低碳钢焊接层间温度对焊缝金属冲击韧性的影响

隋旭日 栾丰飞

【摘 要】低碳鋼对接平焊时，层间温度对焊缝金属性能的影响，在焊接零件的机器中，机器运行中焊缝同样也要受到冲击力，生产厂家大多做做无损检测，合格后就投入使用。本文就特别是对冲击韧性的影响进行了初步探讨，结果表明，低碳钢焊接随层间温度的降低，冲击韧性增加。

【关键词】层间温度；熔敷金属

由于低碳钢的碳、锰、硅的含量低，焊接时不会因焊接而引起严重组织硬化或出现淬火组织而且焊接接头有很强的塑性以及韧性，在所有钢材中低碳钢的焊接性能最强。许多机器零件在工作时要遇到冲击负荷，如锻锤的锤杆、冲床的冲头、火车和汽车在开车、刹车时的部分传动零件等，这些零件在冲击载荷的作用下，韧性差的材料往往易于发生突然断裂，造成严重的安全事故，因此研究材料的冲击韧性具有十分重要的意义。在焊接行业，大家研究更多的是焊接热影响区的机械性能，应当说，目前对焊接热影响区的研究，已很成熟，零件设计时，充分考虑了热影响区这一影响因素。但在有焊接零件的机器中，机器运行中焊缝同样也要受到冲击力，生产厂家大多做做无损检测，合格后就投入使用，但实际上，因焊缝质量造成事故的也不乏其例，因此，研究焊缝本身的熔焊机理、焊后的机械性能同样具有意义。

一、钢材焊接性能特点

低碳钢一般轧成角钢、槽钢、工字钢、钢管、钢带或钢板，用于制作各种建筑构件、容器、箱体、炉体和农机具等。优质低碳钢轧成薄板，制作汽车驾驶室、发动机罩等深冲制品；还轧成棒材，用于制作强度要求不高的机械零件。低碳钢在使用前一般不经热处理，碳含量在0.15%以上的经渗碳或氰化处理，用于要求表层温度高、耐磨性好的轴、轴套、链轮等零件。低碳钢由于强度较低，使用受到限制。适当增加碳钢中锰含量，并加入微量钒、钛、铌等合金元素，可大大提高钢的强度。若降低钢中碳含量并加入少量铝、少量硼和碳化物形成元素，则可得到超低碳贝氏体组够其强度很高，并保持较好的塑性和韧性。

低碳钢退火组织为铁素体和少量珠光体，其强度和硬度较低，塑性和韧性较好。因此，其冷成形性良好可采用卷边、折弯、冲压等方法进行冷成形。这种钢材具有良好的焊接性。碳含量很低的低碳钢硬度很低，切削加工性不佳，正火处理可以改善其切削加工性。

低碳钢有较大的时效倾向，既有淬火时效倾向，还有形变时效倾向。当钢从高温较快冷却时，铁素体中碳、氮处于过饱和状态，它在常温也能缓慢地形成铁的碳氮物，因而钢的强度和硬度提高，而塑性和韧性降低，这种现象称为淬火时效。低碳钢即使不淬火而空冷也会产生时效。低碳钢经形变产生大量位错，铁素体中的碳、氮原子与位错发生弹性交互作用，碳、氮原子聚集在位错线周围。这种碳、氮原子与位错线的结合体称岁柯氏气团（柯垂耳气团）。它会使钢的强度和硬度提高而塑性和韧性降低，这种现象称为形变时效。形变时效比淬火时效对低碳钢的塑性和韧性有更大的危害性，在低碳钢的拉伸曲线上有明显的上、下两个屈服点。自上屈服点出现直到屈服延伸结束，在试样表面出现由于不均匀变形而形成的表面皱褶带，称为吕德斯带。不少冲压件往往因此而报废。其防止方法有两种。一种高预形变法，预形变的钢放置一段时间后冲压时也会产生吕德斯带，因此预形变的钢在冲压之前放置时间不宜过长。另一种是钢中加入铝或钛，使其与氮形成稳定的化合物，防止形成柯氏气团引起的形变时效。

二、实验

（一）实验用材料

（1）板材：材质Q235B，板厚：12mm。

（2）焊接材料：E4303电焊条，规格：￠3.2。

（二）试样加工

将板材送加工车间，按尺寸加工出试板并组装，共12套。

（三）焊制试板

在同一实验室，由同一焊接技师在其它工艺参数不变，只改变层间温度的条件下完成12套试板的平位焊接，层间温度分别为50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃，每一温度下焊制两套试板。

焊接过程中用表面温度计测量层间温度，每一层烧完后，当层温降到规定的温度时，开始焊下一层。

（四）试样加工

完成焊接，将试件进行X光检测，合格后拉伸、冲击试样。拉伸试样从焊缝中截出，冲击试样的V型缺口开在焊缝中间。每块试板加工出一个拉伸试样，五个冲击试样。

（五）力学性能试验

（1）熔敷金属的拉伸试验按GB2652-81《焊缝（及堆焊）金属拉伸试验法》进行。

（2）焊缝金属冲击试验按GB2650-81《焊接接头冲击试验法》进行，五个试样中，最大和最小值舍去，对余下的三个试样进行讨论。

三、分析讨论

从实验结果看，随着层间温度的下降，熔敷金属的冲击韧性和强度是增加的，而塑性下降不是很明显，层间温度在100℃—200℃区间，熔敷金属综合机械性能较好。

冲击韧性ak是金属机械性能中的一个重要指标，长期的实践发现，ak对材料的一些缺陷是很敏感的，它不仅能灵敏地反映材料品质、宏观缺陷，就是显微组织方面微小的变化对它的影响也是很大的，在无宏观缺陷的情况下，ak值基本上是强度和塑性的函数，强度、塑性增大，韧性也增大，但一般钢材其强度和塑性是矛盾的，同一强度等级的材料只有通过细化晶粒才能使强度和塑性同时增加。

【参考文献】

[1]张瑞华，樊丁，余淑荣.低碳钢A-TIG焊的活性剂研制[J].焊接学报，2015，24（2）：16-18.

[2]张瑞华，尹燕，水谷正海等.A-TIG焊接熔池行为的观察[J].机械工程学报，2015，45（3）：115-118.

[3]张瑞华，樊丁.低碳钢A-TIG焊活性剂的焊接性[J].焊接学报，2015，24（1）：85-87.

[4]王敬红.T_P91钢焊接时的背面气体保护技术[J].焊接，2015（6）：37.