Q345钢是一种低碳低合金钢，其力学性能良好，在船舶、建筑、桥梁方面的应用广泛。国内外对Q345钢的焊接技术及其焊接接头和母材的性能已进行了大量研究，但是，对大厚度Q345钢板的焊接研究相对较少，且研究内容主要集中在焊接接头的冲击韧性和低周疲劳行为方面。在使用电子束焊接大厚度Q345钢板时，有关其焊接接头的截面组织和力学性能的研究报道较少。

为此，作者利用电子束焊接方法焊接了60mm厚Q345钢板，研究了接头焊缝区的显微组织及显微硬度分布。

01、试样制备与试验方法

试验材料为60mm厚Q345低碳低合金钢板，退火态，其化学成分(质量分数/％)为0.18C，1.5Mn，0.03P，0.4Si，0.16Ti，0.03Nb，0.025S，余Fe。

图1 退火态Q345钢的显微组织

由图1可知，退火态Q345钢的显微组织由粗大铁素体和少量珠光体组成，晶粒大小不一，尺寸在20~40μm。在退火态Q345钢上截取尺寸为300mm×100mm×60mm的试样，对试样进行机械打磨去除表面氧化膜，然后用无水乙醇擦洗干净。利用Probeam K110型高压真空电子束焊机对试样进行电子束焊接，采用对接接头形式，加速电压120kV，电子束电流99mA，聚焦电流2486mA，焊接速度1.8mm·s－1。

在焊接接头上沿深度方向(从上表面至下表面)截取金相试样，用体积分数为4％硝酸酒精溶液腐蚀10s后，利用VHX-600型光学显微镜观察显微组织。

图2 焊接接头截面显微硬度测试位置示意

利用HXD-1000TMC型显微硬度计测焊接接头的显微硬度，加载载荷为0.98N，保载时间15s，分别在如图2所示的A，B，C，D线上取点测试，其中：A线为焊缝中心线，方向从焊缝顶层到底层；B，C，D线分别位于焊缝顶层、中层和底层，方向为垂直于焊缝中心线从母材区到焊缝区再到母材区。硬度测试时，将焊缝的各个区域利用体积分数为4％的硝酸酒精进行轻微腐蚀，以便于对焊缝区、母材和热影响区进行观察。

02、试验结果与讨论

图3 焊接接头上表面焊缝的宏观形貌

由图3可以看出：焊接接头上表面的焊缝完整、光滑并带有金属光泽；焊缝处无裂纹、焊瘤、未融合等焊接缺陷，焊缝成形性能良好。

图4 焊接接头的截面形貌

由图4可以看出：钢板已经焊透，焊缝的深宽比很大，约为15：1；焊缝顶层的熔宽大约为7mm，底层的熔宽仅为1mm，熔宽沿深度方向变化较大；焊缝整体成形良好，没有明显的气孔、裂纹等缺陷；焊缝余高较大，约为5mm，这主要是由焊接过程中熔池金属的体积膨胀造成的。

图5 焊缝截面不同位置(如图4所示)的显微组织

由图5可知：焊缝中心顶层(图4中位置a)的显微组织由先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体组成，先共析铁素体沿奥氏体晶界析出；上层(图4中位置b)的显微组织由先共析铁素体、针状铁素体、少量的侧板条铁素体、少量的板条状马氏体组成，与顶层相比，先共析铁素体有所减少，铁素体间距变小且有少量马氏体出现；中层(图4中位置c)的显微组织由侧板条铁素体、板条状马氏体、针状铁素体组成，与上层的相比，针状铁素体数量增加，铁素体间距进一步缩小，板条马氏体数量继续增多；下层(图4中位置d)的显微组织由板条状铁素体、针状铁素体和板条状马氏体组成，与中层的相比，下层的晶粒尺寸逐渐变小，铁素体间距仍在逐渐缩小，板条状马氏体增多；底层(图4中位置e)的显微组织由针状铁素体、侧板条铁素体和板条状马氏体组成，与下层组织相比，铁素体间距明显变小，晶粒尺寸减小，板条状马氏体含量增加；焊缝中心顶层为相对较大的树枝晶，中层为细小树枝晶，底层为超细晶粒，从顶层到底层其晶粒尺寸依次减小。

图6 焊接接头不同方向(如图2所示)的硬度分布

由图6(a)可看出：焊缝中心顶层硬度在230~250HV之间，平均硬度为241HV；沿深度方向(沿图2中的A线)，焊缝中心的硬度逐渐增大，其底层硬度最大，在290~310HV之间。这是因为沿深度方向，焊缝中心的晶粒变小，由二次结晶产生的板条状马氏体逐渐增多，硬度增大。

由图6(b)~(d)可知：焊接接头焊缝区的硬度明显高于母材区和热影响区的，这是因为焊缝区大量针状铁素体的出现使得焊缝的硬度得到提高；顶层(图2中B线)焊缝的硬度在220~250HV，比母材的硬度(约200HV)增加了20~50HV，中层(图2中C线)焊缝的硬度比母材的增加了50~90HV，底层(图2中D线)焊缝的硬度比母材的增加了60~110HV，可见随着深度的增加，硬度的增加速率增大；中层焊缝最高硬度出现的范围较宽，而底层焊缝的最高硬度位于焊缝中心处，这是因为中层焊缝中心区等轴树枝晶范围较宽，而底层等轴胞状晶的范围很窄；熔合线附近的硬度与母材的相差不大，这是因为熔合线附近为柱状晶，其晶界面积减小的同时晶粒也相应地增大；而热影响区的硬度均略低于母材区的，这会影响接头的整体性能，因此在进行电子束焊接时，应注意控制其热影响区的硬度。

电子束焊接接头焊缝的硬度均高于母材的，但过高的硬度会降低焊接接头的韧塑性，一般而言，焊接接头焊缝的硬度不应比母材的高出110HV。实测焊缝中心底层的硬度比母材的增加了60~110HV，其硬度略偏高，因此在进行电子束焊接大厚度钢板时，应注意控制其底层的硬度。

(1)电子束焊接能够一次性焊透60mm厚Q345钢板，焊缝的深宽比较大，约15：1；焊缝顶层宽度约为7mm，底层宽度仅为1mm；焊缝整体成形良好，没有明显的气孔、裂纹等缺陷；焊缝余高较大，约5mm。

(2)焊缝中心顶层的显微组织由先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体组成，先共析铁素体沿奥氏体晶界析出；随着深度的增大，共析铁素体减少、板条状马氏体和针状铁素体增多，且针状铁素体间距变小，晶粒尺寸减小。

(3)随着深度的增大，焊缝中心线的硬度呈波动性增大，最高硬度出现在底层，为310HV；焊缝区硬度明显高于母材和热影响区的，且沿着深度方向焊缝区硬度的增大速率明显较大。