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    • Properties and Microstructure of S355J2W+N Weathering Steel Welded with Non-coppered Wire

    • CHEN Xiaoxia

      ,

      ZHANG Yanhui

      ,

      LU Erjing

      ,

      SHI Baoling

      ,

      HOU Jinzhu

    • Vol. 54, Issue 10, Pages: 70-76(2024)   

      Published： 25 October 2024 ，

    • DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.10.08     

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  • CHEN Xiaoxia, ZHANG Yanhui, LU Erjing, et al.Properties and Microstructure of S355J2W+N Weathering Steel Welded with Non-coppered Wire[J].Electric Welding Machine, 2024, 54(10): 70-76. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.10.08.
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    Sections

    Abstract

    The study on the performance of S355J2W+N weathering steel welded joints using non-copper coated welding wire OK AristoRod 13.26 involved MAG welding tests on 12 mm thick steel. The research methods included tensile testing, bending testing, impact testing, hardness testing, metallographic structure analysis, and fracture surface analysis. The results indicate that the welded joints of S355J2W+N weathering steel using non-copper coated welding wire exhibit good tensile and bending properties, with tensile strength and yield strength higher than the standard values of the base material, and the fracture surface shows characteristics of ductile fracture. The impact toughness of the weld is lower than that of the heat-affected zone and decreases with decreasing temperature, but both meet the standard requirement that the impact energy of the base material should not be less than 27 J (-20 ℃). The hardness of various regions of the welded joint conforms to the ISO15614-1 standard, all being less than HV380, with the base material having the lowest hardness, the over-heated zone the highest, and the greatest fluctuation in hardness observed in the heat-affected zone. Metallographic structure analysis shows that the welded joint consists of weld zone, over-heated zone, phase transformation recrystallization zone, and incomplete phase transformation recrystallization zone, with the phase transformation recrystallization zone having fine and uniform structures, exhibiting the best performance. The performance of S355J2W+N weathering steel welded joints using non-copper coated welding wire meets the production standard requirements.

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    Keywords

    non-coppperd wire; S355J2W+N; mechanical properties; metallographic structure; fracture characteristic

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    0 引言

    耐候钢亦称为耐大气腐蚀钢，作为一种高性能钢材，自问世以来一直是新钢种研发与腐蚀研究的热点。耐候钢是在普通钢冶炼时添加一定量的合金元素，如Cu、P、Cr、Ni、Mn、Nb等，从而在保证结构性能的同时具备耐腐蚀性能。研究表明，耐候钢的耐大气腐蚀性能是普通碳素钢的2~8倍，相比于其他防腐处理方法，耐候钢的后期维护费用低，环境污染小［

    1-2］。S355J2W钢是一种低合金高强度耐候钢，由于添加了铬、铜等合金元素，通过气候条件的影响在基体表面形成一层具有自我保护功能的氧化膜，从而在大气环境下具有较强的耐腐蚀性。该材料具有较高的强度、韧性和焊接性能，广泛应用于轨道车辆、石油管道和造船行业中［3-5］。
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    S355J2W+N耐候钢的焊接主要采用气体保护焊和激光-电弧复合焊等。气体保护焊中，焊丝的成分、性能和状态会对焊接接头性能具有重要影响。目前，实心焊丝多采用表面镀铜工艺，镀铜焊丝以其生产效率高、工艺适应性强、焊接成本低等优点，在国内外低碳钢和低合金钢焊接中得到广泛应用［

    6-7］。然而，镀铜焊丝在生产和使用中会产生一系列环保问题，如生产过程中采用电镀或化学镀等工艺，强酸、强碱、硫酸铜等化学品会产生大量酸雾、碱雾等废气，废水中含有大量重金属［8］。使用过程中，镀铜焊丝会产生大量的铜烟尘，影响身体健康［9］。因此，无镀铜焊丝作为一种高效、优质、环保、低成本的新型焊接产品逐渐兴起，在日本、美国等工业发达国家，无镀铜焊丝的使用比例均在30%以上。无镀铜焊丝生产中省去了镀铜环节，采用表面涂层替代原有镀铜层，使焊丝在导电、防锈、润滑等方面满足焊接工艺要求。无镀铜焊丝在生产及使用过程中节能环保，极大改善了工作环境［10］，与传统镀铜焊丝相比，具有防锈能力强、电弧稳定、飞溅小、烟雾毒性和污染小等优点［11］。
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    因此，研究无镀铜焊丝的焊接接头性能对于无镀铜焊丝的推广与应用具有重要意义。本研究针对厚板S355J2W+N耐候钢的无镀铜焊丝焊接接头性能与组织进行了分析，旨在为无镀铜焊丝在低合金高强耐候钢焊接生产的应用提供了理论依据。

