Q345C耐候钢多层多道焊焊接热影响区热模拟性能

刘 艳，刘 岳，杭宗秋，陈 辉，张志毅，武永寿，吴向阳

（1.西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031；2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111）

Q345C耐候钢多层多道焊焊接热影响区热模拟性能

刘 艳1，刘 岳1，杭宗秋1，陈 辉1，张志毅2，武永寿2，吴向阳2

（1.西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031；2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111）

焊接热影响区是焊接接头的薄弱部位，其微区力学性能不能通过常规性能测试获得。采用Gleeble3500热模拟试验机模拟Q345C耐候钢四层四道焊热影响区，研究每道热影响区的微观组织和力学性能，结果表明：四层四道焊第二道热影响区的组织与母材相同，为铁素体和条带状珠光体，其余三道热影响区的金相组织均发生变化，为贝氏体和铁素体组织。第二道热影响区的硬度和强度最低，冲击韧性最高。

热模拟；四层四道焊；微观组织；力学性能

0 前言

在焊接热循环的作用下，焊接热影响区组织性能分布不均匀，是焊接接头的薄弱部位，因此深入研究热影响区中的各区段组织性能十分必要。然而热影响区中的各区段非常狭窄，很难单独取出进行相应的试验研究。采用热模拟技术可以在一定尺寸的试件上，模拟焊接热循环及焊接应力应变对焊接热影响区中某个区段的影响，从而研究该区段组织及性能的变化规律[1]。

付瑞东[2]采用Gleeble 3500热模拟试验机研究2.25Cr1Mo0.25V耐热钢经历一次和二次焊接热循环后焊接热影响区的微观组织和力学性能，结果表明，经历一次和二次焊接热循环以后，试样的组织均发生粗化，且低温冲击韧性恶化。李红卫[3]研究了X60钢级管线钢在不同的峰值温度和冷却时间下的韧性和组织，结果表明，峰值温度越高，X60钢级管线钢的组织越粗大，韧性越低。LIU Wen-yan[4]研究了685 MPa级含铜钢粗晶区的组织和韧性，结果表明粗晶区的冲击韧性显著下降并在粗晶区的亚温区域发生明显脆断。Yuming Huang[5]研究了冷却速度对CLAM钢热影响区的组织和韧性的影响规律。

Q345C钢是高速列车常用的转向架用钢，在热模拟研究中，国内外主要研究一次和二次热循环粗晶区的组织和力学性能，对于高速列车转向架用钢，在其焊接工艺中常采用多层多道焊，然而每层每道的力学性能并不能通过常规的性能测试获得。在此采用热模拟技术对Q345C钢四层四道焊热影响区的微观组织和力学性能进行研究，为转向架材料的焊接工艺的优化提供依据。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验材料为按欧洲标准EN10025-5：2004制造的板厚12 mm的耐候钢Q345C，化学成分见表1。

表1 Q345C的化学成分％

1.2 热循环曲线测试

制备MAG焊标准焊接接头进行工艺试验，测量热影响区的温度循环峰值温度、升温降温速率，焊接工艺参数如表2所示。

表2 焊接工艺参数

1.3 焊接热模拟

将根据表2的焊接工艺参数测试获得的四层四道焊热影响区的温度循环峰值温度、升温降温速率等热循环参数输入Gleeble3500热模拟试验机，对热模拟后的试样进行镶嵌、粗磨、抛光，用3％～4％硝酸酒精溶液腐蚀，之后采用Axio Observer A1m光学显微镜和QUANTA FEG 250扫描电子显微镜观察其微观组织形貌。采用HVS-30维氏硬度计测试焊接热影响区的硬度，载荷10 kg，保荷时间10 s，每个试样测试7个点，取7个点的平均值作为焊接热影响区的硬度，采用DNS-300对热影响区的拉伸性能进行测试，获取抗拉强度和屈服强度，拉伸试样尺寸φ6 mm×150 mm。采用JWS500冲击试验机对多层多道焊热影响区的冲击性能进行测试，试样尺寸10 mm×10 mm×55 mm，缺口类型为V型。

2 结果和讨论

试验获得的热循环参数如表3所示。

表3 热循环参数

Q345C钢四层四道焊每一道热影响区的金相组织如图1所示。第一道热影响区的组织为板条贝氏体、粒状贝氏体和少量的铁素体（见图1a），由表3可知，第一道热影响区在经历了最高加热温度1 350℃的热循环之后，又经历了三次最高温度为700℃的热处理作用，后面三次焊对该区域的热处理作用使得第一道热影响区的组织性能得到改善。第二道热影响区的组织为铁素体和条带状珠光体（见图1b），这类组织强度较低。分析认为，第二道热影响区工艺循环的试样在900℃峰值温度下（此温度为部分相变区的上限温度），组织为铁素体+珠光体。在图1b中，珠光体转变为奥氏体，在随后的冷却过程中转变为细小的铁素体和珠光体，在原铁素体晶界发生部分再结晶，再结晶的铁素体来不及长大就冷却下来，从而细化了晶粒，并在珠光体和铁素体组织中保留有原始带状组织的痕迹。第三道热影响区的组织为板条贝氏体块区，沿柱状晶界析出片状先共析铁素体（见图1c），由于第三道热影响区经历了四次1 350℃的高温作用，使得组织晶粒粗大，对韧性产生不利影响。第四道热影响区的组织为板条贝氏体和少量铁素体，如图1d所示。

