栾宗锋，邸新杰，利成宁，王佳美
(天津大学,天津,300350)
近年来，工程机械不断向轻量化和高载荷的方向发展，对钢的综合力学性能提出了更高的要求.焊接作为高强钢的主要连接方式，在工程结构中起着关键的作用.目前，抗拉强度为1.0～ 1.3 GPa 的高强钢在工程机械行业得到了应用，但与之相匹配的焊接材料仍然处于研制阶段.尽管在某些特定的情况下低强度匹配能够满足使用要求[1-3]，但为了能让构件的强度得到充分的利用，开发与之匹配的新一代高强韧焊接材料非常必要.
合金元素在很大程度上决定了熔敷金属的综合力学性能.Keehan 等人[4-5]通过探究C，Mn 元素含量的变化与熔敷金属强度和韧性关系，结果表明，强度为0.8～ 1.0 GPa 的熔敷金属微观组织主要是由上贝氏体、下贝氏体、聚合贝氏体和马氏体等构成，C 和Mn 的含量过高会恶化熔敷金属的韧性.此外，熔敷金属中的氧含量对其韧性也有非常大的影响.Seo 等人[6]在4 种不同的Ar+CO2比例下焊接制备熔敷金属，结果发现，熔敷金属的氧含量会随着保护气体中CO2比例的增加而增加，在氧含量为0.015%时韧性最佳.苏小虎等人[7]通过改变保护气体配比和采用Zr-Ti,Ti-B 微合金化研究了熔敷金属中氧含量以及夹杂物对韧性的影响，结果发现，随着氧含量的增加，夹杂物尺寸增大，冲击韧性明显降低，同时发现Zr-Ti 微合金化能调控夹杂物尺寸从而提高韧性.于航等人[8]通过控制熔敷金属的氧含量，研究了其对冲击韧性的影响，结果表明，Si-Mn-O,Si-Mn-Al-O 复合氧化物夹杂是导致00Cr13Ni5Mo 熔敷金属韧性下降的主要原因.多数研究结果表明，熔敷金属氧含量增加，会导致冲击韧性降低，尤其对于马氏体组织熔敷金属[9-10].
文中设计了4 种金属粉芯焊丝，并采用熔化极活性气体保护焊制备了相应的熔敷金属.其目的是为降低吉帕级超高强钢熔敷金属的氧含量，从而获得强韧性匹配良好的焊接材料.系统地研究了Al 和Mg 元素的添加量对熔敷金属显微组织和力学性能的影响规律.
在焊接冶金过程中，Al，Mg 元素对O 的亲和力远强于Si，Mn 元素，故可以抑制Si，Mn 氧化物的产生.但研究表明，单独添加Al 或Mg 元素时脱氧效果并不理想[11].为考察Al，Mg 元素对熔敷金属中氧含量的影响规律，设计了4 种不同Al，Mg元素含量的金属粉芯焊丝(ϕ1.2 mm)，设计成分如表1 所示，并分别命名为0Al-0Mg，0.15Al-0.75Mg，0.3Al-0.9Mg，0.45Al-1.05Mg.其中Al，Mg 元素含量比例是通过改变镁粉和铝镁合金粉比例得到的.采用熔化极活性气体保护焊制备熔敷金属，保护气体为80%Ar+20%CO2，气体流量为15 L/min，焊接工艺参数如表2 所示.
表1 焊丝的设计成分(质量分数,%)Table 1 Chemical compositions of welding wires
表2 熔敷金属制备的焊接工艺参数Table 2 Applied welding parameters for the all-weld metal sample
试验按照AWS A5.29/A5.29M:2021《Specification for Low-Alloy Steel Electrodes for Flux Cored Arc Welding》标准制备试验用熔敷金属,取样位置如图1 所示.按照GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》对熔敷金属在-20 ℃进行夏比冲击试验；
根据GB/T 228—2010《金属材料 室温拉伸方法》使用10 t 的MTS 型伺服万能试验机进行室温拉伸试验，拉伸时加载速度为0.5 mm/min.按照GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》采用直读光谱仪测定熔敷金属的化学成分，利用Tc500 型氧氮分析仪测定氧含量，熔敷金属的化学成分如表3 所示.
图1 熔敷金属制备及冲击和拉伸试样的取样位置示意图Fig.1 Schematic of the geometry of deposited metal and the positions of specimens for impact test and tensile test
表3 熔敷金属的化学成分(质量分数,%)Table 3 Chemical compositions of deposited metals
将金相试样打磨后抛光，利用JEOL 7800F 型扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)及其装配的能谱仪(energy dispersive spectrometer，EDS)对夹杂物进行形貌分析和成分分析，并拍摄10 组夹杂物SEM 图，借助软件Image Pro 定量分析夹杂物尺寸分布和密度.然后用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，并利用SEM 观察熔敷金属显微组织和冲击断口.
