相变及其对冷金属转移焊接高强度低合金板材力学性能的影响

《Materials Chemistry and Physics》：Phase transformation and its influence on the mechanical behavior of cold metal transfer welded high strength low alloy sheets

CMT焊接工艺对4mm厚HSLA钢板接头的微观组织与力学性能影响研究，发现焊接速度影响相变产物分布和接头性能，高速（450mm/min）出现未熔合缺陷，中低速接头强度匹配基材，相变强化显著，EBSD和TEM分析揭示了晶界铁素体、 Widmanst?tten铁素体和针状铁素体相变特征。

　　

拉达克里希南·拉梅什（Radhakrishnan Ramesh）| 以撒·迪纳哈兰（Isaac Dinaharan）| 萨乌拉布·盖罗拉（Saurabh Gairola）

印度泰米尔纳德邦哥印拜陀PSG技术学院机械工程系，邮编641004

摘要

采用冷金属转移（CMT）焊接技术连接了4毫米厚的高强度低合金（HSLA）板材。通过改变焊接速度（范围为200至450毫米/分钟）来制造接头。使用多种显微设备分析了接头区域的微观结构特征。熔合区发生了相变，观察到了多种铁素体相，如晶界铁素体（GBF）、魏氏体铁素体（WF）和针状铁素体（AF）。在较高的焊接速度下，针状铁素体的含量增加。EBSD图像显示熔合区的晶粒结构比基材更粗。TEM显微照片揭示了由位错填充的应变场。相变使得接头区域和热影响区（HAZ）硬化。接头的抗拉强度与基材相当，但在450毫米/分钟时由于缺乏熔合而在基材处发生断裂。在400毫米/分钟以下的焊接速度下，断裂表面有明显的凹痕。

引言

为了以较低的成本获得具有优异性能的先进钢材，人们开发出了高强度低合金钢（HSLA）。通过在低碳钢中添加少量合金元素（如V、Nb、Mo、Ti等，称为微合金化）来制备HSLA。最大碳含量限制在0.29%以内[1,2]。成分通常根据具体性能要求进行调整，而不是严格遵循固定的元素组成。该材料通过高温控制轧制后快速冷却至室温来生产。这种热机械处理过程通过沉淀、相变、固溶体和细晶粒结构增强了材料的性能[3]。HSLA钢具有较高的抗拉强度和抗压强度、足够的延展性和韧性、良好的成形性、良好的耐腐蚀性以及优异的焊接性。许多工业应用，包括海上结构、船体、储罐、铁路车辆、管道和核电站等，都使用HSLA作为其机械部件的材料[4,5]。 在许多应用中，需要焊接HSLA板材来构建机械结构。HSLA钢较低的碳含量使其具有较好的焊接性[6]。然而，在生产高质量的HSLA焊接接头时遇到了若干挑战。传统的焊接方法需要较高的热能，这会降低冷却速率并扩大热影响区（HAZ）的尺寸[7,8]。由于较高的热应力和收缩应力，熔合区容易形成凝固裂纹[9]。由于较高的淬透性，HSLA钢容易发生氢致冷裂纹[10]。HSLA钢在相变过程中会形成更硬的相（如马氏体），从而降低接头的韧性[11]。固态连接方法可以减少上述缺陷。然而，将HSLA材料置于塑性状态较为困难，而且在摩擦搅拌焊接（FSW）过程中，高强度会加速工具磨损[12]。 冷金属转移（CMT）焊接是一种改善HSLA焊接性能并减少缺陷的合适方法。气体金属弧焊（GMAW）技术的进步为新的焊接工艺变体提供了可能。CMT是GMAW的一种改进版本，由奥地利的Fronius公司在2004年开发[13]。CMT通过短路方式将能量传递给焊接材料[14]。与GMAW不同，CMT在填充丝末端以液滴形式传递熔融金属，每次只传递一个液滴[15]。液滴的传递不依赖电磁力。改进的送丝系统允许暂时收回填充丝，从而实现液滴的传递[16]。焊接电弧周期包括三个阶段：峰值电流、背景电流和短路[17]。CMT的优点包括较低的热输入、较高的焊接金属沉积速率、更好的电弧稳定性、更小的HAZ宽度、更少的飞溅和更少的变形[18]。 刘等人[19]使用扫描振动电极技术连接了25毫米厚的Q690 HSLA钢板，并评估了其耐腐蚀性。结果表明，焊接金属的耐腐蚀性优于基材。里贝罗等人[20]展示了通过窄间隙焊接模式连接15毫米厚HSLA板材的CMT技术。CMT技术提高了电弧稳定性并减少了侧壁的穿透深度。布纳齐夫等人[21]在干燥的高压条件下连接了15毫米厚的HSLA钢板，并研究了压力的影响。高压下CMT处理的稳定性受到影响，导致电弧特性变化并产生飞溅。韩等人[22]使用GMAW和CMT工艺连接了28.6毫米厚的X65钢管，并研究了接头的疲劳行为。CMT接头的疲劳极限比GMAW接头高出67%，这归因于针状铁素体的分布改善。陈等人[23]连接了13.5毫米厚的X65钢管，并研究了垂直位置下的根部焊接特性。他们收集并分析了电信号，并拍摄了熔池的图像。增加送丝速率和峰值电流减少了背面焊缝的高度。严等人[24]使用GMAW和CMT工艺连接了28.6毫米厚的X65钢管，并研究了其耐腐蚀性。CMT接头的耐腐蚀性比GMAW接头高22%，这得益于晶界铁素体和针状铁素体的协同作用。王等人[25]连接了13.5毫米厚的X65钢管，并开发了一种基于模糊逻辑的焊接程序，以控制垂直位置下的峰值电流比，从而改善了焊接条件和背面焊缝宽度。