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    1 试验材料及方法

    1.1 试验材料

    试验材料为厚度12 mm的S355J2W+N耐候钢，其化学成分及力学性能见表1、表2。匹配直径1.2 mm的无镀铜焊丝，焊丝型号为AWS A5.28：ER80S-G，牌号为OK AristoRod13.26。该焊丝熔敷金属的化学成分和力学性能分别见表１、表2。

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    表1  母材及焊丝的化学成分（质量分数，%）
    Table 1  Chemical composition of base matel and welding wire （wt.%）
    牌号

    屈服强度

    Rel/MPa

    抗拉强度

    Rm/MPa

    伸长率

    A/%

    冲击功

    AKV/J（-20℃）

    S355J2W+N ≥355 470~630 ≥22 ≥27
    OK AristoRod13.26 540 550~625 26 110
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    表2  母材及焊丝的力学性能
    Table 2  Mechanical properties of base matel and welding wire
    牌号CSiMnPSCuCrNi
    S355J2W+N 0.090 0.348 1.120 0.018 0.005 0.327 0.433 0.037
    OKAristoRod13.26 0.095 0.8 1.32 0.017 0.016 0.3 0.12 0.84
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    1.2 试验方法

    试板单件尺寸为300 mm×150 mm×12 mm，V型坡口，平板对接，焊缝形式12V，坡口角度60°，钝边1~2 mm，焊接间隙1~2 mm。采用MAG焊，三层三道，保护气体为80%Ar+20%CO2，焊接工艺参数见表3。

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    表3  无镀铜焊丝焊接S355J2W+N耐候钢的焊接参数
    Table 3  Welding parameters of S355J2W+N with non-coppered wire
    焊道电流/A电压/V焊接速度/（mm·s-1）热输入/（kJ·mm-1）
    1 120 18.6 1.72 0.95
    2 240 25.4 3.78 1.29
    3 220 22.4 2.98 1.32
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    试板焊接完成后，对焊缝进行外观检测、渗透检测、射线检测。外观检测按ISO 17637标准执行，渗透检测按ISO 3452-1标准执行，射线检测按ISO 17636-1标准执行。无损检测合格后，对焊缝进行破坏性试验——拉伸试验、弯曲试验、冲击试验、金相试验、硬度试验。拉伸试验按照ISO 4136标准在WDW3300微控电子万能试验机上进行，并用JSM-6360LV扫描电镜观察拉伸断口形貌。弯曲试验按照ISO 5173标准在WAE-300液压试验机上进行。冲击试验按照ISO 9016标准在JB-300B300/150冲击试验机上分别进行室温、-20 ℃冲击试验，并用JSM-6360LV扫描电镜观察冲击断口形貌。金相试验按照ISO 17639标准在4X1光学显微镜下观察组织形态。硬度试验按照ISO 9015-2标准在FM-700型显微维氏硬度仪上进行。

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    2 试验结果及分析

    2.1 拉伸试验性能及接头断裂特征

    2.1.1 拉伸试验结果及分析

    采用无镀铜焊丝焊接的S355J2W+N耐候钢焊接接头室温拉伸试验结果如表4所示。拉伸试验结果表明，无镀铜焊丝焊接的S355J2W+N耐候钢焊接接头的抗拉强度平均值为523.05 MPa、屈服强度平均值为399.7 MPa，抗拉强度和屈服强度均高于母材标准值；所有试件均断于母材位置，断裂处出现了缩颈现象，表明发生了明显的塑性变形，可见焊接接头具有较好的塑性与拉伸性能。比较表2和表4得出，S355J2W+N耐候钢的公称屈强比值为75.5%，无镀铜焊丝焊接的S355J2W+N耐候钢焊接接头的屈强比值为76.4%，略高于母材公称值，这表明焊接接头的塑性储备略有下降，但结构稳定性有所增加。如表4所示，焊接接头的伸长率平均值为13.15%，而母材的伸长率标准要求不低于22%。伸长率是评价材料在拉伸断裂前形变的程度，焊接试样的断裂位置位于母材，这表明焊缝和母材的强度匹配存在差异，在塑性变形至拉伸断裂的过程中，母材的变形程度较大，焊缝的变形程度较小，甚至没有变形。

