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1、B Z - 1 1 贝氏体钢的焊接性能研究 马静 飞 ) 李树奎川李彦民( 2 ) ( 北京理工大学“ 国营向东机械厂 2 ) 撅要尹 B Z- 1 1贝氏体钢 的焊援工艺性能、辉缝 的砚械性能及焊缝组织作 吮 全 面研究。 采用3 5 钢作对比用钢. 2 0钢作为对焊材料研究表明B Z - 1 1 钢焊接哇能 优良，环f q 缝因焊接开裂而报废的现象基本可以消陈，优 良品率提高;可以省掉 E f. 焊时 填充0 8 Mn 2 S i A焊丝工艺， 芍约了 材= l , 降低了 成本 关键词B Z - 1 1 钢.焊接性能，t q 缝组织 兵器部某J 一 在榴弹生产上大胆创新研制出焊接药筒.
2、但焊接药筒用3 5 钢除了热处理 工 艺复杂、淬透性差、机械性能不能完全满足药筒的设计要求外。还有焊接性能差这一极大 弱点 。 ( l )焊接工艺复杂，采用填充氢弧焊接;( 2 )焊接时常产 3 )使用性方而。 因炸接产生 “ 失强” ， 实弹射击抽壳力较 大，偶然出现 卡壳”现象，所以使用性不能完全满足设计要求。本文采用B Z且钢代替 3 5 钢，经过大量的实验证实， B Z - 1 1 经适当热处理后机械性能完全满足使用要求，但其焊 接性能如何?这正是本文要回答的问题 1 焊接 艺的研究 采用钨极氢弧自 熔化焊， B Z - 1 1 贝 钢在与3 5 钢接近的 焊接条件下， 具有 和其它贝
3、 钢同 等的优良焊接性能，熔池流动性好，无变形开裂现象焊接电流小.焊缝美观。为充分利 用贝钢 焊接性能好的 特点， 去掉填充H 0 8 M n 2 S i A焊接工序， 简化焊接工艺， 对B Z - 1 1 钢简 底的结构进行了重新设计，如图1 ( a ) , ( b ) ，利用B Z - l l 钢简底上多余的金属部分.在焊 接加热时、熔化自填充焊缝。改进后的结构第 一 次焊接时出现外侧四陷，而药筒内反凸现 象。分析主要原因是电流过大，加热熔化温度高.粘度不够 现此类现象，经X光照像检验，焊缝无裂纹和其它缺陷，完 ，经调小焊接电流后。不再出 全符合焊接药筒的工艺与性能 要 求， 证明 该工艺
4、可行。 取消填充焊丝工艺 降低了生产成本， 提高了生产 效率 2 化学成分对 贝钢焊接性能的影响 3 5 钢、 B Z - 1 1 钢的化学成分见 表1 e 钢的焊接性能的优劣， 主要取决于其 焊接开裂变形 倾向， 而焊裂倾向 常与合金元素含量有直接关系。 我们常 用碳当 量来判 别钢的焊接性能. 通 11 9 压L 图工 筒底焊前结构纵剖图 ( a )原筒底焊前结构C 6 ) 改进后筒底焊前结构 常认为当 碳当 量大于。4 %一 。 . 5 % 时， 钢就不再具有良 好的焊接 性能。 表 卫 焊 接 试 脸 用栩 的 化学 成分 / % 钢种C卜 1 uSiMaNiC rSP B Z - 1
5、 10 . 0 92 . 9 81 . 740. 3 0 . 0 0 80 . 0 1 1 3 5 钢0 . 3 60 60 - 2 70 . 2 50 . 2 50 . 0 0 30 . 0 1 2 用碳当量公式来计算一下钢的碳当量: B Z - 1 1 :C一 0 . 0 9 +1 / 9 X2 . 9 8 +1 / 8 X0 . 3 二0 . 4 6 3 5 钢: C w =O . 3 6 +1 / 9 X O . 6 +1 / 4 0 X O . 2 5 +1 / 2 0 X 0 . 2 5 二0 . 4 5 此计算结果说明: ( 1 ) B Z - 1 1 钢的碳当量最高， 所以 其
