焊接工艺对海工钢热影响区组织与性能的影响_朱立光.pdf

第 卷 第期 年月钢铁 ，：焊接工艺对海工钢热影响区组织与性能的影响朱立光，马晨雨，王旗，郑亚旭，肖鹏程，郭志红，（河北科技大学材料科学与工程学院，河北 石家庄 ；河北省材料近净成形技术重点实验室，河北 石家庄 ；华北理工大学冶金与能源学院，河北 唐山 ）摘要：采用镁处理的第三代氧化物冶金技术，通过铁水预处理转炉 精炼 精炼 工艺生产 厚的 海工钢。为了研究“焊接道次”和“线能量”对热影响区（，）组织以及性能的影响，对厚板进行大线能量焊接，焊接工艺分别为 线能量的三丝埋弧两道焊和 线能量的三丝埋弧单道焊。结果表明，与 上表面相比，处由于“两道次焊接”，原奥氏体晶粒尺寸由 增加到 ；组元数量接近，但岛状 组元平均尺寸由 增加到 ，条状组元平均尺寸由 增加到 ；恶化了低温冲击韧性，平均冲击功由 降低为 。与 上表面相比，上表面由于“线能量提高”，原奥氏体晶粒尺寸由 增加到 ；组元数量减少，但 组元尺寸明显增大，岛状 组元平均尺寸由 增加到 ，条状 组元平均尺寸由 增加到 ，恶化了低温冲击韧性，平均冲击功由 降低为 。经过大线能量焊接后，粗晶区中存在着以 为核心，（，）附着在外围的复合夹杂物，该类夹杂物能够诱导针状铁素体（，）析出，对改善冲击韧性具有帮助作用。与 相比，上表面组元尺寸相差不大，但数量保持在较低水平，因此 上表面处冲击韧性较高。相较于多道次焊接，适当提高线能量、减少焊接道次，不仅能够提高冲击韧性，还能提高焊接效率。关键词：焊接工艺；镁处理；热影响区；显微组织；冲击韧性文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）基金项目：国家区 域联合基金重点资助项目（）；河 北 省 重 点 研 发 资 助 项 目（）；河 北 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目（，）；河北省教育厅科研计划资助项目（）作者简介：朱立光（），男，博士，教授；：；收稿日期：通讯作者：王旗（），男，博士，讲师；：（），钢铁第 卷 ，（，）（），：；在大型船舶的建造中，焊接工艺直接影响造船效率，焊接工时占造船总工时的 ，因此在保证焊接钢材性能的同时，提高焊接线能量、减少焊接道次成为研究的重点。传统焊接为保证焊接接头的性能，尤其是厚板焊接一般采用小线能量多层多道焊的方式，但大大降低了生产效率。为提高焊接效率，厚板焊接常采用大线能量焊接，但线能量的提高使得热影响区附近的温度可达 ，导 致 粗 晶 区 原 奥 氏 体 晶 粒 粗 化，降 低（）低温冲击韧性，影响船舶以及海洋平台的使用安全性能。针 对 上 述 问 题，世 纪 年 代，新 日 铁 和 首次提出了氧化物冶金的概念，其核心主要是利用细小的夹杂物诱发 （），使 区域的晶粒更加的细小，改善 的冲击韧性。目前，氧化物冶金发展到以镁脱氧为核心的第三代。镁作为强脱氧剂，与氧、硫的亲和力强，易形成含镁的夹杂物。由于 粒子间结合力小，能够在钢液中形成细小弥散的高熔点 质点，且在大线能量焊接过程中不会发生重熔，对提高大线能量焊接 冲击韧性有着积极的作用。等研究了 夹杂物对低碳合金钢中 形核的影响，发现含镁夹杂物尺寸在 对 形核有显著促进作用。