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    表4  无镀铜焊丝焊接S355J2W+N耐候钢的焊接接头拉伸试验结果
    Tab.4  Tensile test results of welded joint of S355J2W+N with non-coppered wire
    编号抗拉强度Rm/MPa屈服强度Rel/MPa伸长率A/%收缩率Z/%断裂
    试验值平均值试验值平均值试验值平均值试验值平均值位置
    1 524.4 523.05 399.2 399.7 13.2 13.15 71.12 71.34 母材
    2 521.7 400.2 13.1 71.36 母材
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    2.1.2 断口组织形貌

    对拉伸断裂后的试样进行了扫描电镜（SEM）观察，以分析断口的微观形貌。对断口全貌放大30倍观察，选取断口的中心和边缘放大1 000倍观察，图1为无镀铜焊丝焊接S355J2W+N耐候钢的焊接接头拉伸断口微观形貌。由图1可知，拉伸试样的断口颜色为暗灰色，中心和边缘的断口微观形貌特征呈韧窝状，韧窝都以小韧窝、浅韧窝居多，且分布密集，中心和边缘均为韧性断裂。在中心位置，韧窝尺寸更大，韧性更好，说明拉伸过程中当施加的应力超过材料的屈服强度后，材料开始发生塑性形变；随着应变的增加，显微孔洞不断增大、吞并，直至发生缩颈和破断，拉伸试验过程焊接试样发生了塑性变形和韧性断裂。

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    fig

    图1  无镀铜焊丝焊接S355J2W+N耐候钢的焊接接头拉伸试件断口形貌

    Fig.1  Tensile fracture appearance of S355J2W+N with non-coppered wire

    （a）全貌　　　　　　　　　　　 （b）中心　　　　　　　　　　　 （c）边缘

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    2.2 弯曲试验性能及分析

    采用直径为40 mm的压头，对无镀铜焊丝焊接S355J2W+N耐候钢的焊接接头进行面弯、背弯试验，焊接接头的面弯和背弯试验都达到了180°，且试样表面完好没有裂纹，无镀铜焊丝焊接S355J2W+N耐候钢的焊接接头塑性和延展性良好。

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    2.3 冲击试验性能及断裂特征

    2.3.1 冲击试验结果及分析

    对无镀铜焊丝焊接的S355J2W+N耐候钢焊接接头进行冲击试验，以评估其在不同温度下的冲击韧性。试验分别在室温、-20 ℃条件下进行，分别对焊缝和焊接热影响区进行冲击试验，每个部位制备3组试样。室温下，焊缝位置的冲击试验结果分别为76 J、73 J、81 J，平均值为77 J；热影响区位置分别为223 J、218 J、219 J，平均值为220 J。在-20 ℃条件下，焊缝位置分别为30 J、28 J、30 J，平均值为29 J；热影响区位置分别为54 J、51 J、38 J，平均值为48 J。试验结果表明，随着温度的降低，焊缝和热影响区的冲击韧性均明显下降，其中热影响区的冲击性能降低幅度尤为明显，尽管如此，焊接接头各区域的冲击性能均符合母材不低于27 J的标准要求，表明其具有良好的抗变形和断裂能力。

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    此外，无论是在室温还是-20 ℃下，焊缝的冲击韧性均低于焊接热影响区。这是因为焊缝区粗大的柱状晶组织和形貌使得该区域的塑性与韧性较低，而焊接热影响区的冲击试样缺口位于熔合线1 mm位置，正好位于焊接热影响区的相变重结晶区，该区域由于相变重结晶而具有均匀细小的组织，因此冲击韧性相对较高。

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    2.3.2 断口组织形貌

    选取冲击试验结果最接近冲击功平均值的试样进行断口形貌的微观分析，分别对焊缝和焊接热影响区的断口全貌放大30倍观察，并选取断口的中心和边缘放大1000倍观察。图2、图3为无镀铜焊丝焊接S355J2W+N耐候钢的焊接接头在室温和-20 ℃下的冲击断口微观形貌。

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    fig

    图2  无镀铜焊丝焊接S355J2W+N耐候钢的焊接接头室温冲击断口形貌

    Fig.2  Impact fracture appearance of S355J2W+N with non-coppered wire at room temperature

