SAHP400热轧钢CO2焊接头的组织及性能分析

SAHP400热轧钢CO2焊接头的组织及性能分析
发布时间：2022-05-25T07:05:59.596Z 来源：《科学与技术》2022年2月第3期作者：李胜冯超
[导读] 利用显微硬度计、光学显微镜、扫描电镜，并且进行了能谱测试
李胜冯超
中车大同电力机车有限公司山西省大同市037054
摘要：利用显微硬度计、光学显微镜、扫描电镜，并且进行了能谱测试，对3毫米厚的SAHP400热轧钢CO2焊接头组织进行了分析，结果发现：其一，SAHP400热轧钢CO2焊接头的组成部分包括粒状铁素体、珠光体、长条状铁素体、侧板条状铁素体，其二，焊缝顶部的长条状铁素体晶粒生长的方向为自下而上；其三，焊缝中心晶粒变大，形成了轴晶；其四，断口出现韧窝，具有韧性断裂特点；其五，接头焊缝硬度比热影响区高；其六，利用二氧化碳气体会导致焊接中的氧元素和碳元素含量加大。

关键词：SAHP400热轧钢；CO2焊接头；组织；性能
热轧钢是一种在高温条件下轧制的钢材，其强度不大，不过可以满足人们的使用需要，主要特点在于塑性好、可焊性好，冷轧钢是普通热轧钢经过强力拉拔得到的钢材，而热轧钢是温度达到1000摄氏度，实现内部的重结晶。

SAHP400热轧钢是一种强度大、焊接性能好的材料，主要用于汽车大梁与受力支架。

车架的质量直接对汽车的安全性能与使用性能产生影响，近年来SUV受到消费者的广泛欢迎，其中很多的SUV车架由槽型纵梁、横梁焊接而成，并且车架中有上百出焊接接头，在连接车架上有着重要作用。

一、SAHP400热轧钢的性能
在汽车车架材料中SAHP400热轧钢具有重要作用，二氧化碳在焊接中具有可控性强、焊接性能良好以及经济效益好的特点，成为车辆焊接与生产中使用的气体之一，也是汽车车架构件焊接的理想方法。

此外，相较于手工电弧焊，具有焊接速度快、节约成本的优势，SAHP400热轧钢利用二氧化碳的研究较早，不过对理想条件下的焊接组织性能不够明确，以下进行相关分析[1]。

二、试验材料与方法
本次试验的材料为汽车机构的SAHP400热轧钢，尺寸为3毫米X100毫米X150毫米。

母材中的主要化学成分主要包括硫（<0.025%）、碳（<0.14%）、磷（<0.03%）、硅（<0.3%）、锰（<1%）。

焊丝的型号为ER50-6，直径为1.2毫米，其中化学成分与比重如下：碳
（0.06%-0.15%）、锰（0.8%-1.15%）、硅（0.8%-1.15%）、磷（0-0.025%）铜（0-0.035%）。

焊接设备为日本松下公司生产的二氧化碳气体保护焊接机器人，可以对重达18千克的货物搬运，最大工作距离为1796毫米，焊接电源型号为TD-350FR。

在焊接之前使用酒精对材料的表面进行清洗，之后使用丙酮对材料表面杂质清除，确保焊接面的平整与光洁。

在焊接期间，二氧化碳的流量稳定为每分钟18升，电流的极性为直接反接，将焊接的电压设定为380伏。

焊接之后对焊接的表面进行观察，成型之后制备金相试样，使用4%的硝酸酒精溶液对焊缝进行腐蚀，再用MR5000的金相显微镜对焊缝显微组织进行观察，然后利用型号WDW-100的万能拉伸试验机对试样拉伸，进而得到接头抗拉强度。

最后利用WT-401MDV型显微镜硬度计量焊缝截面显微硬度，在扫描电镜选对焊缝的断口形貌进行观察，最后用能谱测试仪对于化学成分分析。

结合前期的试验结果焊接速度变化范围为每分钟50-65厘米，当焊接电流处于170-180A，发现焊接电流175A下的焊接速度达到每分钟50厘米，接头的抗拉强度为最大，数值为471兆帕[2]。

三、试验结果与分析
（一）接头的微观组织特点
在焊接电流为175A，并且焊机的速度达到每分钟50厘米时，SAHP400热轧钢母材是白色的铁素体，带有少量的黑色珠光体，并且接头的热影响区细晶区晶粒变化明显，从粒状铁素体变成针状铁素体，出现在熔合区的晶粒更加粗大。

