬度与强度相一致，同时硬度分布也表明了焊接接头不同区域组织对其力学性能的影响。

表4 不同热输入下FCAW焊接接头显微硬度 HV

热输入焊缝123456熔合线7HAZ89母材10Q109190206204205209226189190Q220319321019918919111183193Q3197176184182187179194204184190

2.3.3 热输入对焊接接头低温冲击韧性的影响

三种热输入下，FCAW焊接接头在-40 ℃下的冲击吸收能量见表5。在热输入Q1和Q2下，焊缝金属的冲击吸收能量几乎相等，在热输入Q3下，焊缝金属的冲击吸能量较低，但仍能满足KV2(-40 ℃)大于60 J的要求。在三种热输入下，焊接热影响区的冲击吸收能量均低于焊缝区的，且在热输入Q3下，冲击吸收能量最低。

表5 不同热输入下FCAW焊接接头低温冲击试验结果

试样编号焊接热输入Q/(kJ·mm-1)缺口位置平均冲击吸收能量(-40 ℃)KV2/J41,42,430.74焊缝7451,52,530.74HAZ6861,62,630.96焊缝7571,72,730.96HAZ7281,82,831.19焊缝6791,92,931.19HAZ64

三种热输入下，焊缝金属冲击断口纤维区所占比例分别为60%,60%和55%，扩展区的SEM形貌如图5所示。扩展区为韧/脆混合断裂模式，断口主要是准解理断裂的河流状花样，上面有一些撕裂棱。冲击断口形貌和冲击功数值相吻合。

出现两次以上的名词性术语中,各译本都约有三分之一的术语翻译不一致。这些不一致的术语英译中从语义上哪些可以接受、哪些应避免将在下文讨论。

焊接热输入影响焊缝金属的组织，从而影响其低温冲击韧性。在热输入Q1和Q2时，低合金高强耐候钢药芯焊丝焊缝金属组织中只有很少量的、韧性差的先共析铁素体和侧板条铁素体，大多数是晶粒细小的针状铁素体，还有部分粒状贝氏体。针状铁素体内部含有高密度位错，具有大角度晶界的针状铁素体和粒状贝氏体交错分布，对显微裂纹的扩展起到很好的阻抗，并使扩展路径发生偏转，消耗冲击吸收能量，从而提高焊缝金属的低温韧性。在大热输入Q3时，焊缝金属中先共析铁素体和侧板条铁素体增多，且两者的晶粒粗大，而针状铁素体含量减少，因此，焊缝金属的低温韧性降低。

图5 不同热输入下焊缝金属低温冲击断口扩展区形貌

三种热输入下，焊接热影响区冲击断口纤维区所占比例分别为56%、58%和55%，扩展区的SEM形貌如图6所示。扩展区依然为韧/脆混合断裂模式，随着热输入的增加，解理断裂面增大，说明韧性有所下降，冲击断口形貌和冲击吸收能量数值相吻合。在三种热输入下，低合金高强耐候钢的焊接热影响区粗晶区的组织都为板条贝氏体和粒状贝氏体，且随着热输入增加，晶粒尺寸增大，韧性降低。

图6 不同热输入下HAZ低温冲击断口扩展区形貌

3 结论

(1) 在三种热输入下，焊缝组织主要以针状铁素体为主，有部分粒状贝氏体，还有少量先共析铁素体和侧板条铁素体。焊接热影响区的组织均为板条贝氏体加粒状贝氏体。

(2)在热输入Q1和Q2时，焊缝金属的强度和塑性与母材接近，焊接热影响区的冲击吸收能量低于焊缝区。

课堂导入是一节课的最起始环节，如果把一堂好课比作一首完美的乐曲，精彩的课堂导入就是那优美的序曲，往往能先声夺人，把听众（听课的老师学生）引入一种美妙的境地。因此，作为课堂教学这首乐章的演奏者和总指挥，老师的课堂导入对于一堂课的教学效果无疑将会起到极其重要的作用。由于教材内容不同，学生学情不同，教师教学风格不同，一节语文课课堂的导入方法必然也是多样化的。下面本人就融合对社会主义核心价值观的认识，谈谈对课堂教学导入艺术所做的点滴尝试。

(3)在大热输入Q3下，焊缝和热影响区的组织粗化，焊缝处发生脆化，低温韧性降低。药芯焊丝焊接时应采用热输入Q2，以获得优良的焊缝组织和性能，同时可适当提高生产率。

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