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    fig

    图3  无镀铜焊丝焊接S355J2W+N耐候钢的焊接接头低温冲击断口形貌

    Fig.3  Impact fracture appearance of S355J2W+N with non-coppered wire at -20 ℃

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    如图2所示，焊缝位置的断口呈暗灰色，具有纤维状特征并伴有短且弯曲的解理台阶和河流花样。焊缝中心位置的显微形貌呈韧窝状，韧窝的大小和深浅不一，大韧窝底部伴有滑移区，表明该区域断裂方式为韧性断裂。而在焊缝边缘位置，显微形貌主要为细小的解理台阶和撕裂楞线条，呈现准解理断裂特征，同时伴有较浅且大小均匀的韧窝，呈现韧性断裂特征，因此焊缝边缘区域具有准解理断裂和韧性断裂的混合特征，准解理特征占比更大，整体断裂方式倾向于脆性断裂。在焊接热影响区，断口颜色同样为暗灰色、呈纤维状，中心和边缘的断口微观形貌特征均以韧窝状为主，韧窝分布密集，大小和深浅不一，大韧窝底部同样伴有滑移区，表明该区域的断裂方式为韧性断裂。值得注意的是，焊接热影响区的韧窝尺寸明显大于焊缝位置，冲击韧性更优。综上，焊缝中心、焊接热影响区中心和边缘的断裂方式主要为韧性断裂，焊缝边缘位置的断裂方式为准解理断裂和韧性断裂混合的脆性断裂，所以焊缝冲击韧性低于焊接热影响区，与室温冲击试验结果一致。

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    如图3所示，在-20 ℃低温条件下，焊缝和热影响区位置的断口特征基本一致，断口表面光亮且较为平坦，呈现典型的河流花样，这是解理断裂的典型特征。显微形貌有明显的解理台阶和撕裂楞线条，进一步证实了断裂机制为脆性断裂。综上，在-20 ℃温度条件下，焊缝和热影响区的断裂方式均为脆性断裂，表明低温条件下冲击性能显著降低。这一结果说明焊缝的冲击韧性随着温度的降低而明显下降，与室温冲击试验结果一致。

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    2.4 硬度试验结果及分析

    无镀铜焊丝焊接S355J2W+N耐候钢焊接接头的硬度分布如图4所示，图中横坐标轴的起始点为焊缝中心位置，焊缝区的硬度为238~253 HV，热影响区的硬度为190~272 HV，母材区的硬度为163~173 HV。所有测量值均符合IOS15614-1标准，即最高硬度小于HV 380的要求。

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    fig

    图4  无镀铜焊丝焊接S355J2W+N耐候钢的焊接接头显微硬度分布

    Fig.4  Hardness distribution of S355J2W+N with non-coppered wire

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    综上，根据图4显微硬度分布曲线得出以下结论：（1）母材区域的硬度最低，曲线平稳，波动幅度小。这是因为母材距离焊缝中心较远，在焊接过程中基本未受焊接热循环的影响，组织仍保持母材的正火轧制状态，硬度变化小，硬度趋于稳定。（2）焊缝区的硬度明显高于母材区，曲线有一定波动，波动幅度不大，整体相对平稳。这归因于焊缝区域的柱状晶组织，晶粒粗大，晶粒内的针状铁素体和沿着柱状晶晶界分布的先共析铁素体均造成焊缝区域的硬度升高。（3）焊接热影响区的硬度波动最大，过热区、相变重结晶区、不完全相变重结晶区硬度逐步减小。这是由于不同区域在焊接过程中经历的热循环不同，导致晶粒组织与尺寸存在差异。过热区的显微硬度最高，因为过热区的加热温度高，停留时间长，晶粒尺寸粗大且大小不一，组织分布不均匀，冷却后形成的贝氏体中的马氏体组元增加了硬度。相变重结晶区的硬度低于过热区和焊缝区，高于母材区，因为热循环导致相变重结晶区组织的铁素体和珠光体全部转变为奥氏体，冷却后，奥氏体转变成细小的铁素体与珠光体。不完全相粒大小不均匀。

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    2.5 金相试验结果及分析

    图5为S355J2W+N耐候钢的母材显微组织，可以看出，母材组织由白色铁素体和黑色珠光体组成，二者呈均匀的条带状分布，与母材正火轧制的状态相符。

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    fig

    图5  S355J2W+N母材显微组织

    Fig.5  Microstructure of base material

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    图6为无镀铜焊丝焊接S355J2W+N耐候钢焊接接头焊缝区的显微组织。由图6可知，焊缝区的组织形态为柱状晶，沿柱状晶晶界分布着块状和条状的先共析铁素体，晶粒内为针状铁素体和珠光体，局部存在粒状贝氏体，焊缝区域的晶粒粗大，组织和成分相对分布均匀，晶界上的先共析铁素体晶粒粗大，内部位错密度低，抵抗裂纹扩展能力差，宏观上表现为焊缝区域的塑性和韧性低，冲击性能低。

