Q345鋼是一種低碳低合金鋼，其力學性能良好，在船舶、建筑、橋梁方面的應用廣泛。國內外對Q345鋼的焊接技術及其焊接接頭和母材的性能已進行了大量研究，但是，對大厚度Q345鋼板的焊接研究相對較少，且研究內容主要集中在焊接接頭的沖擊韌性和低周疲勞行為方面。在使用電子束焊接大厚度Q345鋼板時，有關其焊接接頭的截面組織和力學性能的研究報道較少。

為此，作者利用電子束焊接方法焊接了60mm厚Q345鋼板，研究了接頭焊縫區的顯微組織及顯微硬度分布。

01、試樣制備與試驗方法

試驗材料為60mm厚Q345低碳低合金鋼板，退火態，其化學成分(質量分數/％)為0.18C，1.5Mn，0.03P，0.4Si，0.16Ti，0.03Nb，0.025S，余Fe。

圖1 退火態Q345鋼的顯微組織

由圖1可知，退火態Q345鋼的顯微組織由粗大鐵素體和少量珠光體組成，晶粒大小不一，尺寸在20~40μm。在退火態Q345鋼上截取尺寸為300mm×100mm×60mm的試樣，對試樣進行機械打磨去除表面氧化膜，然后用無水乙醇擦洗干凈。利用Probeam K110型高壓真空電子束焊機對試樣進行電子束焊接，采用對接接頭形式，加速電壓120kV，電子束電流99mA，聚焦電流2486mA，焊接速度1.8mm·s－1。

在焊接接頭上沿深度方向(從上表面至下表面)截取金相試樣，用體積分數為4％硝酸酒精溶液腐蝕10s后，利用VHX-600型光學顯微鏡觀察顯微組織。

圖2 焊接接頭截面顯微硬度測試位置示意

利用HXD-1000TMC型顯微硬度計測焊接接頭的顯微硬度，加載載荷為0.98N，保載時間15s，分別在如圖2所示的A，B，C，D線上取點測試，其中：A線為焊縫中心線，方向從焊縫頂層到底層；B，C，D線分別位于焊縫頂層、中層和底層，方向為垂直于焊縫中心線從母材區到焊縫區再到母材區。硬度測試時，將焊縫的各個區域利用體積分數為4％的硝酸酒精進行輕微腐蝕，以便于對焊縫區、母材和熱影響區進行觀察。

02、試驗結果與討論

圖3 焊接接頭上表面焊縫的宏觀形貌

由圖3可以看出：焊接接頭上表面的焊縫完整、光滑并帶有金屬光澤；焊縫處無裂紋、焊瘤、未融合等焊接缺陷，焊縫成形性能良好。

圖4 焊接接頭的截面形貌

由圖4可以看出：鋼板已經焊透，焊縫的深寬比很大，約為15：1；焊縫頂層的熔寬大約為7mm，底層的熔寬僅為1mm，熔寬沿深度方向變化較大；焊縫整體成形良好，沒有明顯的氣孔、裂紋等缺陷；焊縫余高較大，約為5mm，這主要是由焊接過程中熔池金屬的體積膨脹造成的。

圖5 焊縫截面不同位置(如圖4所示)的顯微組織

由圖5可知：焊縫中心頂層(圖4中位置a)的顯微組織由先共析鐵素體、側板條鐵素體、針狀鐵素體組成，先共析鐵素體沿奧氏體晶界析出；上層(圖4中位置b)的顯微組織由先共析鐵素體、針狀鐵素體、少量的側板條鐵素體、少量的板條狀馬氏體組成，與頂層相比，先共析鐵素體有所減少，鐵素體間距變小且有少量馬氏體出現；中層(圖4中位置c)的顯微組織由側板條鐵素體、板條狀馬氏體、針狀鐵素體組成，與上層的相比，針狀鐵素體數量增加，鐵素體間距進一步縮小，板條馬氏體數量繼續增多；下層(圖4中位置d)的顯微組織由板條狀鐵素體、針狀鐵素體和板條狀馬氏體組成，與中層的相比，下層的晶粒尺寸逐漸變小，鐵素體間距仍在逐漸縮小，板條狀馬氏體增多；底層(圖4中位置e)的顯微組織由針狀鐵素體、側板條鐵素體和板條狀馬氏體組成，與下層組織相比，鐵素體間距明顯變小，晶粒尺寸減小，板條狀馬氏體含量增加；焊縫中心頂層為相對較大的樹枝晶，中層為細小樹枝晶，底層為超細晶粒，從頂層到底層其晶粒尺寸依次減小。

圖6 焊接接頭不同方向(如圖2所示)的硬度分布

由圖6(a)可看出：焊縫中心頂層硬度在230~250HV之間，平均硬度為241HV；沿深度方向(沿圖2中的A線)，焊縫中心的硬度逐漸增大，其底層硬度最大，在290~310HV之間。這是因為沿深度方向，焊縫中心的晶粒變小，由二次結晶產生的板條狀馬氏體逐漸增多，硬度增大。

由圖6(b)~(d)可知：焊接接頭焊縫區的硬度明顯高于母材區和熱影響區的，這是因為焊縫區大量針狀鐵素體的出現使得焊縫的硬度得到提高；頂層(圖2中B線)焊縫的硬度在220~250HV，比母材的硬度(約200HV)增加了20~50HV，中層(圖2中C線)焊縫的硬度比母材的增加了50~90HV，底層(圖2中D線)焊縫的硬度比母材的增加了60~110HV，可見隨著深度的增加，硬度的增加速率增大；中層焊縫最高硬度出現的范圍較寬，而底層焊縫的最高硬度位于焊縫中心處，這是因為中層焊縫中心區等軸樹枝晶范圍較寬，而底層等軸胞狀晶的范圍很窄；熔合線附近的硬度與母材的相差不大，這是因為熔合線附近為柱狀晶，其晶界面積減小的同時晶粒也相應地增大；而熱影響區的硬度均略低于母材區的，這會影響接頭的整體性能，因此在進行電子束焊接時，應注意控制其熱影響區的硬度。

電子束焊接接頭焊縫的硬度均高于母材的，但過高的硬度會降低焊接接頭的韌塑性，一般而言，焊接接頭焊縫的硬度不應比母材的高出110HV。實測焊縫中心底層的硬度比母材的增加了60~110HV，其硬度略偏高，因此在進行電子束焊接大厚度鋼板時，應注意控制其底層的硬度。

(1)電子束焊接能夠一次性焊透60mm厚Q345鋼板，焊縫的深寬比較大，約15：1；焊縫頂層寬度約為7mm，底層寬度僅為1mm；焊縫整體成形良好，沒有明顯的氣孔、裂紋等缺陷；焊縫余高較大，約5mm。

(2)焊縫中心頂層的顯微組織由先共析鐵素體、側板條鐵素體、針狀鐵素體組成，先共析鐵素體沿奧氏體晶界析出；隨著深度的增大，共析鐵素體減少、板條狀馬氏體和針狀鐵素體增多，且針狀鐵素體間距變小，晶粒尺寸減小。

(3)隨著深度的增大，焊縫中心線的硬度呈波動性增大，最高硬度出現在底層，為310HV；焊縫區硬度明顯高于母材和熱影響區的，且沿著深度方向焊縫區硬度的增大速率明顯較大。