摘 要：本文採用低強匹配ER50-6和MK·G60-1焊絲對Q550與Q690高強鋼進行焊接，用鐵研試驗測定了Q550+Q690接頭的裂紋率，用掃描電鏡分析了接頭的裂紋形態及斷口特徵，研究了焊接熱輸入和焊絲對Q550+Q690接頭強韌性的影響。結果表明，採用MK·G60-1焊絲，嚴格控制焊接熱輸入10~20kJ/cm，Q550+Q690接頭裂紋率小於20%，裂紋大多沿熔合區擴展，個別裂紋在擴展過程中沿晶界轉向焊縫；斷口形貌呈現准解理斷裂特徵，在脆性解理台階上有明顯的塑性撕裂棱，局部還存在韌窩斷裂特徵，接頭強韌性滿足液壓支架的焊接生產要求。
關鍵詞：Q550+Q690高強鋼；混合氣體保護焊；裂紋；斷口形貌；力學性能
前 言
隨著煤礦開採設備的生產能力和可靠性的不斷提高，對液壓支架的承載重量及穩定性的要求越來越高。支架開始朝著大配套、大阻力、高可靠性方向發展，同時液壓支架用鋼強度級別也逐步提高[1,2]。但高強鋼由於淬硬性較大，焊接時易出現裂紋，影響焊接件的使用性能。因此，如何控制接頭裂紋成為保證高強鋼支架生產質量的關鍵。
針對焊接裂紋的產生及防止，對低合金高強鋼焊接接頭採用何種焊接材料的匹配問題已進行了許多研究，無論是施工、設計，還是試驗研究，多採用等強匹配的原則[3-5]。然而近年來發現，對某些強度級別較高的鋼種, 除考慮強度問題之外，還必須考慮接頭的韌性和裂紋敏感性[6-8]。液壓支架用Q550與Q690鋼均為低碳低合金高強鋼，目前在焊接生產中存在的主要問題是焊接后易出現冷裂紋和淬硬組織。
液壓支架為箱體式結構，焊縫密集，拘束度較大，同時在工作過程中承受動載荷較大。研究認為，選擇焊接材料時，略降低焊縫強度而提高其韌性對於焊接接頭性能更為有利[9,10]。因此，本文採用低強匹配ER50-6和MK ·G60-1焊絲對Q550與Q690高強鋼進行焊接，研究了Q550+Q690接頭的裂紋形態及斷口特徵，目的是為提高Q550 +Q690接頭的可靠性提供依據。
1 試驗材料與方法
試驗母材為Q550和Q690高強鋼，填充焊絲為ER50-6和MK·G60-1，焊絲直徑為1.2mm。焊絲的化學成分及熔敷金屬的力學性能見表1。
採用80%Ar+20%CO2混合氣體保護焊對Q550與Q690高強鋼進行焊接，板厚為20mm，試板尺寸300mm×148mm, 兩板對接焊，開V形坡口，坡口角度35°，鈍邊為4mm。焊接參數為：焊接電流300~320A，電弧電壓28~30V，焊接速度為0.5~0.8cm/s，氣體流量為18~20L/min。焊前不預熱，焊后不進行熱處理。
焊后採用線切割方法對焊接試板進行加工，根據國家標準GB/T228-2002 和GB/T2651-2008製備拉伸試驗用試樣, 每組焊接工藝製備兩個試樣，取其平均值作為接頭的抗拉強度，試驗採用的設備為WAW-600型微機控制電液伺服萬能試驗機。夏比衝擊性能試驗設備為300J型金屬材料衝擊試驗機，試驗溫度為0℃。採用Nikon AFX-A型金相顯微鏡和JSM-6610LV型掃描電鏡觀察接頭區的裂紋特徵和斷口形貌。
2 試驗結果及討論
2.1 鐵研對接裂紋試驗
Q550+Q690高強鋼對接裂紋試驗結果表明，所有焊接試板的焊縫表面均無表面裂紋，用線切割方法在鐵研試板上截取試樣計算斷面裂紋率，試板橫剖后在焊縫根部發現裂紋，統計計算的斷面裂紋率見表2。
採用MK·G60-1焊絲，嚴格控制焊接熱輸入10 ~20kJ/cm條件下，獲得的Q550+Q690接頭最大斷面裂紋率小於ER50-6焊絲接頭。採用ER50-6焊絲，Q550+Q690接頭最大斷面裂紋率為16.8%；採用MK ·G60-1焊絲，接頭最大斷面裂紋率為13.2%，但裂紋率均小於20%, 因此可以安全用於Q550+ Q690高強鋼的焊接生產。
