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HSLA 钢S500MCT型接头焊缝的组织，硬度和残余应力分布

摘要：本文研究了MIG焊接高强度低合金钢S500MC的显微组织，硬度和残余应力分布特征。使用双通道MIG焊接技术连接10mm厚板的T形接头焊缝。采用等高线法测量纵向焊接残余应力。获得的结果强调了冶金相组分与焊接区内的硬度分布之间的良好相关性。实际上，在熔合区中存在贝氏体和较小的铁素体晶粒尺寸可能是该区域硬度最高的原因，还获得了残余应力和硬度分布的类似趋势。

1简介

正如Manganello的文章里所描述的，由于HLSA钢所具有的良好的焊接性，高屈服强度，韧性和成形性，它们被广泛应用于各种领域的焊接结构(运输、建筑、近海结构等)。然而，高强度低合金钢的机械性能可以通过焊接工艺改变，更准确地说是由于热输入和冷却速率。Scholtes和Lu证明了焊接过程中的相变和非均质塑性变形导致焊缝金属(焊缝金属)和热影响区(热影响区)组织的改变。可以恶化焊接结构的性能，并导致残余应力的出现。

Maddox 和Zhang发现，冷却过程中晶粒尺寸的改变和相的转变对焊接残余应力和硬度分布的水平有影响，这可能导致疲劳强度降低。最近，一些研究已经调查显微组织，硬度，对HLSA钢对接焊接接头的不同区域的残余应力和晶粒尺寸和相转变的影响。Alipooramirabada指出，高水平的残余应力和硬度可能与熔合区贝氏体和铁素体的存在有关。Oyyaravelu发现HSLA钢焊缝的显微组织与其力学性能之间存在良好的相关性。Nathan证明高硬度值与焊缝金属中贝氏体，铁素体，碳化物和针状铁素体的存在有关。然而，关于HSLA钢T型焊接接头特性的研究很少。

为此，本文对T焊接头的显微组织、硬度和残余应力进行了研究。残余应力是评定焊接结构完整性的重要因素。采用等高线法(CM)来评估了T型焊缝整个表面上的残余应力。该方法被广泛应用于评估厚焊接接头残余应力。这是一种破坏性技术，可在整个切割面上提供纵向残余应力图。CM包括四个主要步骤：(1)试样切割；(2)位移测量；(3)表面数据处理；(4)有限元法计算残余应力。一些研究人员研究了CM对焊接部件给出的结果的可信度。Prim等人[14]发现CM给出的测量结果与中子衍射法测量焊接试样的结果一致。Kartal等人[15]将CM得到的测量结果与X射线衍射(XRD)方法的测量结果进行比较，证实了这两种用于测量VPPA焊接板上残余应力的技术之间的良好一致性。

2材料和实验方法

2.1焊接程序

本研究采用S500MC钢作为T型焊接板的基材。其化学成分见表一。对HSLA钢板进行了焊接试验。实验室采用MIG(金属惰性气体)焊接技术，该技术发展于20世纪40年代，通常用于工业应用。10 mm厚板的T型焊接接头分两次生产.焊丝直径约为1mm，其化学成分详见表二。T型焊缝几何形状如图1所示.母材(母材金属)和焊接后的焊缝金属的力学性能列于表三。焊接电流和电压分别为128 A和17 V。在整个研究中，X、Y和Z方向分别表示纵向、横向和法向，如图1所示。

表一 S500MC钢的化学成分

表二 填料的化学成分

图1 焊板几何形状

表三 母材金属和焊缝金属的力学性能

2.2显微组织评估

为评价焊接引起的微观结构变化，已经对从T形焊接板提取的样品进行了金相学研究。为了显微组织检测，首先将焊接板切割，嵌入黑色环氧树脂中，用标准金相技术抛光，然后在2%的锡度溶液中蚀刻20秒。在本研究中，利用VHX-1000数字显微镜和扫描电子显微镜(SEM)对焊接接头的微观结构进行了表征。

2.3显微硬度测量

采用FM-300E型硬度计，在维氏高压比例尺上，在1.0kg载荷下进行了显微硬度测量。测量结果为一条位于焊接表面上方2毫米处的硬度测试线，如图2所示。这条线穿过母材金属、热影响区和焊缝金属。为了得到测量的最小分散度，每个缩进之间的间距为0.3毫米。(每行50分)。

图2 显微硬度测试线

2.4 等高线法

正如Thibault等人所描述的，焊接板的最大拉应力和压应力在纵向出现。此外，最大纵向应力大概是横向应力和法线应力的两倍。因此，纵向残余应力是评价焊接结构完整性的重要因素。为此，在这项研究中，我们只是用CM测量纵向残余应力。该方法于2001年由Prime[18]提出，用于测量横截面上的残余应力场。这种技术为薄板提供了更高的空间分辨率，这一点已被Richter-Trummer所证实。这种方法是基于测量切削过程后残余应力松弛的原理而提出的。CM是建立在巴克纳叠加原理的一个变体上的。这个原理假定材料在松弛过程中在弹性域内变形，并且切割过程不会引入额外的应力，并且最终发生的位移不应该很重要（小变形）。

测量方案包括以下段落中详述的四个主要步骤。

2.4.1 试样切割

切割过程是第一步。这是实施测量方法中最关键的一步。电火花线切割加工（WEDM）方法可以有效地实现工件切割所需的精度而不会引入塑性变形。如图3所示， 焊接是在纵向上进行，因此横向上用直径250 微米的黄铜线进行切割 。在切割过程中，工件必须从两侧夹紧（如图3所示 ）并浸没在去离子水中。我们获得了两个部件，每个部件的宽度为20 mm。

