预热温度对焊接珠光体钢轨钢力学和断裂性能的影响.pdf

现代冶金 2014年第3期 预热温度对焊接珠光体钢轨钢力学和断裂性能的影响 (美国)Heshmat A．Aglan 摘要：本文研究了预热温度对开槽焊接珠光体钢轨钢力学、断裂性能、硬度和显微组织的影响。用气体保护金属 极电弧填充材料模拟缺陷修复之前，开槽的轨头被预热到200℃，300℃，350 oC和400℃。另外一个未预热室温 (RT)焊接试样用作对比研究。母材的抗拉强度，屈服强度和断后伸长率分别：1 146 MPa，717 MPa，9．3％。200℃ 预热时，焊接钢轨的最佳性能指标分别为：l 023 MPa，655 MPa，4．7％。根据这个，最佳的焊接效率为89．2％。母 材钢轨的平均断裂韧性K 为127 MPa·m ，而焊接接头(200℃预热)最好的断裂韧性为116．5 MPa·m。 。另 外，焊缝、熔合线和热影响区(HAZ)的平均硬度值分别为313．5 HB、332 HB和313．6 HB，而母材硬度大约为 360 HB。200℃预热时焊缝组织主要为贝氏体和针状铁素体相。 关键词：预热温度；焊接钢轨；焊接显微组织；焊接效率；断裂韧性 1 简介 焊接前预热可以定义为把母材加热到一定的温 度。预热主要有4个目的。‘ J：a)降低冷速，可产生 增强延迟断裂和帮助氢扩散的韧性组织；b)降低焊 缝和母材的收缩应力；c)预防冷变形(“冷开”)和确 保恰当的熔合；d)可以除去试样的水分。然而，预 热过度可能扩大和产生缺陷，例如焊接组织的热变 形 。另一方面，预热不足导致不同类型的断裂， 不充分熔合和渗漏 J。碳平衡图(CE)被用作计算 正确预热的工具 。除了CE，最佳的预热温度还 依赖于端面厚度，限制，环境温度，填充材料中氢的 浓度，和前期的开裂问题¨ 。 C—Mn钢焊接显微组织通常由不规则铁素体， 针状铁素体，魏氏组织和其它显微组织构成 J。 添加不同的合金元素来提高C—Mn焊接接头的强 度和韧性。Ni和Mn通常增加淬透性和抑制不规则 铁索体的生成来促进针状铁素体的生成，然而，cr 和Mo可以促进贝氏体的形成而不是针状铁素体的 形成。高强度填充金属材料的焊缝组织是由混合的 针状铁素体，贝氏体和低碳马氏体组织组成，这些填 充金属有Ni，Mn，Cr和Mo。这些相的相对比例主 要依赖于化学成分和焊接过程的热循环 J。 和其它因素一样，决定最终焊缝组织时冷速扮 演着重要的角色。Shia和Han报道随着冷速的降 低马氏体比例降低¨ 。然而，冷速的降低伴随着预 热温度和热输入的升高。预热温度和热输入、冷速 的关系是：R。c 1／TH，其中尺是冷速， 是预热温 度，H是热输入 。 熔融区的宽度决定于熔融区停留在这种材料熔 点以上的温度和时间。更高的预热温度增加了时间 跨度，导致了熔融区宽度的增加¨ 。 预热温度对焊缝组织的组成相有很大的影响。 最近研究在lONi3CrMoV钢激光桥接焊接时，较低 预热温度(90 oC)，自回火时没有足够的时间形成板 条马氏体和上贝氏体。在较高预热温度(120℃)， 有足够的自回火时间，沿着板条马氏体形成了针状 铁素体。因此在这个预热温度下有较好的韧性和较 低的断裂倾向。然而，进一步升高预热温度 (150℃)，由于在显微组织中生成粒状贝氏体和马 氏体／奥氏体(M／A)岛组织，导致韧性降低H引。 当焊缝熔敷金属凝固收缩时受到周围母材金属 的限制，焊缝金属有残余的拉应力 。随着预热温 度的增加焊接残余应力降低 。 在多道次焊接中，后来的金属液滴沉淀在原来 液滴上面来填满缝隙。因此除了顶层，所有的焊层 经历了来自这层上面的额外的热循环。