Al元素对高强钢药芯焊丝焊缝金属组织和性能的影响

0 前言

低合金高强钢因具有强度高、塑性好、耐腐蚀、抗疲劳等优点而广泛的应用在管道运输、桥梁、造船、海洋平台、矿山机械等行业重要场合[1-2]。但这类钢在焊接时冲击韧性难以保证，尤其是低温冲击韧性较低，限制了该类钢材在更广的范围内使用。目前，大多数高强钢焊接常采用“低强匹配”的实心焊丝进行焊接，但在保证了焊缝金属韧性的同时牺牲了接头的强度[3-4]。药芯焊丝作为一种新型的焊接材料在国外已经取代了焊条、焊丝等传统焊材，并在各行业中大面积使用，在国内还只停留在重要结构中使用。该类焊丝具有成分易调节、焊缝成形好、易操作等优点，尤其可针对不同母材合理配比药芯的成分使其针对性更强，接头的质量更高。有研究学者认为，理想的高强钢焊缝金属组织是以针状铁素体作为韧化相，因为针状铁素体组织具有大角度晶界和高密度位错，既可以提高焊缝金属的强度，又可以在裂纹扩展时改变裂纹扩展路径，增加裂纹扩展所需的能量。因此，阻碍了裂纹扩展，达到提高焊缝金属冲击吸收能量的目的[5-6]。

当前,随着剖宫产手术的普及,使得凶险性前置胎盘的发病率持续上升,有研究表明,11%~24%的前置胎盘患者属于凶险型。对母婴的健康和安全均形成了巨大的威胁[3]。

合金化、控制热输入或焊后冷却速度，以及焊后热处理。其中，在焊缝合金化方面利用药芯焊丝成分可调节的特点，将有益的合金元素过渡到焊缝金属中，如：Mn,Ti,B，稀土等，通过获得理想的焊缝组织来提高焊缝金属的冲击韧性是十分有效的方式，也成为国内外相关研究的热点[7-9]。在焊缝金属中Al元素具有脱氧、脱氮、净化焊缝的作用，形成的氧化物和氮化物一部分进入熔渣，一部分会进入到焊缝中，进入到焊缝中的Al元素的氧化物和氮化物既可以成为形核质点，利于焊缝金属形成针状铁素体组织，进而提高焊缝金属强度和韧性。同时，也可以成为微裂纹源，降低冲击吸收能量。因此，文中在自行设计的高强钢药芯焊丝中，通过拉伸试验、冲击试验等测试方法，结合金相组织观察、扫描电镜和透射电镜分析等检测手段，研究了Al元素对高强钢药芯焊丝焊缝金属组织和性能的影响，力求为高强钢药芯焊丝的研制提供一些可借鉴的依据。

1 试验材料和方法

试验用母材为舞阳钢铁公司产Q960高强钢，其组织为低碳马氏体，尺寸为300 mm×150 mm×10 mm，化学成分和力学性能见表1。药芯焊丝为自行研制，采用钢带成形法制备，直径为1.6 mm，药粉主要成分包括Mn,Mo,Cr,Ni,Ti,B,Al等元素，分别以电解锰、钼粉、金属铬、镍粉、钛粉、硼铁和铝粉等形式加入到粉体中，粒度在200～100 μm之间。

表1 Q960钢化学成分及力学性能

化学成分(质量分数,%)CSiMnCrNiMoNbTiB抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A(%)(-20 ℃)冲击吸收能量KV/J0.180.51.60.81.00.60.050.030.005≥960>12≥30