孙立根等研究了镁处理对海工钢中夹杂物的影响，发现镁处理可以有效细化夹杂物晶粒尺寸，的夹杂物数量占比 ，远高于普通海工钢的 。有研究表明，经过镁处理的低碳钢，镁并不直接提高夹杂物诱导 的能力，而是细化能够诱导 的夹杂物，使之弥散分布，并且使 变性，最终提高冲击韧性。经过多年的发展，利用氧化物冶金技术生产大线能量焊接用钢取得了一定的发展，同时大线能量焊接技术也取得了一定的进步。王雁等 对镁处理 级船板钢，采用 线能量对 厚板进行焊接，对热影响区熔合线处进行低温冲击试验，下平均吸收功为 。高兰云等 通过采用 线能量对 厚 薄板进行双面单道窄间埋弧焊试验，研究提出了全熔透高效焊接合理的焊接参数。河钢集团 采用氧化物冶金工艺生产 厚 海工钢，通过控制冶炼过程形成 细小夹杂物粒子改善 低温冲击韧性，采用 焊接线能量的气电立焊进行实焊，在 时 的冲击韧性不小于。现有研究多集中于薄板，厚板焊接多采用气电立焊，而对于水平方向的厚板多采用埋弧焊，目前对于厚板埋弧焊接研究较少，还需要进一步的研究。本文以镁处理的 海工钢厚板为研究对象，分别采用 线能量两道次和 线能量单道次焊接对 厚板进行三丝埋弧焊接，系统分析了粗晶区组织、力学性能、夹杂物类型，研究了“两道次焊接”和“线能量提高”对粗晶区组织与性能的影响，为后续该钢种大线能量焊接工艺制定提供参考。试验材料与方法 试验材料试验材料采用河北某钢厂的 海工钢，其生产工艺流程为铁水预处理转炉 精炼 精炼 ，最 后 轧 制 成 厚 板。化学成分见表。钢中含有多种元素，热影响区的变化与各元素含量密切相关，其中碳当量（）对钢裂纹形成影响最大。在实际的焊接过程中，钢材的可焊接性用碳第期朱立光，等：焊接工艺对海工钢热影响区组织与性能的影响表试验钢化学成分（质量分数）当量 评估，其计算公式见式（）。（）（）（）（）（）（）（）（）经过计算，本试验钢 ，钢板具有良好的焊接性。焊接方法焊接试验采用 的 钢板，使用美国林肯?三丝埋弧焊机，钢板开口方式为对称“”型，钝边尺寸为，坡口角度为 。首先使用 线能量单丝埋弧焊进行打底，然后分别采用两种不同焊接工艺进行大线能量埋弧焊接。两道次焊接试验采用 线能量三丝埋弧焊，两道次间隔在以上，层间温度低于 ；单道次焊接试验采用 线能量三丝埋弧焊。焊接示意图如图所示。采用伊萨 焊丝，焊丝直径为 。采用伊萨 焊剂，且焊剂在使用前在 下烘干。钢板焊前无预热，焊后无热处理。焊接工艺参数见表。（）；（）。图焊接示意 表焊接工艺 线能量（）线速度（）前丝中丝后丝电流电压电流电压电流电压 组织观察与性能检测在焊后钢板中部垂直于焊缝取 厚钢板断面，观察焊接头宏观组织。进一步对 焊接头断面，分别在上表面和处（为厚度）取包括焊缝以及热影响区的完整金相样品，规格为 。对 焊接头断面只在上表面取包括焊缝以及热影响区的完整金相样品，规格相同。使用 砂纸和金刚石抛光剂将金相样品磨光并抛至镜面，并用的硝酸酒精腐蚀出基体组织。使用金相显微镜、扫描电子显微镜和维氏硬度计分析焊接头 组织、夹杂物和硬度变化。对上述个取样位置进行低温冲击试验，根据 制备规格为 的冲击样品，使用 试验机进行 夏比“”型缺口冲击试验，每组试样重复次，取其平均值。试验结果 母材组织与性能钢板母材组织如图所示，主要由块状铁素体、珠光体以及粒状贝氏体组成。