2.1 夹杂物及显微组织
在已知的4 组熔敷金属化学成分中.当Al 和Mg 元素的设计含量较低时，随着Al，Mg 元素添加量的增加，熔敷金属中的氧含量由0.030 8%下降为0.014 3%；
当Al 的设计含量为0.45%时，熔敷金属的氧含量又上升至0.016 7%.同时Al，Mg 元素的加入也使更多C 和Mn 等合金元素过渡到熔敷金属中.
将4 组熔敷金属试样进行研磨、抛光后，在SEM 下观测其夹杂物的大小和尺寸分布，如图2 所示.熔敷金属0.45Al-1.05Mg 组中的夹杂物尺寸要明显大于其它3 组，形状呈不规则状，0.3Al-0.9Mg组中的夹杂物为球状，尺寸最小.
图2 夹杂物SEM 形貌Fig.2 SEM morphology of inclusions.(a) 0Al-0Mg;(b)0.15Al-0.75Mg;(c) 0.3Al-0.9Mg;(d) 0.45Al-1.05Mg
通过夹杂物能谱分析发现，夹杂物的成分随着Al，Mg 含量的变化也会发生明显的改变，如表4所示.在未添加Al，Mg 元素时，夹杂物主要是由FeO,MnO,SiO2,Al2O3等构成的复合氧化物；
在0.15Al-0.75Mg 组中，夹杂物中的Mg 元素含量显著上升，其它合金元素的含量下降；
在0.3Al-0.9Mg组中，夹杂物主要由Al，Mg 元素的氧化物构成.0.45Al-1.05Mg 组对应的夹杂物成分与0.3Al-0.9Mg 组类似，但由于Al 元素添加量过大，导致熔敷金属中未随熔渣排出的Al2O3夹杂物含量增加，产生了夹杂物聚集长大现象，造成了熔敷金属中氧含量的升高.
表4 夹杂物中合金元素的含量 (质量分数,%)Table 4 Alloy element compositions of inclusions
加入的Al，Mg 元素后，焊接过程中发生的主要脱氧反应如下.
由于Al，Mg 元素对O 的亲和力均高于Si，Mn元素，所以熔池中会产生Al2O3和MgO，抑制MnO和SiO2的产生[12]，MgO 和Al2O3形成低熔点且易于上浮的聚合氧化物MgO·Al2O3.因此，Mg 的加入不仅起到脱氧效果，还控制了熔敷金属的Al含量.
利用软件Image Pro 定量统计熔敷金属中夹杂物的尺寸分布和密度，如图3 所示.结合图2 和图3可知，4 组熔敷金属中，直径小于1 μm 的夹杂物数量分数分别为89.5%，93%，98.4%，75.7%，夹杂物的平均直径分别为0.49，0.42，0.36，0.71 μm，对应的最大直径分别为1.68，1.37，1.17，2.16 μm.随着Al，Mg 元素加入量的增加，熔敷金属中夹杂物数量均降低，小尺寸夹杂物的含量先增加后降低，在0.3Al-0.9Mg 的基础上继续增加Al，Mg 元素，夹杂物的尺寸会显著增大.
图3 熔敷金属的夹杂物尺寸分布Fig.3 Inclusion size distributions in deposited metals.(a) 0Al-0Mg;(b) 0.15Al-0.75Mg;(c) 0.3Al-0.9Mg;(d) 0.45Al-1.05Mg
夹杂物对熔敷金属韧性的影响与其形状和尺寸有关.一方面，对于0.6～ 0.9 GPa 级别的熔敷金属，一定尺寸范围内的夹杂物能作为形核点促进针状铁素体的形成，从而有效地提高强度和韧性[13]；
另一方面，夹杂物可能成为解理断裂的起裂源[14]，熔敷金属强度越高对夹杂物的尺寸就越敏感，成为起裂源的夹杂物临界尺寸就越小.大尺寸的夹杂物作为组织中的弱相，会导致局部断裂应力较低，从而降低材料的韧性[15-16].
图4 为4 组熔敷金属的SEM 显微组织.图4中M 为马氏体，B 为贝氏体，Bc 为聚合贝氏体.熔敷金属的显微组织主要由马氏体和贝氏体构成.
图4 熔敷金属SEM 图Fig.4 SEM images of deposited metals.(a) 0Al-0Mg;(b)0.15Al-0.75Mg;(c) 0.3Al-0.9Mg;(d) 0.45Al-1.05Mg
在未添加Al，Mg 元素的0Al-0Mg 组，由于熔敷金属中氧含量较高，导致聚合贝氏体含量较高，尺寸较大，且组织存在明显取向性；
随着Al，Mg 元素的添加，熔敷金属的组织变化显著.在0.15Al-0.75Mg 组中，熔敷金属氧含量下降，聚合贝氏体尺寸减小，组织排布混乱；
在0.3Al-0.9Mg 组中，氧含量下降到最低值0.014 3%，此时熔敷金属组织最均匀，马氏体之间分布着少量的板条状贝氏体，视场内无聚合贝氏体存在；
当进一步添加Al，Mg 元素，在0.45Al-1.05Mg 组中，氧含量上升到0.016 7%，熔敷金属中的马氏体与贝氏体交叉分布，组织中存在少量聚合贝氏体.聚合贝氏体是由板条贝氏体在应力状态下聚合长大而成，超高强熔敷金属应力较大，因而氧含量增加会促进聚合贝氏体的产生，对韧性不利.