焊前装配时，将两块试板以平板对接位置放置，始焊端1 mm，终焊端3 mm，坡口角度为60°，焊缝两侧经打磨、清洗干净以便去除氧化皮、铁锈、油污等。采用钨极氩弧焊进行焊接，共4层，7道焊缝。焊接电流为190～210 A，焊接电压为26～29 V，钨极伸出长度为12 mm，保护气体为纯氩气，气体流量为18～20 L/min，层间温度控制在100 ℃左右。焊后，按GB/T 17493—2008《低合金钢药芯焊丝》标准要求截取试样。在奥林巴斯GX-51上观察焊缝金属组织形貌，利用其自带软件进行夹杂物尺寸的统计；在Hitachi S-3400N扫描电子显微镜上观察断口形貌，并对夹杂物进行能谱分析；焊缝金属中各合金元素成分是通过化学分析确定。按GB/T 2652—2008《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》标准进行拉伸试验，每种成分取5个试样的平均值；按GB/T 2650—2008《焊接接头冲击试验方法》进行冲击试验，冲击试验温度分别为室温(25 ℃)，0 ℃，-20 ℃，-40 ℃和-60 ℃，每种成分取3个试样平均值。

2 试验结果与分析

2.1 Al元素含量对焊缝金属组织的影响

表2为Al元素含量变化时，焊缝金属中各合金元素的含量。可以看出，随着焊缝金属中Al元素含量的增加，Mn元素含量增加，O，N元素含量减少，其余各合金元素含量变化不大。这是因为在焊缝金属中Al和O，N具有较强的结合能力，能够形成Al2O3和AlN，从而减少了焊缝金属中O，N含量。同时，因为Al元素的存在，减少了Mn元素与O的结合机会，使得更多的Mn元素过渡到焊缝金属中。

左小龙和泥巴进了房间，左小龙拉开窗帘，两人先看窗外，结果正好有人路过一抬头，看见两个脑袋，骂道：“看什么呢，看个屁啊。”紧接着酒店的保安就出来劝阻，两人没交流好，直接打了起来，保安掏出了电击棍，直接向那人杵去。结果那人也没什么反应。两人楞在那里半天，谁都没见过电击棍的使用效果，一个在等自己有反应，一个在等对方有反应，楼上两个脑袋在看两人有什么反应，结果十秒钟过去了，大家都没反应过来到底有没有反应。代表邪恶的一方总是先开窍的，那人喊道：“没充电啊你。”然后直接抡起一掌打在保安脸上。很快聚集了很多人，警车随即赶到。

表2 焊缝金属化学成分(质量分数，%)

AlMnMoCrNiNbTiBON01.091.400.891.190.050.430.0050.0160.0280.211.141.430.901.180.060.450.0050.0160.0190.401.201.430.901.190.050.420.0050.0150.0200.641.211.420.901.200.060.430.0050.0100.0170.811.201.450.881.200.050.430.0050.0070.0141.051.221.410.901.200.070.400.0050.0050.010

图1为Al元素含量变化对焊缝金属组织的影响。当焊缝金属中没有加入Al元素时，焊缝金属组织由晶界铁素体、针状铁素体和少量粒状贝氏体组成，如图1a所示。随着焊缝金属Al元素含量的增加，焊缝金属组织中针状铁素体含量增加，晶界铁素体含量减少，如图1b，1c所示；继续增加Al元素含量，焊缝金属中出现粗大的骨架状组织，如图1d,1e和1f所示，经分析认为是δ-铁素体组织。这是因为Al元素为强铁素体形成元素，具有扩大铁素体形成相区，缩小奥氏体形成相区的作用。当焊缝金属中Al元素含量较高时，在焊缝金属凝固冷却过程中首先从液态金属中析出δ-铁素体组织，因焊缝金属中固溶了大量的Al元素缩小了奥氏体相区，阻碍了奥氏体的形成，使得生成的δ-铁素体在随后的冷却过程中不能完全转变为奥氏体，而以粗大的骨架状保留到焊缝金属组织中，从而对焊缝金属的力学性能产生了不利影响。

2.2 Al元素对焊缝金属拉伸强度的影响

焊缝金属Al元素含量对接头抗拉强度和断后伸长率的影响如图2所示。从图中可以看出，随着焊缝金属中Al元素含量的增加，除0.21%Al以外，其余接头的抗拉强度在小幅度范围内呈线性增加，但增幅不大。同时，接头断后伸长率随着焊缝金属Al元素含量的增加呈小幅度下降趋势。这说明，虽然焊缝金属中Al含量的变化使得焊缝金属组织发生了较大的改变，但这一变化只在0.21%Al时有一定影响外，其余含量下对接头的拉伸性能影响不大。