经测量图（）中的平均晶粒尺寸为 ，晶粒度为 ，属于超细晶粒度；图（）中可以看出晶粒细小且均匀。钢板的应力应变曲线如图所示，力学性能见表，母材钢铁第 卷的上下屈服强度分别为 和 ，抗拉强度为 ，伸长率为 ，达到 标准。（）高倍组织；（）低倍组织。图钢板母材组织 图应力应变曲线 为了更好地分析母材中夹杂物的类型和演变规律，使用 热力学计算软件，模块，、数据库，进行热力学计算，并对母材中典型夹杂物进行元素面分析，结果如图所示。钢中典型夹杂物是以高熔点 为核心，附着析出 、。母材中复合夹杂物与热力学计算结果相一致，且附着状态与各夹杂物析出温度顺序相一致。焊接接头图所示为 和 线能量下 钢板埋弧焊接接头。如图（）所示，图中虚线 为两次焊接的交界处，虚线方框对应取样位表试验钢力学性能 上屈服强度 下屈服强度 抗拉强度 屈强比伸长率 置，距虚线 ；上表面取样位置距虚线边缘。如图（）和（）所示，焊缝形状均类似于“钉头状”，与焊接过程熔池表面张力有关。在靠近电弧中心线区域，由于液态金属的温度较高，表面张力较低，而在熔池边界附近，熔池金属的温度低，表面张力高，导致熔池表面的液态金属由靠近中心线的区域向熔池边界流动，形成“钉头状”。图（）、（）和（）中的粗晶区和细晶区宽度分别为 和、和、和。组织性能图所示为两钢板不同位置处 下的冲击功值。由图可知，焊接试验钢板 冲击韧性在 下冲击功均值均大于 ，冲击韧性总体水平较高，大幅度超越国家标准。上表面、处和 上表面的平均 冲 击 韧 性 分 别 为（）、（）和（）。个位置的冲击韧性均不相同，低温冲击韧性降序排列为 上表面、上表面和 处。上表面、处和 上表面处由熔合区到不完全重结晶区的横向硬度值如图所示。从图中可以看出不同区域的硬度值不同，硬度的变化趋势整体一致，从熔合线到不完全重结晶区，整体呈现先减少后增大的趋势。种硬度值各自又呈现不同差异，硬度值从大到小依次 为 处、上 表 面 和 第期朱立光，等：焊接工艺对海工钢热影响区组织与性能的影响（）夹杂物面扫描；（）热力学计算；（）（）元素分布。图典型夹杂物面扫描及热力学计算 （）焊接接头；（）焊接接头；（）上表面；（）处；（）上表面。图焊接接头组织 上表面。分析与讨论冲击韧性与硬度值的大小与组织密切相关，“焊接道次”与“线能量提高”均会影响组织的变化。此外，镁处理钢板中的夹杂物对组织也有影响。使用 软件对个取样位置处的组织进行分析，结果见表。钢铁第 卷图不同位置冲击功 图不同位置硬度 表显微组织特征数据汇总 位置原奥氏体平均晶粒尺寸组元数量（）条状 组元占比岛状 组元平均晶粒尺寸条状 组元平均晶粒尺寸岛状 组元最大尺寸条状 组元最大尺寸细晶区平均晶粒尺寸 上表面 处 上表面 “焊接道次”对组织的影响如图所示，图（）焊缝交界处下方 处为图（）取样位置，该交界处的热量不仅会向水平方向传递，还会向纵方向传递，均小于个位置的粗晶区宽度。因此第二次焊接的热输入对图（）所示位置仍有影响，因此处的组织受两次热输入的共同影响。图（）位置距第一道焊缝边缘（均大于个位置处的粗晶区与细晶区之和）。因此图（）位置主要受第二道焊缝热输入的影响。图所示为 上表面、处粗晶区和细晶区的金相组织以及粗晶区的 图。（）上表面粗晶区；（）处粗晶区；（）上表面细晶区；（）处细晶区；（）上表面粗晶区；（）处粗晶区。