2.2 力学性能
从表5 可知，0.3Al-0.9Mg 组熔敷金属的强度和冲击吸收能量均高于其它3 组.与0Al-0Mg 组相比，屈服强度由925 MPa 上升至987 MPa，抗拉强度由1 076 MPa 上升至1 228 MPa，提高了152 MPa.对于熔敷金属的冲击吸收能量(-20 ℃)，0.3Al-0.9Mg 组试样的冲击吸收能量均值为43.8 J，较0Al-0Mg 组试样提高了11 J.研究表明[17]，熔敷金属中氧含量下降到0.02%以下时，更容易形成板条状组织,与0Al-0Mg 组熔敷金属相比，0.3Al-0.9Mg熔敷金属中聚合贝氏体含量减少、板条马氏体含量增加.由于裂纹在聚合贝氏体中扩展时几乎不会改变方向，因此不能有效地抑制裂纹的扩展，所以熔敷金属中存在的聚合贝氏体会使熔敷金属的韧性降低[17-18].板条马氏体能显著提高熔敷金属的强度，同时熔敷金属中的C，Mn 强化元素含量较高也会导致强度的提高.
表5 熔敷金属的力学性能Table 5 Mechanical properties of deposited metals
图5 为不同Al，Mg 含量熔敷金属冲击断口的SEM 形貌.观测位置是距离机械缺口2 mm 处的裂纹扩展区域.0Al-0Mg 组熔敷金属的局部存在大量的解理面，解理面周围韧窝较浅，断裂形式为局部脆性解理断裂；
随着Al，Mg 元素含量的增加，0.15Al-0.75Mg 组冲击断口的解理断裂区域减小，韧性断裂区域增加；
在0.3Al-0.9Mg 中断口表面形貌均为韧窝，使其具有较高的韧性；
随着Al，Mg 含量的进一步增加，在0.45Al-1.05Mg 组中，冲击断口表面平整无明显变形，几乎全为脆性解理断裂，因而韧性最差.对比 0Al-0Mg 组与0.3Al-0.9Mg组的冲击断口表面形貌可以发现，添加适量的Al，Mg 元素可以让韧窝变得密集且深度增加，表明材料具有更好的韧性[19-20].
图5 熔敷金属冲击断口形貌Fig.5 Impact fracture morphology of deposited metal.(a) 0Al-0Mg;(b) 0.15Al-0.75Mg;(c) 0.3Al-0.9Mg;(d) 0.45Al-1.05Mg
图6 为0Al-0Mg 和0.3Al-0.9Mg 两组熔敷金属的载荷(P)—位移(S)和冲击吸收能量(AKV)—位移(S)曲线.图中Ei和Ep分别代表冲击过程中的起裂功和裂纹扩展功.两者的主要差异在于裂纹扩展功Ep.0Al-0Mg 组起裂时的最大载荷为50 kN，而0.3Al-0.9Mg 组仅为41.7 kN，但由于在裂纹扩展的过程中，0Al-0Mg 组载荷随位移的下降速度要明显大于0.3Al-0.9Mg 组，断裂的过程中裂纹扩展功数值较低，因此导致冲击过程中的总裂纹扩展功比较低.
图6 熔敷金属的载荷—位移和冲击吸收能量—位移曲线Fig.6 Load — displacement and absorbed energy—displacement curves of deposited metals
对于大部分金属材料而言，强度和韧性是倒置关系，熔敷金属强度级别的提高往往伴随着韧性的降低.通过对金属粉芯焊丝中Al，Mg 元素的研究，在降低熔敷金属中氧含量的同时，改变了夹杂物的分布特征，减少了聚合贝氏体等降低韧性的显微组织，使熔敷金属的强度和韧性都有所提升.
(1) 加入Al，Mg 脱氧元素后，熔敷金属的氧含量显著降低，由0Al-0Mg 组的0.030 8%降为0.3Al-0.9Mg 组的0.014 3%，下降了53.6%，继续添加Al 元素不能进一步降低氧含量.同时Al，Mg 元素的添加改变了熔敷金属中夹杂物的成分和类型.由传统的以Fe，Al，Si，Mn 等元素构成的氧化物逐渐转变为Al，Mg 氧化物为主的球形细小夹杂物(MgO·Al2O3)，夹杂物的尺寸整体减小，平均直径下降了0.13 μm.
(2)熔敷金属在-20 ℃下低温冲击吸收能量与氧含量有关，在0.3Al-0.9Mg 组冲击吸收能量为43.8 J，比0Al-0Mg 提高了11 J.在金属粉芯焊丝中添加了0.3%Al，0.9%Mg 后，熔敷金属的抗拉强度提高了152 MPa.主要是熔敷金属中生成的聚合贝氏体含量较少，板条马氏体含量增加，以及熔敷金属中C，Mn 元素含量的增加导致强度的提高.
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