预变形对Q235焊接组织热影响区的影响

摘 要：熔化极气体保护焊是一种常用的焊接技术。本文基于该技术研究预变形对Q235焊接热影响区的影响。结果表明预变形焊接件获得了更为均匀的焊接组织。

关键词：变形；熔化极气体保护焊；热影响区

1 导论

某汽车公司在进行某种底盘设计时考虑在冲压件的曲面进行焊接，曲面中心角为90°。由于冲压过程中板料在模具里受力发生塑性变形，因而该问题转化为研究在变形件上的焊接。本论文中主要叙述变形对材料焊接热影响区的影响，研究材料为普通碳素结构钢Q235，具有较高的强度和良好的塑性、韧性和冷冲压性能、冷弯性能，且冶炼方便，成本较低，可焊性好，且焊后接头塑性和冲击韧性良好，广泛应用于一般要求的零件、钢筋混凝土结构和焊接结构。

目前已有的变形件上的焊接研究仅限于反变形法，以控制焊后变形的产生。例如，基于固有应变理论下的热弹塑性有限元模型，MURAKAWA等[1]得出9mm板上单面焊接热输入为880J/mm的T型焊接（T-joint）中产生的角变形约为1.7°。然而本课题研究的变形件变形量较大，为直角变形，因而需要考虑塑性变形的影响。塑性变形宏观表现为硬度和抗拉强度增强而疲劳性能变差，微观表现为位错密度增加。从热力学角度来讲，变形后晶粒形变能增加，故再结晶温度降低[2]。

2 试验方法和内容

2.1 焊接试验母材

实验母材为普通碳素钢Q235，厚度4mm。化学成分为0.17wt%C，1.4wt%Mn，0.03wt%P，0.03wt%S，余量为Fe。母材微观组织如图1所示。可以观察到粗晶铁素体和晶间珠光体，具有典型的珠光体钢的结构。

2.2 焊接方案的确定

实验采用熔化极活性气体保护焊配合焊接机器人来完成焊接。采用焊接保护气成分为96% Ar+3% CO2+1% H2，焊丝由Castolin Eutectic公司提供，直径1.2mm，型号Arianox 73499-12，符合欧洲标准EN ISO 14341-A：G 46 4 M G3Si1。

对于钢板采用90°弯折，设定错开焊接距离d为8mm，预测使热影响区位于最大形变区，即90°弯折区。错开距离d的示意图如图2所示。经试焊，选择余高小、未焊透、表面微凸的焊道[3]，相应的无变形焊接和变形后焊接参数均为焊枪速度4mm/s，送丝速度为5m/min，电压为23V。获得的宏观形貌见图3，并验证d=8mm时热影响区处于最大形变区。

3 Q235焊接件焊接组织

3.1 T型焊接件焊接组织

观察T型样品第二条焊缝（图3（a）中左边焊缝）的焊趾区域，依次可得熔化区，部分熔化区，热影响区的粗晶区（CGHAZ）、细晶区（FGHAZ）等。各区域组织见图4，是典型的低碳钢焊接组织[3，4]。其中，热影响区主要由铁素体和珠光体组成，该区域有较好的塑性和韧性。

在观察时标记热影响区不同区域边缘坐标并计算各区域大小，其中粗晶区区域宽度约为1700μm，细晶区约为300μm，如图4（d）所示。

3.2 预变形焊接件焊接组织

d为8mm时热影响区处于最大形变区，其各区域组织类似T型焊接组织。但是区域宽度有所变化。粗晶区宽度约为1300μm，细晶区宽度约为1100μm。图5显示该细晶区中晶粒比T型焊接中的粗大。

3.3 预变形对焊接组织热影响区的影响

总结两种焊接接头中热影响区宽度及形貌，得出变形后焊接件中，粗晶区宽度减幅不大，而细晶区宽度增大。然而细晶区晶粒比T型焊接中细晶区晶粒大。原因是室温形变时，铁素体内储存的形变能高，有利于再结晶，且变形后再结晶温度降低造成细晶区温度范围增大，区域宽度增大。同时在细晶温度范围停留时间更久，造成晶粒生长。此外，文献表明[5]，在冷变形过程中由于珠光体团的碎化，可能出现粒子促进形核而一定程度加速再结晶。这也可能加剧在最大形变区的热影响区范围扩大并且晶粒一定程度的生长。

4 结论

实验得出在Q235变形后焊接件中，合理的焊接参数为焊枪速度4mm/s，送丝速度5m/min，电压23V。变形后焊接工艺能增大细晶区域但使细晶晶粒稍微粗化。变形后焊接接头组织更加均匀，因此预变形能优化接头焊接组织分布。

参考文献：

[1]MURAKAWA，Hidekazu，DENG，Dean，MA，Ninshu，etal.Applications of inherent strain and interface element to simulation of welding deformation in thin plate structures. Computational Materials Science， 2012，vol.51，no 1，p.43-52.

[2]YAMAZAKI， Seiya， LU， Zhanpeng，ITO，Yuzuru，et al.The effect of prior deformation on stress corrosion cracking growth rates of Alloy 600 materials in a simulated pressurized water reactor primary water.Corrosion Science，2008，vol.50，no 3，p.835-846

[3]KOU，Sindo.Welding metallurgy（second edition）.New York， Wiley interscience.1987： 136-137

[4]WEMAN， Klas. Procédés de soudage. Dunod， 2012.

[5]杨平，高鹏，崔凤娥，等.低碳钢压缩变形时的形变不均匀性及其对铁素体转变的影响[J]. 塑性工程学报，2004，11（03）： 15-21.

作者简介：吴珞菲（1990―），女，硕士生，研究方向：电弧焊焊接工艺。