图3 WEDM切割工艺和夹紧装置

2.4.2 位移测量

第二步是测量应力松弛引起的变形。在本研究中，使用的三维卢比计是AltiSurf500，如图4所示。这台机器允许扫描利用光束对切削表面的轮廓进行测量，其精度约为50 nm，测量范围为(0~300mu;m)，工件被固定在X轴和Y轴上的电动工作台上。然后利用安装在Z轴上的激光传感器进行三角测量。完成了对两半切口的扫描。每个切割表面都用密集点s进行测量。在横向和深度方向起搏50 mu;m。原始数据直接存储在文本文件中，以便进行后期处理。

图4 使用Altisurf 500进行轮廓表面测量

2.4.3 表面数据处理

测量位移后，对原始数据进行数值处理，然后进行有限元计算。因此，开发了一个matlab脚本来自动化执行整个处理过程。处理步骤如下

-将两个被测表面的点云置于同一个坐标系中。每一对被测点应位于两个切割面的镜面位置。

-用基于三角形的三次插值和MATLAB函数网格数据对两个测量的等高线进行插值。

-为消除剪切应力的影响或切割中的任何不对称效应，计算切割的两个部分的测量数据的平均值(图5(A)）。

-通过局部平均方法过滤和去除噪声。该方法允许为每个点分配围绕它的点的平均值。该滤波器非常高效，因为它消除了很大一部分噪声测量。

-应用使用三次样条插值[多项式形式平滑]，删除本地测量误差（图 5（B））。

-从最近点线性地外推表面周围缺少数据的区域上的位移值。这种推断非常重要，因为必须在有限元模型上将位移应用于整个切削面。

该平滑函数将作为位移边界条件引入有限元模型中以计算残余应力分布。

图5 两个表面的平均位移减少：（a）原始数据和（b）过滤和平滑数据

2.4.4有限元分析

最后一步是用于评估施加的位移的纵向残余应力的有限元计算。有限元模型必须具有与实际长度和宽度完全相同的表面尺寸。包含横截面测量值的文本文件被转换为ABAQUS可以使用的STEP文件。然后，挤出该部分以与切割样本的长度相对应，如图6所示 。

图6 用于计算残余应力的有限元模型

材料表现为各向同性的线性弹性，泊松比为0.3。根据纳米压痕测量，母材金属中的杨氏模量约为209GPa，热影响区中约为235GPa，熔合区中约为250GPa。对数值模型进行划分，以便为每个区域分配相应的杨氏模量。网格的建立使用了三维一阶元素，减少了积分点C3D8R。根据三维弹性有限元模型上的坐标y和z，在每个节点中施加测量的位移值x 。为了防止y - z平面中的刚体位移，应用了三个额外的位移约束如图6所示 。达到收敛的最终模型有76,703个元素，总共326,854个积分点。

2.4.5 X射线衍射法

采用X射线衍射(XRD)方法测量了T焊接头的纵向残余应力.这些测量是使用Seifert pts-3003 x射线衍射仪进行的。仪表配备铬防硫器(k=2.2897 A˚)、移动台(x、y、u)和测角仪固态探测器.在电压为30 kV，电流为30 mA的条件下，用Cr X射线源在2h=156.10℃获得衍射峰。在直径为2mm的准直器中使用Cr-Ka辐射，从{211}面到钢焊接板的X射线穿透深度约为6mu;m。

在从60°到 60°变化的w角度下获得相应的峰值。这些测量是在经过母材、热影响区和熔合区的7个点上进行的，采用sin2w法[26，27]，通过改变T焊板在两个正交方向上的倾斜角w来进行应力测量。利用Seifert Rayflx软件对XRD数据进行了分析，软件采用sin2w法确定残余应力，使用重心法测定衍射峰。

3结果与讨论

3.1 宏观和微观结构表征

图 7显示了T型焊接板横截面的宏观结构。在宏观照片上可以清楚地识别出两个焊道。可以清楚地看到三个不同的区域：（1）母材金属，（2）热影响区，以及（3）焊缝金属。热影响区区域的平均宽度约为1.5mm。在这个层面，我们注意到熔融区的大小和热影响区的大小是焊接组件中的两个关键参数。可以观察到，在所述两个连接的板之间的未稠合的焊根的根部间隙为约50 mu; M（图 7）。焊接接头的微观结构取决于冷却速率和热输入。实际上，在从母材金属移动到焊缝金属的过程中可以观察到显著的变化，尤其是平均晶粒尺寸和相的比例。利用Leica Phase Expert软件对焊缝中观察到的不同相进行识别。

HSLA钢S500MC具有铁素体显微组织，其具有少量珠光体，如图8所示。在母材金属中铁素体的平均晶粒尺寸为约15mu;m。图9显示了热影响区的微观结构,它由82%铁素体和18%粗晶贝氏体组成。在热影响区，铁素体的平均晶粒尺寸约为10 lm。

图7 焊接接头的宏观视图

图8 母材金属的微观结构 （a）使用数字显微镜（b）使用SEM

图9 热影响区的微观结构 （a）使用数字显微镜（b）使用SEM

图10显示了焊缝金属区由于较高的冷却速率而产生的细枝晶组织。由于钢的焊接和冷却的热效应，可以观察到细小的晶粒组织。焊缝金属

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资料编号：[2401]

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