图1 Q345C钢四层四道焊热影响区金相组织

为了更加清晰地分辨四层四道焊每一道热影响区的组织，采用扫描电镜观察四层四道焊热影响区的微观组织，如图2所示。第一道热影响区的板条贝氏体方向明显；第二道热影响区的组织为铁素体和条带状珠光体；第三道热影响区的组织为板条贝氏体块区，沿柱状晶界析出片状先共析铁素体；第四道热影响区的组织为板条贝氏体和少量铁素体。

图2 Q345C钢四层四道焊热影响区微观组织

三种材料四层四道焊每一道热影响区的硬度测试结果如图3所示，除了第二道热影响区的硬度值低于HV200以外，其余三道热影响区的硬度均高于HV200，且第四道焊缝的硬度最高。这是因为第二道热影响区的组织为条带状珠光体和铁素体，其强度、硬度较低；其余几道热影响区的组织均为贝氏体，且第四道焊缝由于没有后续焊缝的热处理作用，因而硬度较高。

图3 多层多道焊热影响区的硬度测试结果

四层四道焊每一道热影响区的抗拉强度和屈服强度如表4所示。第二道热影响区的抗拉强度和屈服强度最低，第四道热影响区的最高，这是因为第二道热影响区经历了第一道的预热作用和第三道、第四道的热处理作用后，组织为铁素体和条带状珠光体，此类组织强度较低，与硬度结果相符。屈强比是衡量钢材脆性的指标之一，屈强比越大，表明钢材屈服强度和抗拉强度的差值越小，钢材的塑性越差，脆性就越大[6]。从表4中屈服强度和抗拉强度的比值来看，其值约为0.80，因此四层四道焊每道热影响区的塑性都相差很小。

表4 四层四道焊热影响区的拉伸试验结果

多层多道焊每道热影响区的冲击试验结果如图4所示。第二道热影响区的冲击韧性最好，第三道热影响区的冲击韧性最低，这与硬度和抗拉强度试验的结果相符合，原因是第二道热影响区的组织为铁素体和条带状珠光体，这种组织强度低，但冲击韧性好。

图4 多层多道热影响区的冲击试验结果

3 结论

（1）通过多层多道焊热影响区热模拟的组织和性能研究，四层四道焊时第二道热影响区的金相组织为铁素体和条带状珠光体，其余三道热影响区的组织为贝氏体和铁素体。

（2）四层四道焊第二道热影响区的硬度和强度最低，冲击韧性最好。

[1]赵敏，孙长伟，杜则裕.焊接热模拟技术及其应用[J].焊接技术，1999（4）：41-42.

[2]付瑞东，逯允海，杨永强，等.2.25Cr-1Mo-0.25V耐热钢焊接热影响区热模拟试验研究[J].材料热处理学报，2008，28（1）：66-69.

[3]李红卫，彭云，何长红，等.X60钢级管线钢焊接热影响区的热模拟研究[J].试验与研究，2008，37（3）：18-23.

[4]LIU Wenyan，WANGLai，LIUJibin，etal.Microstructures and Properties in Simulated Heat-Affected Zones of 685 MPa Grade Copper-Bearing Steel[J].ProceedingsofSino-Swedish Structural Materials Symposium，2007，14（5）：220-226.

[5]Yuming Huang，Xizhang Chen，Zheng Shen，et al.Measurementand analysis of SHCCT diagram for CLAM steel[J]. Journal of Nuclear Materials，2013（432）：460-465.

[6]束德林.工程材料力学性能[M].北京：机械工业出版社，2011.

Thermal simulation performance of multi-pass welding heat affected zone of Q345C weathering steel

LIU Yan1，LIU Yue1，HANG Zongqiu1，CHEN Hui1，ZHANG Zhiyi2，WU Yongshou2，WU Xiangyang2
（1.School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.CSR SIFANG Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China）

HeatAffectedZone（HAZ）isaweakregioninweldingjoint.However，themechanicalpropertiesinmicro-zonecannotbeobtainedby conventional methods.Gleeble 3500 thermal simulation machine is used to simulate HAZ of four layers and four channels of Q345C steel. MicrostructureandmechanicalpropertiesofeachchannelHAZareinvestigated.Theresultsshowthatthemicrostructureofthesecondchannel HAZissimilartothatofbasemetal，whichiscomposedofferriteand banded pearlite.ThemicrostructureofotherthreechannelsHAZchanges duringtheweldingprocess，which iscomposed ofbainite and ferrite.The hardness and strength ofthe second channelare the lowest，while the impacttoughnessisthehighest.

thermal simulation；four layers and four channels welding；microstructure；mechanical properties

TG407

A

1001－2303（2016）06－0089-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.18

2016-05-18

刘艳（1985—），女，江西宜春人，工程师，博士，主要从事高速列车焊接工艺、焊接结构等研究工作。