图1 Al元素含量对焊缝金属组织形态的影响

图2 Al元素含量对焊缝金属拉伸性能的影响

2.3 Al元素含量对焊缝金属冲击吸收能量的影响

焊缝金属Al元素含量对焊缝金属冲击吸收能量的影响如图3所示。可以看出，当试验温度为室温(25 ℃),0～-60 ℃时，焊缝金属冲击吸收能量均在0.21% Al时出现了极值，此后随着Al元素含量的增加呈现出下降的趋势，甚至当焊缝中Al元素含量为1.05%时，各试验温度下冲击吸收能量比不加入Al元素焊缝金属冲击吸收能量还低。经分析认为，这与焊缝金属组织的变化有关。焊缝金属的冲击吸收能量与焊缝组织中的夹杂物大小、形貌、分布以及微观组织转变有着非常重要的关系[10]。例如：多边形夹杂物对冲击吸收能量的危害比圆球形夹杂物大，大尺寸夹杂物的危害比小尺寸大。

新教材的课文学习也应该以任务群的方式推行，要改变过去一篇一篇分析讲解的教学方式，应该以单元为整体，同样采用精读与泛读相结合的方式组织学生学习。比如必修一第一单元现代诗歌，学习任务主要是了解现代诗的韵律和节奏，体会诗歌语言独特的美感。在组织学生学习时可以从《毛泽东诗词二首》《中国现代诗四首》《外国诗三首》等3课中各选一首精读精讲，其他篇目则以泛读为主，还可以补充一些现代诗的经典作品供学生阅读，读了之后可以组织现代诗创作比赛之类的活动，从而完成现代诗歌阅读与写作任务群的学习任务。

图3 Al元素含量对焊缝金属冲击吸收能量的影响

当焊缝金属Al元素含量为0.21%时，焊缝金属冲击吸收能量出现极值是因为组织中存在着大量的针状铁素体，如图1b所示。针状铁素体组织在焊缝金属中为中温转变产物，一般在晶内形核长大，以大角度分布，取向自由度大，具有高密度位错，因此可在微裂纹扩展时增加裂纹扩展路径，从而提高强度和韧性，分别如图2,3所示。焊缝金属中针状铁素体一般为晶内形核，以夹杂物为核心进行形核和长大。因此，夹杂物的数量、大小和分布对针状铁素体的形核有较大的影响。当焊缝金属中加入Al元素后，Al元素可以与O,N发生反应生成Al2O3氧化物和AlN氮化物，这些氧化物和氮化物一部分会进入到熔渣中排除在焊缝之外，一部分会进入到焊缝金属中。进入到焊缝金属中的夹杂物既可能会成为针状铁素体的形核质点，也可能成为裂纹源。经研究发现，当Al元素含量较低时，在焊缝金属冷却过程中Al元素优先与O发生反应生成Al2O3氧化物，这种氧化物通常尺寸较小，呈弥散分布，形状为圆球形，如图4a,4b所示。这种氧化物有利于针状铁素体以此为核心进行形核和长大。当Al元素含量增加时，Al元素易与N发生反应生成AlN氮化物，为多边形，尺寸较大，如图4c,4d所示。这种氮化物在受到外力作用下，因夹杂物与周围基体组织之间的弹性模量不同，裂纹将会从夹杂物周围开始形成并向远处扩展。

图4 焊缝金属中夹杂物形态及能谱图

表3为焊缝金属中Al元素含量分别为0.21%和1.05%时，在相同视场内夹杂物尺寸的统计。可以看出，当Al元素含量为0.21%时，焊缝金属中大部分夹杂物尺寸均小于1.0 μm，结合图4a,4b分析小尺寸的夹杂物为Al2O3氧化物，这种氧化物一方面可以作为针状铁素体的形核中心，增加形核机率，另一方面因尺寸小，外表呈圆球形而降低了对周围基体组织的割裂作用，因此，对焊缝金属冲击吸收能量的提升是有利的。当Al元素含量为1.05%时，焊缝金属中大于2.0 μm的夹杂物增多，结合图4c，4d分析生成的夹杂物为AlN氮化物，颗粒大，呈多边形，对焊缝金属冲击吸收能量不利。同时，当焊缝金属中Al元素含量多时，焊缝金属组织中还存在着凝固过程中来不及转变的骨架状δ-铁素体组织，因此更加使得焊缝金属冲击吸收能量降低，甚至比不加入Al元素时焊缝金属的冲击吸收能量还低。