6、近缝区的最高硬度值最大; ( 2 ) 两种钢的C 。 均小于0 . 5 %， 说明 都可具 有较好的 可焊性， 实 际反映， 3 5 钢当C % 偏上限时， 易出现焊接开裂， 很可能3 5 钢含碳量偏上限时C 。 超过了。 . 5 %: ( 3 ) 碳当量公式纯属经验 公式，此式是否适应贝钢还有待研究;( 4 )试验表明B Z - 1 1 钢有优良的焊接性能，说明焊 接性能好坏，其原因是多方面的，不能把碳当量作为可焊性的绝对判据，更不能对任一强 度级别的钢限定同一碳当量，只能把碳当量作为参考。 贝钢的含碳量低 ( 0 . 2 ,0M) ，含有特殊的贝氏体形成元素M。 、Mn ,焊后可得贝氏体
7、或准贝氏 体， 组织较粗， 有较好 的塑性和韧性; 而3 5 钢 含碳量较贝 钢高 得多， 焊接时形成 粗大组织，脆性较大，易在冷热应力作用下开裂。与 3 5 钢相比贝钢有较好的焊接性能。 3 焊缝的机械性能及焊缝组织结果分析 3 . 1 3 5 钢与 20钢对焊焊缝的性能与组织 对 3 5 钢与 2 0钢环焊药筒筒底进行了剖面硬度试验，硬度分布见图 2( 实测) 。 经显微 硬度测定其热影响区的硬度分布见图3 ， 近焊缝区的硬度较高， 主要原因是. 此处冷却速度 较快， 加热温度高于 A , 点， 发生伪共析相变， 有较多的珠光体存在，同时， 此区温度大大 超过 A r 3 Y 相晶粒长大，
8、 可比母材原始晶粒大得多， 见图4 。 此区还发生了二次再结晶， 少 数几个一次再结晶晶粒边界迅速迁移，结果使大多数一次再结晶的初生晶粒消失，形成了 很大的二次晶粒，图5为珠光体异常大晶粒，这种网状的大晶粒严重影响焊接接头的塑性 和韧性，形成脆化区。而焊缝附近组织的明显差别，增大了内应力，当热应力及组织应力 的叠加达到某一临界值时， 极易在此区形成焊接裂纹， 这是 3 5 钢的焊接易出现裂纹的一条 12 0 娜. 中 心 1 9 1 9 2 2 3 6 . 5 3 6 3 4 33 3 2 3 6 . 5 3 7 3 2 3 3 5 3 闷 了 A I 3 3 3 3 3 3 3 6 3 6
9、. 5 - 3 5 图 2 3 5钢环焊简底解剖硬度分布图图3 3 5 钢焊接热影响的嫂1t分不 重要原因。 与过热区 相临近的 是细晶区， 该区晶粒极细， 约为9 一土 。 级， 见图6 。 此区 的加 热峰值温度超过A , 不多，加热时间短，冷却速度快 ， 得到比母材原始晶粒还要细的晶粒， 此区较窄， 硬度及韧 性较 好， 对焊接接头无害。 3 5 钢焊 接接头存 在软化区，见图3 ， 此区 形成部位是热影响区中加热峰值温度为人1 一 儿。 之间的区域， 因而有较多未溶铁素体存在， 此区 细晶 与粗晶共存， 这种 组织 对塑性形变的 抗力 很小， 因而强度和硬度都很低，其组织 见图7 ,
10、3 5 钢焊缝存在这一软化区， 严重影响药筒的 使用性， 在实弹射击时， 此处变形较 大，使退壳阻力增加，同时也违背了药筒的设计要求，起不到 “ 悬臂梁”的作用 图4 3 5 钢焊缝过热区显微组织 ( 3 0 o x) 网 状铁素体+片状珠光体， 晶粒度 为 1 -2 级 图5 3 5钢过热区显微组织 ( 1 0 o x) 网状铁素体+粗大片状珠光体， 珠 光体有 异常大晶 粒存在 图6 3 5钢与2 0 钢焊缝的细晶区 ( 3 0 O X )图7 不完全正火区的显微组织 ( 3 0 0 X ) 珠 光体+网状 铁素体 ，晶粒度 为 9 - 1 0 级未 溶铁 素 体 斗 细小珠光体 3 5