图 的 显微组织 第期朱立光，等：焊接工艺对海工钢热影响区组织与性能的影响如图（）所示，粗晶区主要以条形粒状贝氏体和板条状贝氏体为主，相同取向的板条聚在一块形成包块，不同取向的板条将原奥氏体晶粒划分为不同区域，细化奥氏体晶粒。原奥氏体晶粒晶界清晰，平均晶粒尺寸为 ，组元呈岛状和条状分布。由表可知，岛状组元平均尺寸为 ，最大尺寸为 ；条状 组元（长宽比不小于）占 ，平均尺寸为 ，最大尺寸为 。有研究表明，在单位面积上岛尺寸越小，数量越少，且无规则分布时，粗晶区的韧性越好。图（）为线能量为 时处的粗晶区组织，原奥氏体晶粒尺寸增大，平均晶粒尺寸为 ；板条贝氏体减少，粒状贝氏体增多，板条贝 氏体 向粒 状贝氏 体 有 转变 趋势。组元以岛状和条状分布，岛状 组元平均尺寸为 ，最大尺寸为 ；条状 组元占 ，平均尺寸为 ，最大尺寸为 。岛状组元尺寸增大，条状组元增多。两位置粒状贝氏体中组元数量相近，分别 为 和 ，但组元尺寸具有明显差异，大尺寸组元增多降低了处粗晶区的冲击韧性。图（）和（）为两位置热影响区细晶区，组织均以珠光体和铁素体为 主，其 平 均 晶 粒 尺 寸 分 别 为 和 ，即细晶区晶粒尺寸也有增大现象。当焊接道次增加时，经过二次及以上的热输入，相较于第一次的热输入，组织明显有增大的现象，在冷却的过程中，组织内部会优先形成对冲击韧性不利的组元，这种现象表现为“组织遗传性”的结果。随着焊接道次的增加，处经过二次热输入，铁素体向奥氏体转变过程中，原奥氏体晶粒尺寸比前一次有增大现象。等 曾指出粗大的原奥氏体组织会导致形成的 组元的粗大。综上 处受到焊接道次的影响，中原奥氏体晶粒、贝氏体中条状和岛状组元和细晶区晶粒平均尺寸均有增大现象。如图图所示，上表面的冲击韧性大于 的冲击韧性，处的整体硬度大于 上表面处的整体硬度。有研究表明，铁素体的硬度在 范围，贝氏体的硬度在 范围。焊接接头粗晶区硬度值变化与该区域的贝氏体组织比例具有相关性。经过两次焊接热输入，热影响区中粒状贝氏体组织增多，且贝氏体中条状和岛状 组元平均尺寸增大，导致热影响区低温冲击韧性降低、硬度增大。“线能量提高”对组织的影响 上表面样品热影响区显微组织如图所示。由表可知，相较于 上表面，线能量提高至 ，热影响区原奥氏体晶粒尺寸增大，平均晶粒尺寸为 ，主要以粒状贝氏体为主。贝氏体中岛状 组元平均尺寸为 ，最大尺寸为 ；条状 组元占比为 ，平均尺寸为 ，最大尺寸为 。组元尺寸增大，数量有所减少。如图（）所示，细晶区组织类型无明显变化，仍以珠光体和铁素体为主；但晶粒尺寸有增大现象，平均晶粒尺寸为 。因此，粗晶区和细晶区均会受到“线能量提高”的影响，使原奥氏体晶粒、组元和细晶区晶粒平均尺寸增大。（）上表面粗晶区；（）上表面细晶区；（）上表面粗晶区。图 的 显微组织 对比分析图、图和图，上表面的冲击韧性和整体硬度介于 上表面和 处。相较于 的上表面，由于线能量的提高，热影响区中 组元尺寸增大，条状 组元占比增大，导致冲击韧性降低，硬度值增大。相较于 处，热影响区中组元尺寸接近，但数量保持在较低水平，为 ，因此低温冲击性能较于 钢铁第 卷处好。焊后 中“夹杂物”诱导 分析钢板经过大线能量焊接后可在热影响区观察到 复合夹杂物诱发 ，焊接工艺变化对夹杂物诱发效果无明显影响。对粗晶区中典型夹杂物进行 元 素 面 分 析，如 图 所 示。