表3 焊缝金属中夹杂物尺寸及分布 个

Al元素含量(%)0～0.5 μm0.5 ～1.0 μm1.0 ～2.0 μm大于2.0 μm0.21107135851.059976612

3 结论

(1)Al元素对高强钢焊缝金属不仅具有脱氧、脱氮、净化焊缝的作用，同时对组织转变也有所影响。当Al元素含量较低时，焊缝金属组织以针状铁素体组织为主；随着Al元素含量增加，白色骨架状δ-铁素体组织增多。

(2)随着焊缝金属中Al元素含量增加，接头抗拉强度呈小幅度增大趋势，断后伸长率呈小幅度降低，但变化不大。Al元素含量的变化对焊缝金属冲击吸收能量影响较大，呈现先增大后降低的趋势，极值出现在Al元素含量为0.21%时。这主要与焊缝金属的组织转变和夹杂物的种类、尺寸和形状有关。

(3)当焊缝金属中Al元素含量较低时，组织中易形成Al2O3氧化物夹杂物，呈圆球形，尺寸较小，为弥散分布，可成为针状铁素体形核质点，有利于提高焊缝金属冲击吸收能量；当焊缝金属中Al元素含量较高时，组织中形成AlN氮化物，颗粒较大，为多边形，易在夹杂物和周围基体间产生微裂纹，对焊缝金属冲击吸收能量有不利影响。

亡羊补牢可以说是美国的立法系统如何对待行政道德问题的一幅写照。美国政坛的行政改革大体上就是这样一路走来的。正如作者所述:每当丑闻过后，立法系统才把目光投向道德 (The legislative branch often turns its attention to ethics in the aftermath of scandal)。不但如此，万一有议员涉案其中，同僚们的反应则往往是顾左右而言他，讨论起来不着边际、不得要领。实际上，因丑闻而催生的针对议员行为的有点意义的新规范，几乎是凤毛麟角。

参考文献

[1] 叶美英, 皇莆双娥. 低合金高强钢结构的焊接工艺与组织性能研究[J]. 热加工工艺，2018，47(11): 220-224.

[2] 董明水, 陈明. 低合金高强钢WELDOX700与WELDOX900的焊接[J]. 焊接，2006(6): 45-46.

[3] 刘军华. Q690E低合金高强钢MAG焊接工艺研究[J]. 焊接，2017(9): 65-69,84.

[4] 裘荣鹏, 武丹. 保护气体中氧气含量对低合金高强钢熔敷金属组织和力学性能的影响[J]. 热加工工艺, 2016, 45(23): 52-55,59.

[5] 王恒辉, 万响亮, 李光强, 等. 低合金高强度钢焊缝针状铁素体联锁组织与性能[J]. 材料热处理学报，2014, 35(12): 114-120.

[6] 张敏, 陈阳阳, 刘明志, 等. 超低碳贝氏体钢埋弧焊焊接接头韧化机理分析[J]. 焊接学报，2016, 37(6): 45-49.

[7] 陈翠欣, 薛海涛, 陈翠玲, 等. 纳米氧化物合金化对低合金高强钢熔敷金属组织和性能的影响[J]. 焊接学报, 2016, 37(9): 29-34.

[8] 杨军, 吴鲁海, 毛及放. 低合金高强钢焊缝熔敷金属强韧化机理[J]. 焊接学报，2006, 27(3)：86-90.

[9] 隋少华, 蔡玮玮, 宋天革, 等. Ti-B微合金化焊缝金属的韧化机理[J]. 焊接学报，2004，25(6)：103-106.

[10] 王爱华. 690 MPa级海洋平台用钢焊缝夹杂物对熔敷金属低温韧性影响的分析[J]. 焊接, 2015(6): 47-50.