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[摘 要]：本文对16Mn钢的焊接性能进行探讨，检测了焊缝及其热影响区的金相显微组织，测试了焊接接头的力学性能。结果表明，焊缝和热影响区的显微组织正常，熔合区和过热区的硬度都高于焊缝金属；另外焊接接头屈服强度的平均值为435.67MPa,抗拉强度的平均值为644.7MPa，比16Mn钢的母材强度要高。
[关键词]焊接金相组织力学性能
1前言
16Mn钢一般在热轧状态下使用,它具有良好的综合力学性能、低温冲击韧性,冷冲压性及切削性均好,在我国应用面极广,可以制造大型船舶、铁路车辆、桥梁、管道、锅炉、压力容器、工程机械、起重机械、厂房钢架等承受负荷的焊接结构,这就要求其不仅有好的力学性能,还要有好的焊接性能。
随着我国工程机械企业日益激烈的竞争,工程机械结构件的焊接将成为企业发展的一个很关键的产品质量问题。16Mn钢板是在Q235 的基础上增添了较多的锰和少的硅而形成的,锰和硅都能溶入铁,起固溶强化作用,显然锰的强化作用大,和Q235 相比,强度有所提高,冲击韧性优于Q235 ,塑性有所降低。16Mn钢由于良好的综合力学性能大量应用于工程机械制造中。
2试验方法与工艺
2.1 实验材料及焊前准备
采用10mm厚的16Mn钢板及直径￠1. 2 mm 的H08Mn2Si焊絲进行80%Ar-20%CO2 混合气体保护焊, 16Mn钢属于热轧低合金高强钢，焊接性较好，通常淬硬冷裂倾向不大.其化学成分见表1
表116Mn钢的化学成分
根据国际焊接学会推荐的低合金结构钢的碳当量CE的计算公式:
16Mn钢
式中各元素含量取平均值。当
当＜0.4%时，钢材的塑性良好"通常情况下可焊性较好。
对钢材表面进行清理,使工件表面无任何缺陷(裂纹、气孔、砂眼、疏松等)备焊。由于16Mn钢的焊接性能较好, 试件焊前未预热。
2.2 焊接工艺
1） 清除待焊部位及两侧10～20mm 范围内的油污、锈迹等污物,在喷嘴上涂一层喷嘴防堵剂。
2）焊接电流：230mA；电弧电压：22V；气体流量：10～15L/min;干伸长：12mm。
2.3 测试
采用Leco M-400-H1 型显微硬度计加载10g力测定镀态表面硬度。利用金相显微镜和Axiovert 25CA(Zeiss)光学图像分析仪观察其显微组织。按照GBT 2652-2008 焊缝及熔敷金属拉伸试验方法进行力学检验
3试验结果分析
3.1 显微组织分析
图1 母材图2 不完全重结晶区
16Mn钢母材的金相组织为呈带状铁素体和珠光体如图1，如图2不完全重结晶区只有一部分组织发生了相变重结晶过程，成为细小的铁素体和珠光体，而另一部分是始终未能溶入奥氏体的铁素体，成为粗大的铁素体。正火区和不完全正火区的冷却速度较快, 铁素体组织细化、分散, 伪共析增多, 呈细片状, 与熔合区、过热区相比较均匀, 带状组织有所改善。 此区晶粒大小不一，组织不均匀，因此力学性能也不均匀。
图3 过热区 图4 熔合区
过热区的范围温度是处在固相线以下到1100℃左右，金属处于过热的状态奥氏体晶粒发生严重的长大现象，冷却之后便得到了粗大的组织，如图3。过热区与熔合区没有严格的界限, 熔合区的金相组织比较粗大如图4, 主要是由沿晶界析出的先共析铁素体、伪共析组织及一定数量的魏氏组织组成，由于魏氏体组织的出现，容易产生脆化，构成了接头的薄弱环节，这时宜小线能量焊接。16Mn钢由于有锰加入，使过热区出现少量的粒状贝氏体组织。
图5 焊缝金属
焊缝金属的显微组织如图5，金相组织包括晶界先共析铁素体，魏氏体组织铁素体，针状铁素体和贝氏体组织。在铁素体基体上分布着碳化物、少量的贝氏体颗粒和许多不规则的岛状组织。焊缝金属组织呈柱状晶分布,晶界处为铁素体,晶内为贝氏体和针、块状分布的铁素体。冷却时,由于向外散热,故使焊缝的熔融金属沿热扩散方向结晶而获得柱状晶,此时,先共析的铁素体沿柱状晶界析出,由于温度较高,且冷速又稍快,因此组织呈过热特征,但随后的冷却过程中,奥氏体因过冷度较大,而转变为贝氏体组织。