这些热循环 可能足够高可以重新奥氏体化焊缝金属。部分还没 到奥氏体转变温度的焊缝也表现为回火组织_】 。 在焊接过程中，焊缝和热影响区的硬度决定于 热输入，冷速和极值温度¨ 。尽管硬度测试是对焊 缝粗略的评估，其他机械性能例如拉伸，断裂韧性， 疲劳等可对焊接质量进行综合的评估¨ 。焊接接 头的拉伸测试可知和母材相比其接头的强度。焊接 试样和母材试样的抗拉强度比叫做焊接效率 …。 断裂韧性表现为材料抵抗裂纹扩展的能力。对于碳 2014年第3期 49 钢，断裂韧性通常随着晶粒的粗化而降低 。 在本文中，在轨头上开槽，并用多道次气体保护 金属极电极焊焊接(GMAW)来模拟服役时的修复。 使用五个不同的预热温度。对焊接试样进行力学性 能，显微组织分析和断裂行为分析。通过分析焊接 效率和焊接轨头抵抗断裂来决定最佳预热温度。 2试验材料和方法 本试验研究所使用的材料由公司运输技术中心 (1TrCI)提供。ESAB一140(军事标准MIL 140S—l 具体规定的)用做填充材料(化学成分见表1)，该材 料由ESAB焊接和加工厂生产。 表1 钢轨和填充材料化学成分的重量百分比 在钢轨试样的中心部位开一个25．4 mm宽 19．05 mm深的槽来模拟除去轨头的缺陷。把电阻 丝加热器(250瓦热传导电容)固定在轨底的两边来 预热焊缝。用陶瓷纤维包裹该部分来减少热损失。 现在选择四个不同预热温度的试样(200℃，300 ， 350℃和400 cc)和一个没有预热的室温(RT)试样来 研究。达到所要求的预热温度后，多道次GMAW焊 接来填满焊缝(图1(a))。所用电压为23 V，喂丝 速度为250 IPM，热输入大约为1．18 KJ／mm。层间 温度比所选的预热温度高50℃。大约28道次完全 填满焊缝。焊后冷却钢轨试样段，没有从表面刮去 任何多余的材料。焊接轨头被切割成l36 mm长 l2．7 mm宽2．5 mm厚的薄试样。对于冲击试验， 在试样的焊缝心部开5 mIll深60。的V型冲击缺口， 深宽比(a／W)大约为0．4。两种缺口和无缺口静态 拉伸试样的最小缝隙长度为72 mnl(图l(b))。 用克拉克CLC一200R硬度仪测定试样上焊缝 处不同位置的硬度。使用光学GX5l金相显微镜观 察母材，HAZ和焊缝区域的显微组织。使用100 t 伺服液压材料测试系统(MTS810)连带它的试验II 星软件完成静态拉仲试验，包括缺口和无缺¨试样。 3结果和讨论 3．1 焊接珠光体钢轨的硬度分布 测试焊接试样从焊缝中心开始不同位置的硬 度。硬度测试时金刚石压头的负荷是150 kgf。表2 为不同预热温度下焊接轨头的硬度分布图。所有的 预热试样表现相似的硬度分布曲线一焊缝处较低， 在熔合线附近升高然后在HAZ区降低。母材钢轨 的平均硬度是360 HB 、对于350℃和400 oC预热 试样最大和最小平均焊缝硬度分别为336．7 HB和 295．3 HB。所有的预热试样，HAZ的平均硬度随着 预热温度的升高而降低，200℃预热时可获得最大 的HAZ硬度313．6 HB，400 cIC预热时可获得最小的 HAZ硬度281．1 HB。 ／ 位 火” 接珠光体钢轨 {b) 『11n1 图l (a)钢轨轨头部分开槽焊接的示意图 (1】)拉伸和冲击试验缺口和无缺口试样的几何图 2014年第3期 焊缝区的硬度主要决定于填充材料和在多道次 焊接中相连层所产生的热循环结果。 母材，焊缝和HAZ的硬度值变化可由它们的化 学成分来解释。和母材相比，填充材料的碳含量较 低。因为碳直接产生材料的硬度，所以碳含量作为 硬度的测量标准。