16Mn钢薄板TIG焊接头组织与性能分析

1浅析16Mn钢薄板TIG焊接头组织与性能［摘要］1.采用TIG焊接方法焊接4-6mm厚的16Mn钢薄板，分析焊接工艺参数对接头外观形貌、金属显微组织及硬度的影响。2.实验结果分析，焊接线能量的增加，焊接速度减小，焊缝熔宽和余高增大，焊缝区组织+P+B，焊缝金属晶粒粗化；HAZ有魏氏体组织产生，焊接接头的塑性和韧性下降。3.实验结果分析，焊接线能量较大时，焊接接头金属的显微硬度产生突变，降低焊接接头的力学性能。［关键词］焊接方法-TIG；显微组织；硬度；力学性能16Mn钢是低合金结构钢，与普通碳素结构钢相比，具有强度高、耐腐蚀性好、用于工程结构制造重量轻、低温性能好等特点，主要用于制造车辆、锅炉、桥梁、船舶、压力容器、输油输气管道、核能设备等。我国在钢的基础上发展起来的低合金钢系列中，许多钢种都是16Mn钢的应用，已涉及到焊接技术方面的研究。钨极氩弧焊（TIG）特点是设备较简单、惰性气体保护效果好、电弧稳定、焊接质量好、可靠性高等优点，缺点是较低生产效率。TIG焊适用范围用于几乎所有金属和合金钢的焊接，多用于薄板的焊接及多层焊时的打底焊。研究分析16Mn钢薄板的TIG焊接工艺和焊接接头金属的组织形态、组成相对机械性能的影响及硬度值的变化规律。一、试验条件1．试验材料试验分析选用16Mn钢薄板，厚度为5mm，其化学成分见表1。由于16Mn钢是一种应用非常广泛的焊接方法的含碳量较低，而含Mn量较高，因此它的Mn/S比能达到正常要求，正常情况下不会出现热裂纹，且Mn、Si合金元素的存在可以起到固溶强化的作用来保证钢的强度。选用填充材料为TIG-J50焊丝，焊丝直径为2.5mm。表116Mn钢材料的化学成分（质量分数wt.%）钢号CSiMnSP16Mn0.12～0.180.2～0.60.8～1.2S≤0.050P≤0.0452．实验方法要求与设备选用焊件均开带钝边V形坡口，钝边为3mm，坡口角度为60°。焊前清理焊丝表面、试件坡口内及其正反两侧20mm范围内的油、锈、水分及污物，打磨至出现金属光泽，并用丙酮清洗此处。焊接时采用对接焊，焊件的装配间隙≤1mm，装配材料与焊件焊接材料相同牌号的焊丝进行定位焊，并定位在试件两端的坡口面内侧，焊点长度为10～15mm，预置反变形量3°左右，错变量应≤0.6mm；不需进行任何热处理；采用WSE-315交直流脉冲氩弧焊机进行焊接。两试样均为单面焊双面成形，焊接起始电流均为65A，氩气流量为9L/min，TIG焊接工艺参数如表2所示。表2TIG焊接工艺参数试样编号电源极性焊接电流（A）焊接电压（V）焊接速度（cm/min）线能量（kj/ｃm）1直流正接70～7512～1369～102直流正接65～7012～134～512～13焊后以焊缝中心线为对称轴且垂直于焊缝方向加工金相试样和硬度测试试样，试样尺寸为10mm×5mm×5mm。2金相试样用5%的硝酸酒精溶液腐蚀后，分别采用光学显微镜和HVS-1000型显微硬度仪进行接头组织观察和硬度测试。二、实验结果分析1．焊缝成形图1为焊接接头的外观形貌焊缝外观形貌识图1可知，试样1和2焊缝表面均平整，背面无焊瘤，试样2的焊缝熔宽和余高比试样1的大，且焊缝表面形成的韩波纹也较大而稠密。焊接线能量的增大，焊接热输入的增加,从而焊丝的熔化量增加，焊缝表面液体金属堆积焊缝余高增大；焊接线能量的增加，焊接速度的减小,焊接热输入增大，熔池熔融金属量增多，液体金属的表面张力随温度的升高而降低，熔池表面的温度最高，四周的温度较低、表面张力较大，熔池表面的金属从中心流向四周,形成较大熔宽。而焊缝表面鱼鳞纹纹理大而稠密是由于焊接线能量增大时而焊接速度变小，即单位长度焊缝上熔敷量增加，单位长度焊缝上进入熔池的熔滴量增多尺寸变大，所以焊缝表面形成大而稠密鱼鳞纹。由此证明，焊接线能量的增大，焊接速度的减小，焊缝的熔宽、余高增加，同时焊缝表面鱼鳞纹变得大而稠密美观度。2.焊接接头金相显微组织分析图2母材金相显微组织16Mn母材组织为大块状F与片状P组织，P组织呈带状分布。因16Mn钢为热轧钢，所以其组织分布为带状如图2所示。图3焊缝区金相显微组织通过观察图3焊缝区金相显组织，试样1焊缝组织是沿柱状晶界分布的片状或细条状先共析F、晶内有少量的针状F和P；试样2的焊缝组织为沿奥氏体晶界析出的大块状先共析F，晶内有少量P和B出现。