3.2 焊接性能
3.2.1 显微硬度
表2 焊接接头的显微硬度（HV）
由表2可知, 在焊缝和热影响区显微硬度值都高于母材，并且熔合区和过热区的硬度都高于焊缝金属。在熔合区和过热区由于3个试样焊接工艺的不同, 造成这些区域的显微组织变化较大, 导致它们的显微硬度值有较3.2.2 焊接接头的力学性能
图6 焊接接头的屈服强度焊接有效面积的变化
图7 焊接接头的屈服强度焊接有效面积的变化
焊接接头屈服强度和抗拉强度的测量结果绘于图6、7。由图6、7可以看出,这两个参量基本不随焊接接头的有效接触面积的增加而增加，焊接接头的屈服强度是随着接头有效面积的增大先下降后上升再下降的变化趋势；焊接接头的抗拉强度是随着接头有效面积的增大先增大后减小再增大的变化趋势。其中,焊接接头屈服强度的平均值为435.67MPa,抗拉强度的平均值为644.7MPa。与基体材料16Mn钢的屈服强度335 MPa 和抗拉强度510MPa相比,焊缝区材料的强度明显升高。
4结论
1）16Mn钢板焊接接头的过热区与熔合区形成了魏氏组织,容易产生脆化,构成了接头的薄弱环节,这时宜，宜小线能量焊接。
2）熔合区和过热区的硬度都高于焊缝金属。
3）焊接接头屈服强度的平均值为435.67MPa,抗拉强度的平均值为644.7MPa。与基体材料16Mn钢的屈服强度335 MPa 和抗拉强度510MPa相比,焊缝区材料的强度明显升高。
5 参考文献
[1]张文钺.焊接冶金学[M].北京：机械工艺出版社，1999.
[2]李娟，曾志超，潘金喜等.Q235钢基体上堆焊金属的组织和硬度分析[J].电焊机，2007，37（7）67～71.
[3]刘金辉，赵志刚，胡伟. 16Mn 钢板与Q235钢板焊接的实践[J].河北冶金，2005，147（3）42～43.
[4]陈芙蓉，董俊慧，徐润生等. CCEW对16Mn钢焊接接头组织和力学性能的影响[J]. 内蒙古工业大学学报，2000，19（2）111～114.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
[关键词]焊接金相组织力学性能
1前言
16Mn钢一般在热轧状态下使用,它具有良好的综合力学性能、低温冲击韧性,冷冲压性及切削性均好,在我国应用面极广,可以制造大型船舶、铁路车辆、桥梁、管道、锅炉、压力容器、工程机械、起重机械、厂房钢架等承受负荷的焊接结构,这就要求其不仅有好的力学性能,还要有好的焊接性能。
随着我国工程机械企业日益激烈的竞争,工程机械结构件的焊接将成为企业发展的一个很关键的产品质量问题。16Mn钢板是在Q235 的基础上增添了较多的锰和少的硅而形成的,锰和硅都能溶入铁,起固溶强化作用,显然锰的强化作用大,和Q235 相比,强度有所提高,冲击韧性优于Q235 ,塑性有所降低。16Mn钢由于良好的综合力学性能大量应用于工程机械制造中。
2试验方法与工艺
2.1 实验材料及焊前准备
采用10mm厚的16Mn钢板及直径￠1. 2 mm 的H08Mn2Si焊絲进行80%Ar-20%CO2 混合气体保护焊, 16Mn钢属于热轧低合金高强钢，焊接性较好，通常淬硬冷裂倾向不大.其化学成分见表1
表116Mn钢的化学成分
根据国际焊接学会推荐的低合金结构钢的碳当量CE的计算公式:
16Mn钢
式中各元素含量取平均值。当
当＜0.4%时，钢材的塑性良好"通常情况下可焊性较好。
对钢材表面进行清理,使工件表面无任何缺陷(裂纹、气孔、砂眼、疏松等)备焊。由于16Mn钢的焊接性能较好, 试件焊前未预热。
2.2 焊接工艺
1） 清除待焊部位及两侧10～20mm 范围内的油污、锈迹等污物,在喷嘴上涂一层喷嘴防堵剂。
2）焊接电流：230mA；电弧电压：22V；气体流量：10～15L/min;干伸长：12mm。
2.3 测试