熔合线区域附近的硬度较高是因 为生成了较硬的相，这些硬相是母材中碳扩散和焊 42O 400 380 360 340 皇320 300 280 260 240 220 200 缝金属从液态快冷两者共同作用得到的 。通常， HAZ区在焊接的同时经历了热处理，这导致奥氏体 在形核和长大的同时降低了加工硬化和位错密 度 。所以，HAZ的硬度降低。另外，随着预热温 度的升高，HAZ的硬度降低是很明显的(图2)。在 较高预热温度下冷速较低可能是这种趋势的另一个 原因。下一步丁二作是努力提高焊缝的硬度。 一20 一l0 0 l0 20 距焊缝中心的距离 图2 不同预热下钢轨焊缝处的硬度分布 没有任何预热(RT)的钢轨试样焊缝的硬度分 布略有不同。这个试样的HAZ硬度非常高，甚至高 于母材。这和前文所解释的相矛盾。当焊接没有预 热(RT)的试样时，冷速是较快的。除此之外，母材 的碳含量也较高(0．9 wt％C)。这两个原因可能生 成HAZ区的较硬相(类马氏体)。 3．2焊接钢轨的显微组织 研究焊接钢轨焊接件不同位置的显微组织。图 3表示标出不同区域的焊接试样的示意图。 母材钢轨 热影响 (a) (b) (a)熔合线；(b)焊缝 图3 标出显微分析宏观位置的试验试样示意图 +没有预热 +200 C预热 +300 C预热 ^ 350预热 +400 C预热 3O 不同预热温度下所有焊接试样的焊缝区显微组 织基本相似，大多数是非常明显的针状铁素体和贝 氏体混合组织。然而，没有预热(RT)的焊接试样观 察到不同的焊接组织，是马氏体和贝氏体的混合组 织。图4和图5分别代表室温和200 oC预热试样熔 合线和焊缝区的显微组织。 (a) (b) (a)熔合线附近；(b)焊缝 图4没预热焊接试样的显微组织 e w I．}．．．_．：．： Z ^ H 2014年第3期 51 (aJ (b) (a)熔合线附近；(b)焊缝 图5 200 cI二预热的焊接试样的显微组织 在异型材料填充焊接的例子中，一小部分母材 熔化，混合填充材料形成一个焊件。焊接过程中，焊 缝材料中来自母材的百分比叫做稀释比例 J。在 本文中，因为母材和填充材料的化学成分(尤其是 wt％C)有很大的不同，焊缝的化学成分可能随着稀 释比例的不同而变化。考虑到母材的稀释，对于不 同热输入条件下焊缝碳含量百分比由焊缝的宽度和 成分计算决定 (表2)。可清楚表明焊缝wt％C 随着预热温度的升高而增加。预热另一个重要的因 素是降低冷速。更高的预热温度导致冷速的降低。 表2不同预热温度下焊缝碳含量 预热温度 无 2oo oc 300 qc 350 oc 40HD℃ 已知增加钢中碳含量可以使连续冷却转变曲线 (CCT)右移。因为增加预热温度可以增加焊缝中的 wt％C。相反，更高的预热温度将降低冷速和使冷却 曲线右移。由于上述提到的双重作用，不同预热温 度的冷却曲线非常可能在相同的区域切CCT曲线。 因此，当和其它预热试样相比，没预热(1iT)的焊接 试样其冷速可能非常高，连同母材钢轨，将作为一个 吸热点。可以确信由于冷速非常快，在显微组织中 形成马氏体和贝氏体。 3．3机械和断裂性能 表3表明母材和焊接试样的拉伸和断裂试验数 据。母材钢轨的抗拉强度(UTS)和断后伸长率分别 为1 146 MPa和9．3％。不同的预热温度下所有焊 接试样的抗拉强度非常接近。在200℃预热温度下 可获得最大的抗拉强度(1 023 MPa)，这比母材降低 了大约1 1％。300 oC预热可获得最大的断后伸长率 (6％)。和母材相比，断后伸长率降低了35％。 