摘要：文章旨在解决G24Mn6低合金铸钢焊接过程中的热影响区（HAZ）脆化及裂纹问题，为焊接工艺制定提供依据。采用4种不同预热温度进行焊接前预热，在相同热输入下进行焊接，其微观组织演变与力学性能的研究。研究结果表明，预热温度显著改变焊接热循环特征，当预热温度低于150℃时，热影响区冷却速度高达42℃/s，形成大量板条马氏体，硬度超过380 HV；预热温度升至200℃后，冷却速度降至15℃/s以下，马氏体比例减少至15%以下，贝氏体成为主导组织，硬度稳定在250~280HV区间。预热温度每提高50℃,冲击韧性提升约30%，200℃预热时低温冲击功达到54J。通过文章研究，确定了G24Mn6低合金铸钢焊接获得最佳微观组织和力学性能预防脆化和裂纹问题最佳预热温度区间为190～210℃。

　　关键词：预热温度；焊接热影响区；贝氏体相变

　　G24Mn6作为典型的低合金高强铸钢，因其优异的强度、韧性和铸造性能，被广泛应用于工程机械、矿山设备及水电设施等大型关键结构件。这类构件在制造过程中不可避免需要进行焊接组装和修复，然而焊接过程中出现的热影响区脆化和冷裂纹问题长期困扰着制造业。焊接热循环作用下，G24Mn6铸钢热影响区经历快速加热和冷却过程，导致原始铸态组织发生复杂相变。尤其在不预热或低温预热条件下，冷却速度过快极易在热影响区形成硬脆马氏体组织，显著增加裂纹敏感性。

　　文章通过系统研究不同预热温度下G24Mn6铸钢焊接热影响区的微观组织演变规律，分析其对硬度、韧性等关键力学性能的影响机制，建立预热温度与裂纹敏感性的定量关系。研究成果将填补该材料焊接基础数据空白，为制定科学预热规范提供理论依据，对提升大型铸钢焊接结构的安全可靠性具有重要工程意义。

　　1试验材料与焊接方法

　　文章选用符合EN 10293标准的G24Mn6铸钢作为基材，其化学成分为：C 0.20%~0.25%，Si 0.30%~0.50%，Mn 1.40%~1.60%，P≤0.025%，S≤0.015%，Cr≤0.30%，Ni≤0.50%，Mo≤0.15%，余量为Fe，如表1所示。焊接接头设计如图1所示。焊接前对试样进行880℃正火处理，获得均匀的珠光体+铁素体基体组织［1］。

　　设计四组预热温度方案：未预热（环境温度25℃)、80℃、150℃、200℃和250℃,覆盖常用预热范围。预热使用远红外加热片实施，在坡口两侧各100mm范围内形成均匀温度场，采用接触式热电偶和红外测温仪双重监控。

　　冲击试验参照《金属材料焊缝破坏性试验冲击试验》（GB/T 2650—2022），拉伸试验参照《金属材料焊缝破坏性试验熔化焊接头焊缝金属纵向拉伸试验》（GB/T 2652—2022）进行，拉伸试样尺寸如图2所示。使用Instron 5985万能试验机进行室温拉伸试验，试样设计使焊缝位于中心，热影响区包含在平行段内。采用线切割从焊接接头中提取包含熔合线及热影响区的试样。微观组织分析经标准金相制样后，使用4%硝酸酒精溶液腐蚀，通过光学显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）观察组织形态。显微硬度测试使用Q-ATM 60 A+硬度计，载荷500g，保载时间15s，沿垂直熔合线方向以0.2mm间隔打点，覆盖热影响区。

　　2试验结果与分析

　　2.1不同预热温度焊接热影响区的显微组织

　　预热温度对G24Mn6铸钢热影响区组织形态的影响呈现出明显的规律性变化。未预热试样粗晶热影响区（CGHAZ）表现出典型的马氏体主导组织，内部形成高密度板条束，板条宽度为0.2~0.5μm。这种组织源于冷却速度高达45℃/s，使奥氏体直接过冷至Ms点（约420℃)以下发生切变相变。马氏体区域显微硬度达380~420HV，远高于母材硬度（220~240HV），形成明显的力学失配。