采用Leco M-400-H1 型显微硬度计加载10g力测定镀态表面硬度。利用金相显微镜和Axiovert 25CA(Zeiss)光学图像分析仪观察其显微组织。按照GBT 2652-2008 焊缝及熔敷金属拉伸试验方法进行力学检验
3试验结果分析
3.1 显微组织分析
图1 母材图2 不完全重结晶区
16Mn钢母材的金相组织为呈带状铁素体和珠光体如图1，如图2不完全重结晶区只有一部分组织发生了相变重结晶过程，成为细小的铁素体和珠光体，而另一部分是始终未能溶入奥氏体的铁素体，成为粗大的铁素体。正火区和不完全正火区的冷却速度较快, 铁素体组织细化、分散, 伪共析增多, 呈细片状, 与熔合区、过热区相比较均匀, 带状组织有所改善。 此区晶粒大小不一，组织不均匀，因此力学性能也不均匀。
图3 过热区 图4 熔合区
过热区的范围温度是处在固相线以下到1100℃左右，金属处于过热的状态奥氏体晶粒发生严重的长大现象，冷却之后便得到了粗大的组织，如图3。过热区与熔合区没有严格的界限, 熔合区的金相组织比较粗大如图4, 主要是由沿晶界析出的先共析铁素体、伪共析组织及一定数量的魏氏组织组成，由于魏氏体组织的出现，容易产生脆化，构成了接头的薄弱环节，这时宜小线能量焊接。16Mn钢由于有锰加入，使过热区出现少量的粒状贝氏体组织。
图5 焊缝金属
焊缝金属的显微组织如图5，金相组织包括晶界先共析铁素体，魏氏体组织铁素体，针状铁素体和贝氏体组织。在铁素体基体上分布着碳化物、少量的贝氏体颗粒和许多不规则的岛状组织。焊缝金属组织呈柱状晶分布,晶界处为铁素体,晶内为贝氏体和针、块状分布的铁素体。冷却时,由于向外散热,故使焊缝的熔融金属沿热扩散方向结晶而获得柱状晶,此时,先共析的铁素体沿柱状晶界析出,由于温度较高,且冷速又稍快,因此组织呈过热特征,但随后的冷却过程中,奥氏体因过冷度较大,而转变为贝氏体组织。
3.2 焊接性能
3.2.1 显微硬度
表2 焊接接头的显微硬度（HV）
由表2可知, 在焊缝和热影响区显微硬度值都高于母材，并且熔合区和过热区的硬度都高于焊缝金属。在熔合区和过热区由于3个试样焊接工艺的不同, 造成这些区域的显微组织变化较大, 导致它们的显微硬度值有较3.2.2 焊接接头的力学性能
图6 焊接接头的屈服强度焊接有效面积的变化
图7 焊接接头的屈服强度焊接有效面积的变化
焊接接头屈服强度和抗拉强度的测量结果绘于图6、7。由图6、7可以看出,这两个参量基本不随焊接接头的有效接触面积的增加而增加，焊接接头的屈服强度是随着接头有效面积的增大先下降后上升再下降的变化趋势；焊接接头的抗拉强度是随着接头有效面积的增大先增大后减小再增大的变化趋势。其中,焊接接头屈服强度的平均值为435.67MPa,抗拉强度的平均值为644.7MPa。与基体材料16Mn钢的屈服强度335 MPa 和抗拉强度510MPa相比,焊缝区材料的强度明显升高。
4结论
1）16Mn钢板焊接接头的过热区与熔合区形成了魏氏组织,容易产生脆化,构成了接头的薄弱环节,这时宜，宜小线能量焊接。
2）熔合区和过热区的硬度都高于焊缝金属。
3）焊接接头屈服强度的平均值为435.67MPa,抗拉强度的平均值为644.7MPa。与基体材料16Mn钢的屈服强度335 MPa 和抗拉强度510MPa相比,焊缝区材料的强度明显升高。
5 参考文献
[1]张文钺.焊接冶金学[M].北京：机械工艺出版社，1999.
[2]李娟，曾志超，潘金喜等.Q235钢基体上堆焊金属的组织和硬度分析[J].电焊机，2007，37（7）67～71.
[3]刘金辉，赵志刚，胡伟. 16Mn 钢板与Q235钢板焊接的实践[J].河北冶金，2005，147（3）42～43.
[4]陈芙蓉，董俊慧，徐润生等. CCEW对16Mn钢焊接接头组织和力学性能的影响[J]. 内蒙古工业大学学报，2000，19（2）111～114.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。