11、钢焊接接头中产生的 “ 脆化区” 、“ 软化区”是造成焊接性能差的直接原因，而这种 劣根性是材质所致， 也是不可避免的，因而单从焊接性能考虑，3 5 钢不适宜用作焊接药筒 1 2 1 惑 蚕 巨 愁 泛二竺 用钢。 3 . 2 B Z , - 1 1 钢与2 0 钢对 焊焊缝的 组织与性能 B Z - 1 1钢为最终选定的药筒筒底用钢， 采用无填丝钨极脉冲氢弧焊的新焊接工艺， 具剖 面硬度分布见图8 。 从硬度分布来看， 焊缝硬度略有升高， 这主要是去 掉了 填丝而采用自 熔 化焊改变了焊缝的成分引起的，减少了焊缝强度损失。 热影响区硬度达HR C 4 2 .软化区强 度损失不明显从强度设计理
12、论出发， 此强度分布大大优于3 5 钢焊缝强度分布， 整体强度 有所升高，基本满足了原设计要求，图9 一图1 3 为其热影响区组织分布，焊缝粗大块状 铁素体消失，增强了焊缝的强韧性，过热区以板条马氏体+准贝氏体为主组织，减少了组 娜 缝 中 心 2827湘282B 305期期娜泌 5528哭3129犯3028 324239邓293027劝2927272728龙 图 8 B Z - 1 1 俐锻后空冷+7 5 0 0C随炉冷环焊后 解剖的H R C分布图 图9 焊缝组织沿柱状晶晶界生长了先共析铁素 体十针状铁素体十马氏体+贝氏体 ( 3 0 0 X ) 图1 0 熔合区 组织焊缝侧为以 针状铁素
13、 体为主 组织。B Z - 1 1 接头侧为准贝氏体一板条 马氏体斗残余奥氏体 ( 3 0 0 X ) 图 n粗大板条马氏体过热区 ( B Z - 1 1 )+准贝氏体 ( 3 0 0 X ) 图1 2 细品区( B Z - 1 1 )板条马氏体二粒状 贝 氏体( 3 0 0 X ) 12 2 图1 3 不完全正火区及母材 ( B Z - 1 1 ) ( 4 0 0X) 未溶 铁 素 体 十粒状 贝氏休 织应力， 增加了 韧性，可 使贝 钢焊接免除 焊接开裂的 危险，因 筒底的原始组织为 不完 全正 火或退火组织， 同时以前的研究表明， B Z - 1 1 钢有较高的抗回火性， 使得母材、回火
14、区、不 完全正火区没有明显界限，组织同为针状未溶铁素体粒状 贝氏体，机械性能一致，从而 消除了软化失强现象，实际热影响区变窄，从而使 B Z - 1 1贝钢具有优异的焊接性能 4 结论 ( 1 ) B Z - 1 1 钢焊接性能优良. 环焊缝因 焊接开裂而 报废的现象基 本可以消 除 口 丁 以 提高 良品率， 可以 保证药 筒的长 期贮存 ( 2 )可以省 掉环焊时 填充0 8 M n 2 S i A焊丝工艺， 节约厂 材料， 降低了成本，突 破了 焊 接必须采用焊4 k 的传统焊接工艺。 ( 3 )消除了原 3 5 钢焊接产生的 “ 脆化及软化”现象，实现 厂 超强或等强焊接，满足了 产品
15、 “ 悬臂梁”的设计要求。 ( 4 )母材、高温回火区、不 完全. 卜 火 区无明 显分界 限， 使焊缝的热影响区变窄 参考文献 陈 伯盖，焊接冶金原理， 清华大学出版社 1 9 9 1 ，1 ( 金晓玲.焊接金相图谱，机械工业出版让，1 9 8 7 , 7 第一作者简介 马静:女，1 9 6 7 年 1 1月生，1 9 9 3 年l业干 匕 京理二大学祝械工程 与自动化学院，获工学硕土受位，期问从事穿甲弹不鸽合金的动态刀受性 能研究。现留校任教.从事新生- i 氏体钢应r I 研哭 通信地址:北京理1大学七系邮政编码:1 0 0 0 8 1 电话:( 0 1 0 ) - 6 8 9 1 2 7 0 9 1 2 3