此外，熔合区接近焊缝，在高温的影响下出现一些晶粒长大为条状铁素体情况。

通过观察可以发现，集中在焊缝顶部的铁素体增大明显，形状为等轴树枝，并且向着下方生长。

研究发现，在焊缝的顶端受到解热作用导致生长速度最快，并且随着高温的持续影响晶粒继续向下长大，在显微镜的观察下晶粒为等轴晶状，在焊缝中还会存在一些黑色珠光体。

相比之下，在焊缝的底部散热速度较快，导致铁素体的含量加大，主要原因在于焊接热循环冷却条件影响了奥氏体品界析出铁素体的量。

而其它条件下焊缝底部的温度比中心杜区域更低，散热更快，导致高温的停留时间少，冷却的速度更快，不能满足晶粒的生长需要，出现了较多的侧板条铁素体。

所以说，SAHP400热轧钢的接头组成包括了粒状铁素体、长条状铁素体、侧板条状铁素体、珠光体和少量的针状铁素体，并且集中的焊缝顶端的晶粒从上向下生长，在焊缝中心的晶粒更大，发展成等轴晶，底部的区域成为侧板条铁素体[3]。

（二）焊接接头显微硬度
在焊接电流为175A，焊接的速度达到每分钟50厘米时，母材、焊缝和热影响区的接头显微硬度值都发生变化。

SAHP400热轧钢母材的平均显微硬度接近170HV，而热影响区平均显微硬度达到220HV，焊缝的平均显微硬度值达到2621HV，这就说明焊缝的显微硬度比热影响区与母材更高[4]。

（三）接头拉伸断口
在焊接电流达到175A，焊接速度为每分钟50厘米时，SAHP400热轧钢接头的拉伸断口具有新特点，放大观察之后发现断口部位是蜂窝状，有明显的撕裂迹象，断口的端面出现较大韧窝，在整个其余均匀分布，并且可以发现其中的颗粒状物质，通过能谱测试得到颗粒中含有氧元素、铁元素与碳元素，其中铁元素的含量为56.67%、氧元素的含量为24.25%、碳元素的含量为19.08%。

原始SAHP400热轧钢母材与ER50-6焊丝中都不存在氧元素，并且含碳量低于0.14%，位于断口部位的碳元素与氧元素含量增加明显。

在分析之后发现二氧化碳和ER50-6焊丝的硅元素出现冶金反应，得到了二氧化硅和碳也让氧和碳的含量增多，拉伸期间硬质相二氧化硅焊缝的内部集中出现，接头在拉力的作用下发生位移，随着拉力的加大在粒子周边出现微小的裂纹，并且在拉力影响下粒子和四周分开出现韧窝[5]。

结束语：
综上所述，SAHP400热轧钢是汽车支架生产中的主要材料，对其研究有着重要意义。

SAHP400热轧钢的接头包括了粒状铁素体、长条
状铁素体、侧板条状铁素体、珠光体和少量的针状铁素体，焊缝的顶部中长条状铁素体晶粒从上向下生长，形成轴晶，研究还发现接头的焊缝硬度值比母材和热影响区更高，最大的硬度为262HV。

此外，SAHP400热轧钢焊接断口出现韧窝，采用二氧化碳保护气体焊接会增加碳元素与氧元素含量。

参考文献：
[1]赵霞,毛锦荣,徐新攀.车架结构件CO2气体保护焊工艺优化[J].热加工工艺,2017,46(1):211-214.
[2]杨家雷.CO2气体保护焊单面焊双面成形焊接技术研究[J].工程建设与设计,2020,22(1):254-256.
[3]伊红伟,胡慧慧,陈长风.CO2环境下油酸咪唑啉对X65钢异种金属焊缝电偶腐蚀的抑制作用研究[J].中国腐蚀与防护学报,2020,40(2):96-104.
[4]杨晓宇,邢蕊,谢晓辉.管线钢摩擦焊接头在饱和CO2环境中的电化学腐蚀性能研究[J].新技术新工艺,2021,402(6):50-56.
[5]王海波,方俊飞,彭欢. 焊接热循环对热轧Giga钢板焊接粗晶区组织和韧性的影响[J]. 热处理,2021,36(2):26-30.。