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    fig

    图6  焊缝显微组织

    Fig.6  Microstructure of weld zone

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    图7为无镀铜焊丝焊接S355J2W+N耐候钢的焊接接头的熔合区显微组织。由图7可以看出，熔合线上方为焊缝区，下方为过热区，过热区显微组织为沿晶界分布的块状先共析铁素体，晶粒内为粒状贝氏体和少量的针状铁素。在焊接热循环的作用下，过热区的加热温高，停留时间长，奥氏体晶粒迅速长大，冷却后得到过热的粗大组织，组织与成分分布不均匀，因此该区域的塑性和韧性低，硬度高，是焊接接头中性能最薄弱的位置。

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    fig

    图7  熔合区显微组织

    Fig.7  Microstructure of fusion-zone

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    图8为无镀铜焊丝焊接S355J2W+N耐候钢焊接接头的相变重结晶区显微组织。由图8可以看出，相变重结晶区组织为均匀的铁素体和珠光体。在焊接热循环的作用下，组织中的晶粒全部奥氏体化，但是奥氏体晶粒未长大，冷却后得到均匀细小的正火组织，正火组织的晶粒比母材正火组织晶粒更细小，塑性和冲击性能高，是焊接接头性能最佳的位置。

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    fig

    图8  相变重结晶区显微组织

    Fig.8  Microstructure of annealed zone

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    图9为无镀铜焊丝焊接S355J2W+N耐候钢焊接接头的不完全相变重结晶区显微组织。由图9可以看出，不完全相变重结晶区组织同样为铁素体和珠光体，但铁素体组织包含了发生相变的细小铁素体和未发生相变的粗大铁素体，由于存在未发生相变的铁素体，该区域仍保留了母材组织的条带状特征。组织与成分的不均匀和晶粒尺寸的差异性导致该区域的力学性能存在波动，介于母材与相变重结晶区之间。

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    fig

    图9  不完全相变重结晶区显微组织

    Fig.9  Microstructure of local annealed zone

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    3 结论

    本研究采用无镀铜焊丝焊接S355J2W+N耐候钢，通过拉伸、弯曲、冲击、硬度和金相组织等试验，分析焊接接头的性能和组织特征，得到以下结论：

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    （1）焊接接头的抗拉强度和屈服强度均超过了母材的相应值。拉伸试验中，所有试件均断裂于母材位置，断裂处出现了明显的缩颈现象，表明发生了塑性变形和韧性断裂，显示出良好的拉伸性能。焊接接头的屈强比值为76.4%，略高于母材的公称值，表明焊接接头的塑性储备有所下降，但结构稳定性提高。

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    （2）焊接接头弯曲试验结果显示弯曲角均达到180°，未观察到裂纹，表明焊接接头的塑性和延展性良好，从而证实了其优异的弯曲性能。

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    （3）在室温和-20 ℃条件下，焊接接头焊缝区域的冲击韧性均低于焊接热影响区。随着温度的降低，焊缝和焊接热影响区的冲击韧性均显著下降。尽管如此，焊缝和焊接热影响区的冲击性能均符合母材不低于27 J的标准要求，显示出良好的抗变形和断裂能力。

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    （4）焊接接头硬度分布符合IOS15614-1标准要求（最高硬度＜HV380）。母材区域的硬度最低，且硬度曲线平稳。焊缝区的硬度明显高于母材区，硬度曲线存在波动。焊接热影响区的硬度波动最为显著，其中过热区、相变重结晶区、不完全相变重结晶区的硬度依次递减。过热区的显微硬度在整个焊接接头中最高。

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    （5）焊接接头组织包括焊缝区、过热区、相变重结晶区和不完全相变重结晶区。焊缝区为柱状晶，包括块状和条状的先共析铁素体、针状铁素体、珠光体以及局部的粒状贝氏体，晶粒较为粗大，组织和成分分布相对均匀。过热区的显微组织由块状先共析铁素体、粒状贝氏体和少量针状铁素体构成，组织粗大且分布不均匀，是焊接接头性能最薄弱的区域。相变重结晶区的显微组织由铁素体和珠光体组成，组织均匀，晶粒比母材正火组织更细小，是焊接接头性能最佳的区域。不完全相变重结晶区的显微组织也由铁素体和珠光体组成，但组织与成分不均匀，晶粒尺寸不一，介于母材与相变重结晶区之间。母材的显微组织由白色铁素体和黑色珠光体组成，呈均匀的条带状分布。

    transl

    （6）与传统镀铜焊丝相比，无镀铜焊丝环保、成本低、飞溅小，且焊接接头性能满足要求，展现出良好的应用前景。

    transl

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