400~C预热试样可获得最大的屈服强度(718 MPa)。 这和母材的非常接近(717 MPa)。其他预热试样 (200℃，300 qC和350℃)的屈服强度比母材低8％。 除了350 oC预热温度，其他所有的焊接试样和母材一 样表现相似的弹性模量。350 oC预热温度的焊接钢 轨的弹性模量为951．7 GPa，比母材的高3．6％。 表3所有拉伸和断裂测试数据汇总表 没有预热(RT)的焊接试样获得最小的拉伸强 度和断后伸长率为836 MPa和3．4％。在焊接过程 中，液化的焊缝试图抵制它的凝固。另外，焊缝周围 未熔化的母材阻碍焊缝的收缩。结果，焊缝区域保 留残余拉应力。已表明预热可以显著降低焊缝残余 应力¨ 】。可以认为室温焊接试样有更高的残余 应力，可能是拉伸强度较低的原因。 焊缝和母材的抗拉强度比定义为焊接效率。这 是评价焊接性能的有效工具。不同预热温度焊接试 样的焊接效率如图6所示。在误差台上有稍微的偏 离(图6)，表明任何单个预热温度所获得的值有连 贯性。 可见没有预热(RT)试样的焊接效率较低。预 热后焊接效率显著提高，大约为90％。在200℃～ 400℃的预热温度范围内，预热温度的变化对焊接 效率没有任何明显的影响。 52 2014年第3期 测试模拟缺陷的试样，检测母材和焊接试样钢 轨的残余应力。开5 mm深缺口，预制裂纹长宽比 (a／W)0．4。使用JSMS手册提到的公式计算可见 的断裂韧性(K ) 。如图6所示母材和焊缝断裂 韧性比值的变化和预热温度相关。可以发现对于不 同的预热温度韧性比率没有显著的变化，大约为 0．9。无预热试样有更高的残余强度值(表3)和最 90 SO 低的抗拉强度值(前章节讨论过的)相反。在较低 的拉伸应力下存在更高的焊接残余应力(由于焊缝 收缩)可认为产生裂纹。这和焊缝较低抗拉强度一 致。另一方面，在断裂韧性评估中，焊缝先预制一个 缺口裂纹。因此，存在的焊接残余应力不可能在裂 纹产生中起重要作用。 40 一 O 一． 焊接效 ·韧性比率一! ……一…— 一一 一……一～——……-· ……一r-r…--一…一=一= ·0,S 一一 ……——……— ……一 ’ r ～ …一………～… 150 200 250 30o 350 预热温度，℃ 图6 不同预热温度下焊接效率和断裂韧性比 4结论 预热对缝隙焊接珠光体钢轨的性能有重要的影 响。当在没有预热的室温焊接时力学性能很差。本 文研究所使用的温度范围内(200～400 qC)，随着预 热温度的变化，显微组织，力学和断裂性能没有明显 的变化。在缺口下焊缝的表面上测量温度。 不同预热温度下焊缝钢轨的显微组织大多数是 针状铁素体和贝氏体的混合组织。因此。没有预热 (RT)钢轨的焊缝主要由马氏体和贝氏体组成。焊 缝组织中有大量的马氏体和焊接残余应力可能是无 预热焊接钢轨力学性能较低的原因。 在不同的预热温度下，焊缝中较高的碳含量和 ～…t…～一…t O4 400 450 较高预热温度下降低冷速可能是产生相似显微组 织、力学性能的原因。 因为更高的预热温度需要增加额外的能量，对于 开槽焊接珠光体钢轨，我们建议预热温度为200℃。 5致谢 该研究得到了联邦铁路管理局(FRA)的支持。 作者同时要感谢J．0’Malley of Nucor钢铁公司 Ronald博士有价值的评价和反馈。 杨维字 译自《En neering》2013，No．5 白雅琼校 d1 ：)I．瓣丑 8 7 6 0 O O ●● 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