这是由于试样1在焊接时焊接线能量较小，焊接热输入量少，导致焊缝金属的冷却速度变大，所以高温停留时间短，形成少而较小的片状或细条状先共析F，继续冷却在原晶内形成针状F和P。试样2的焊接线能量较3大，冷却速度反而较小，焊缝金属高温停留的时间较长，形成由奥氏体晶界析出的大块状先共析F,又因焊缝中渗碳体有足够时间扩散，剩余较少量的渗碳体与F混合形成少量的P，同时在块状F形成之后，待转变的富碳奥氏体在一定的冷却速度下转变为B。另外,试样2焊缝金相组织晶粒尺寸比试样1的大得多如图3所示。这是因为随着焊接线能量的增加，焊接速度的减小，焊接热输入的大幅度提高，金属的冷却速度变小，所以液体金属高温停留时间长,金属晶粒严重长大。结果分析表明，随着焊接线能量的增加，焊接速度的减小，焊缝金属的晶粒尺寸变大。因细小的晶粒可以提高焊缝的强韧性，所以试样1的焊缝较试样2焊缝强韧性好。图4近缝热影响区（HAZ）金相显微组织图4中试样1、试样2金相显微组织均上半部分为焊接热影响区，下半部分为焊缝区。在试样1的近缝热影响区，显微组织为条状先共析F、针状F及少量P,条状先共析F呈网状分布。试样2近缝热影响区中，有大量先共析F和少量P，部分区域有魏氏体组织形成。可以看出，试样1和试样2的组织形态有所变化，这是因为在一定焊接线能量下，由于热循环的影响,焊接热影响区的F首先沿奥氏体晶界呈网状析出，但随着焊接线能量的增加，焊接速度的减小，焊接热输入量得到较大的提高，在首先析出的网状F中扩展生长出相互平行的针状F，然后富碳的奥氏体转变为P，即形成了魏氏体组织。结论：两种焊接工艺分析，采用较大的焊接线能量焊接，热影响区组织易出现魏氏体组织，魏氏体是一种淬硬组织，从而降低了焊接接头的力学性能。3．焊接接头硬度测试及分析采用HVS-1000型显微硬度仪进行测量，对焊接接头横截面进行硬度测试，施加载荷为0.98牛顿。测试方向是从焊缝区中心到热影响区到母材区区域。图5焊接接头金属硬度分布曲线焊接接头金属硬度分布曲线,如图5所示。试样1的硬度值曲线几乎是平直的，焊接接头金属的硬度峰值出现在焊缝区；而试样2接头金属硬度值曲线起伏较大，硬度峰值出现在焊接热影响区。这是因为试样1焊缝金属组织为片状或条状先共析F、针状F和P，且组织晶粒较细小，而在近缝焊接热影响区出现了长条状的先共析F并形成网状，从而降低了金属的硬度，母材组织为大片状F与部分P，硬度稍低,又因细小晶粒可以提高金属的强韧性,强度和硬度之间有一定的正比关系，从而试样1焊接接头焊缝金属的硬度较高；对于试样2焊接接头金属的硬度曲线特点来说，通过对试样2的组织观察可知其焊缝区域组织为大量大块状F和少量P。大量的F大大降低了该区域组织的硬度。又由于焊接热影响区的脆硬魏氏体较多，造成了试样2的焊接热影响区比焊缝金属的硬度高得多，形成了较陡的硬度突变。而母材组织为大片状F与部分P，硬度较低。所以，其硬度峰值出现在焊接热影响区。从图5上还可以看出，焊缝区试样1的硬度值稍高于试样2，但在热影响区试样2的硬度值远远高于试样1。这是由于随着焊接线能量的增加，焊接热输入量增大，高温停留时间较长，进而促使焊缝金属的4晶粒长大，试样1的焊缝金属晶粒小于试样2，所以焊缝区试样1的硬度值稍高于试样2是细晶强化作用所致。而在热影响区试样2的硬度值远远高于试样1，是因为试样2的焊接热影响区出现了淬硬组织魏氏体，魏氏体组织在很大程度上降低了金属的塑性和韧性，提高了金属的硬度。如上分析，试样2焊接接头的硬度突变很大，硬度突变越大，接头存在的残余应力越大，造成应力集中，进而降低焊接接头的力学性能。因试样1焊接接头各区域硬度没有硬度突变,所以该焊接接头较试样2具有良好的力学性能。三、结束语统一焊接方法的焊接工艺规范显著影响焊接接头的焊缝成形及内部性能。焊接线能量的增大，焊接速度的减小，焊缝的熔宽、余高增加。焊接线能量的增加，焊缝金属晶粒变大且有少量B出现；焊接热影响区出现魏氏体，焊接接头的力学性能下降。反之焊接线能量较小时，焊接接头硬度无明显变化；线能量较大时，在热影响区硬度出现突变，焊接接头力学性能下降。焊接电流为70～75A、焊接速度为5～6cm/min的焊接工艺下所得到的焊接接头的综合性能较好，即试样1，焊接接头金相组织及综合性能良好，焊接工艺优。