关于使用CMT焊接连接HSLA板材的研究较少。需要进一步研究CMT工艺对HSLA钢的影响。因此，本研究探讨了通过CMT工艺焊接的4毫米厚HSLA钢的微观结构和机械性能，并使用多种显微技术分析了熔合区的相变及其与机械性能之间的关系。

实验程序

获取了厚度为4毫米的轧制态高强度低合金（HSLA）钢板。材料的化学成分通过光谱分析法确定，并在表1中列出。使用的填充材料是镀铜的低碳钢丝（ER70S-6），其成分见表2。焊接前，钢板先用砂纸打磨再用丙酮清洗。尺寸为150毫米×50毫米×4毫米的钢板被安装在...

宏观结构

图2显示了典型的焊缝外观。焊缝表面连续且平滑，两侧基材表面没有飞溅物。这一观察结果证实CMT工艺在选定的焊接范围内运行稳定。通过短路方式传递液滴使得熔融填充丝完全进入焊缝，没有偏差。

结论

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  4毫米厚的HSLA板材通过CMT焊接工艺成功连接。所有接头均实现了完全熔合，未发现裂纹或宏观孔隙。在450毫米/分钟的较高焊接速度下，接头底部存在熔合不足的现象。200毫米/分钟时的长宽比为1.2，450毫米/分钟时为0.82。
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  熔合区在凝固过程中发生了相变。由于热循环的影响，形成了不同的铁素体相，如晶界铁素体（GBF）、魏氏体铁素体（WF）和针状铁素体（AF）。

作者贡献声明

拉达克里希南·拉梅什（Radhakrishnan Ramesh）：撰写、审稿与编辑、项目监督、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。 以撒·迪纳哈兰（Isaac Dinaharan）：撰写初稿、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。 萨乌拉布·盖罗拉（Saurabh Gairola）：撰写、审稿与编辑、资源协调、项目监督、实验研究、数据分析

数据可用性声明

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利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢哥印拜陀PSG技术学院提供的必要设施。同时，作者还要感谢哥印拜陀政府技术学院提供的焊接设备；印度理工学院孟买的OIM和纹理实验室；约翰内斯堡大学的显微镜实验室；以及...