　　预热温度升至150℃后，冷却速度降至约25℃/s，组织发生显著变化：马氏体比例下，同时出现大量板条贝氏体（BF）和少量粒状贝氏体（GB）。

　　当预热温度达到200℃时，冷却速度进一步降至12~15℃/s，组织呈现均匀的贝氏体结构，马氏体比例低于10%。贝氏体板条尺寸略有增大，板条间碳化物分布更为连续。

　　250℃预热条件下，除贝氏体外，在晶界三角区出现多边形铁素体。这种组织源于冷却速度过慢（约5℃/s）导致部分奥氏体在高温区发生先共析转变。虽然铁素体出现提高了塑性，但粗大的贝氏体板条和晶界铁素体带可能成为裂纹扩展路径，对韧性产生不利影响。不同预热温度下热影响区显微组织如表3、图3所示。

　　2.2不同预热温度对力学性能的影响

　　预热温度通过组织调控深刻影响着热影响区的力学性能。显微硬度分布测试显示，未预热试样热影响区硬度呈陡峭分布，峰值硬度达395HV，与母材形成160HV以上的硬度差。这种硬度突变易造成应力集中，成为微裂纹萌生源。预热至200℃后，峰值硬度降至265HV，硬度梯度趋于平缓，与母材差异缩小至40HV以内，显著改善了力学相容性。

　　冲击韧性测试结果更为显著。在-20℃测试温度下，未预热试样的冲击功仅为14~18J，断口呈现典型的解理断裂特征，可见明显的河流花样和撕裂棱。预热温度升至150℃时，冲击功提高至32~36J，断口中出现约40%面积的韧窝区。200℃预热试样的冲击功达到50~54J，断口呈现完全韧性断裂特征，韧窝尺寸均匀且深度增加。值得注意的是，250℃预热试样的冲击功反而降至42~46J，这与晶粒粗化和铁素体形成相关。不同预热温度下力学性能检测值如表4所示。

　　未预热和预热温度200℃的冲击试样断口如图4所示。拉伸试验表明，随着预热温度提高，接头强度呈轻微下降趋势但仍高于母材强度要求。未预热试样因热影响区硬化常发生母材断裂。而预热充分（200℃)的试样断裂位置转移至焊缝区，表明热影响区性能已优化至与焊缝相当水平。值得注意的是，预热温度升高使接头延伸率稳步提升，200℃预热时达到16.5%，表明预热改善了接头的塑性变形能力。显微硬度试验表明，随着预热温度提高，热影响区硬度降低，这将有效降低开裂风险［2］。

　　2.3裂纹敏感性

　　未预热试样的断面裂纹率高达85%，裂纹主要起源于熔合线附近的粗晶区，沿马氏体板条束扩展。预热至150℃后，裂纹率显著降至约25%，裂纹路径呈现不连续特征。200℃预热试样的裂纹率低于5%，仅在根部应力集中处出现微裂纹。预热温度与裂纹率呈指数衰减关系［3］，如式（1）：

　　CR=92.7×exp（-0.023T）（1）
       式中：T为预热温度，℃；CR为裂纹率，%。

　　对焊后未及时热处理的试样进行延迟裂纹观察发现，未预热试样在焊后48小时内出现大量横向裂纹，而200℃预热试样即使暴露7天也未发现裂纹。这表明预热不仅降低即时冷裂风险，还显著提高了抗延迟裂纹能力。

　　3结论

　　（1）预热温度显著改变热影响区冷却速度和组织形态：未预热时冷却速度达42℃/s，形成85%以上板条马氏体，硬度超380HV；200℃预热使冷却速度降至15℃/s以下，形成90%以上贝氏体组织，硬度稳定在250~280HV区间，实现了强度与韧性的优化匹配。

　　（2）预热温度通过双重机制提高韧性：一方面抑制硬脆马氏体形成，减少解理断裂源；另一方面促进贝氏体板条细化和碳化物弥散分布。200℃预热时-20℃冲击功达54J，较未预热状态提高300%，断口呈现完全韧窝特征。

　　（3）预热温度显著改善热影响区位置裂纹敏感性。大大降低裂纹风险。

　　（4）基于组织性能平衡，确定最佳预热窗口为190~210℃,并针对不同工况（板厚、拘束度、环境温度）制定差异化预热规范。

参考文献

　　［1］汤亨强，杨平，柳美玲.激光焊焊前预热和焊后热处理对焊缝质量的影响［J］.电焊机，2019，49（3）：99-102.

　　［2］曾强，周杰，顾铭，等.ZG29MnMoNi基体不同预热温度对过热区热循环及组织的影响［J］.热加工工艺，2015，44（11）：201-203.

　　［3］张文钺.焊接冶金学［M］.北京：机械工业出版社，2004.