该 夹 杂 物 以 为主，（、）附着在 外围诱导 形核析出。已有研究表明 ，在钛、铌的碳氮化物之中，在高温下稳定性最好，易在 表面析出，粒子具有更好的稳定性，含钛的复合夹杂物对诱发 最为有效。是一种具有大角度晶界、高位错密度板条状的中温转变组织，该组 织 具 有 较 高 的 取 向 差，可 以 有 效 阻 碍 脆 性断裂。（）夹杂物面扫描；（）夹杂物诱导 模型；（）（）元素分布。图 夹杂物元素面扫描分布 由于、间隙原子半径相近，会溶于 ，形成 （、），且 与 具有相同的晶体结构，因此选取 结构分析其与 间错配度。根据 提 出 的 二 维 错 配 度 模 型 计 算 与 和 与 的 错 配 度，表为 、和 的晶格参数，图 所示为 和 的错配度模型，图 所示为 和 错配度模型，计算模型公式 见式（）。（）（）（）式中：为错配度；（）为核心基底的低指数晶面；（）为新相的低指数晶面；为（）上的一个低指数晶向；为（）上的一个低指数晶向；为沿 晶向的晶面间距；为沿 晶向的晶面间距；为 和 之间的夹角。表 和 的晶格参数 物相空间群晶格参数（）参考文献 （）（）（）由 表 可 知，与 间 的 错 配 度 为 ，与 之间的错配度为 ，均小于，属于有效异质形核。因此，凝固过程 能够在高熔点夹杂物 上形核，并在固态相变阶段有效诱导 形成。由图热力学计算可知，当温度超过 时，平衡析出量降低，当温度达到 ，热力学不稳定。在进行大线能量 焊 接 时，粗 晶 区 的 温 度 高 达 ，高温循环后完全消失，此时 稳定性虽有降低，但未完全溶解，仍有保留。第期朱立光，等：焊接工艺对海工钢热影响区组织与性能的影响图（）与（）错配度模型 （）（）图（）与（）错配度模型 （）（）结论（）“焊接道次增加”和“线能量提高”均会使粗晶区原奥氏体晶粒平均尺寸增大、粒状贝氏体增多，同时贝氏体中 组元平均尺寸增大，恶化热影响区低温冲击韧性。（）焊接热循环后热影响区中存在 （、）复合夹杂物，由于外层 与 具有低错配度，可有效地诱导 形核，有利于提高 冲 击韧性。（）上表面与 处对比，在组元尺寸相近的条件下，组元数量保持在较低水平，抑制了冲击韧性的降低。因此适当提高线能量，减少焊接道次有利于改善热影响区冲击韧性，并可提高钢板焊接效率。参考文献：习小军，赖朝彬，吴春红，等大线能量焊接船板钢的研究现状与发展有色金属科学与工程，（）：（，（）：）武会宾，梁国俐，唐荻大热输入焊接 船板钢接头力学性能焊接学报，（）：（，（）：），（）：，：，：龚洪君，杨星地，李龙，等铝镁合金脱氧实践及钢中夹杂物分析钢 铁 钒 钛，（）：（，（）：），（），：孙立根，马振云，孙铭延，等镁处理船板钢中 的诱发行为研究炼钢，（）：（，（）：）朱立光，孙立根氧化物冶金技术及其在船体钢开发中的应用及展望炼钢，（）：（，（）：）张亚运，张宇，王纳，等焊接热输入量对 处理钢粗晶热影响区组织和低温韧性的影响 热加工工艺，（）：（，（）：）王雁，朱立光，吴耀光，等 级船体钢中焊接热影响区组织特征钢铁，（）：（，（）：）高兰云，陈浩，李忠明，等埋弧焊高效焊接新工艺的探究与实践金属加工（热加工），（）：（，（）：）钢铁第 卷 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