焊接熱輸入對Q550+ Q690接頭裂紋率也有一定的影響。同等焊接條件下，以中等焊接熱輸入時的斷面裂紋率最小，這是因焊接熱輸入小，溫度梯度大，冷速快、淬硬性大、冷裂紋傾向增大；但焊接熱輸入過大，一方面焊接內應力疊加量增大；另一方面會使熔合區奧氏體晶粒粗化，且隨冷速降低，導致產生上貝氏體組織，降低了接頭的抗裂性能。
採用金相顯微鏡觀察Q550+Q690 接頭的裂紋形態，焊接裂紋開裂於淬硬性較大的Q690鋼根部熔合區附近的應力集中處，並大多沿熔合區擴展，見圖1a。個別裂紋越過熔合區拐向焊縫中並沿柱狀晶界擴展，見圖1b。
由於強度較高的Q690鋼一側淬硬傾向大，所以裂紋易在近Q690鋼一側的熔合區萌發。隨著焊後接頭的逐漸冷卻，由於相變應力的存在，並且馬氏體轉變溫度較低，造成熱影響區和焊縫所承受的應力不同，熱影響區因體積膨脹而承受壓應力，不利於裂紋擴展；而焊縫中承受拉應力，所以個別裂紋在應力作用下方向發生轉變，向焊縫中擴展。
2.2 接頭力學性能
表3是Q550+Q690接頭的拉伸試驗結果；表4是Q550+Q690接頭的衝擊試驗結果。
採用ER50-6和MK·G60-1焊絲，Q550+Q690接頭拉伸試驗斷裂於焊縫, 獲得的接頭強度與Q550鋼強度級別等同。並且，採用MK·G60-1焊絲，Q550 +Q690接頭的衝擊吸收功（139J）大於採用ER50-6焊絲接頭（118J）。因此, 採用低強匹配MK·G60-1焊絲可獲得強韌性較好的Q550+Q690接頭。
2.3 接頭斷口形貌
採用掃描電鏡對Q550+Q690接頭斷口形貌進行觀察。圖2為ER50-6和MK·G60-1兩種焊絲Q550+Q690接頭熔合區衝擊試樣缺口啟裂處的形貌，可見MK·G60-1焊絲衝擊試樣斷口在近缺口處形成的台階較高，裂紋在擴展過程中的路徑更加曲折，從而形成較多不同高度的解理台階。
圖3為ER50-6焊絲接頭衝擊試樣的斷口形貌。Q550+Q690接頭斷口呈現典型的脆性解理斷口特徵，並且在解理面上分佈有明顯的河流花樣，如圖
圖4為MK·G60-1焊絲接頭衝擊試樣的斷口形貌。Q550+Q690接頭斷口呈現准解理斷裂特徵，既具有脆性斷口的解理台階，如圖
與ER50-6焊絲相比，由於MK·G60-1焊絲中添加Cr、Ti合金元素，使熔合區附近針狀鐵素體的含量增加，減少先共析鐵素體的含量，從而擴大了斷口中塑性區的面積，有效阻止脆性區裂紋的擴展，有利於提高熔合區的韌性。
3 結束語
3.1 採用低強匹配ER50-6和MK·G60 -1焊絲對Q550與Q690高強鋼進行Ar+ CO2混合氣體保護焊，嚴格控制焊接熱輸入10~20kJ/cm，鐵研試驗接頭裂紋率小於20%；裂紋起源於焊道根部近Q690 鋼一側的熔合區，並大多沿熔合區擴展，個別裂紋在擴展過程中沿晶界轉向焊縫。
3.2 Q550+Q690接頭拉伸試驗斷裂於焊縫，獲得的接頭強度與Q550鋼強度級別等同；採用MK·G60-1焊絲，Q550 +Q690接頭的衝擊吸收功為139J，強韌性滿足液壓支架的焊接生產要求。
3.3 採用ER50-6焊絲獲得的Q550+Q690 焊接接頭斷口形貌呈現典型的解理斷口形貌，在解理面上分佈有明顯的河流花樣；MK·G60-1焊絲接頭斷口形貌呈准解理斷裂特徵，在脆性解理台階上有明顯的塑性撕裂棱，局部還存在韌窩斷裂特徵。
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