Q355B钢连续冷却转变曲线及电弧焊工艺优化.pdf

2023年 第9期 热加工80焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n gQ355B钢连续冷却转变曲线及电弧焊工艺优化王清曌上海三一重机股份有限公司 上海 200241摘要：根据敏感区组织与疲劳寿命关系准则，结合金相-硬度法、差热分析法等构建的Q355B钢连续冷却转变曲线，控制热输入和冷却速度，配合CCT图调控焊缝接头Q355B钢热影响区形成的组织，探索最佳工艺，提升构件疲劳寿命。试验结果表明：当冷却速度1/s时，开始产生针状铁素体。当冷却速度为5/s时，针状铁素体的含量最大，材料的疲劳性能最佳。关键词：热模拟系统Gleeble-3800；针状铁素体；低合金高强度钢；疲劳寿命1 序言Q355B钢是一种常见的低合金高强度结构钢，其化学成分主要包括C、Si、Mn、P、S等元素，力学性能特点是强度高、塑性好及焊接性好，广泛用于建筑、桥梁、车辆及机械等领域1。多层多道电弧焊是一种常用的焊接方法，具有速度快、质量高、适应性强和节约成本等优势，因此得到广泛应用2。但是低合金高强度钢在多层多道电弧焊焊接过程中，会因高热输入而导致韧性降低3。随着焊接热输入量的增加，柱状晶比例逐渐变少，等轴晶比例却有所增加，沿奥氏体晶界析出的先共析铁素体的数量明显增加，向晶内生长的板条铁素体数量降低4。在奥氏体晶粒内部，无序状的针状组织含量先增加后减少5。随着焊接参数的变化，热影响区的组织受其影响最大的是热影响区的粗晶区，而热影响区的相变重结晶区和不完全相变重结晶区受焊接参数的影响则不是很大6。根据冷却速度的不同，在焊缝金属中含有晶界铁素体（GF）、多边铁素体（PF）、针状铁素体（AF）、晶界铁素体（GF）、珠光体（P）、粒状贝氏体（GB）及贝氏体铁素体（BF）的比例也不同。促进夹杂物表面针状铁素体形核已经成为提高低合金高强钢低温韧性的有效手段7。AF比例越高，热影响区韧性越好，但是冷却速度过度增大也会减少针状铁素体的含量8。因此，本文通过连续冷却转变曲线（CCT曲线）指导焊接工艺，调控焊缝组织为大量的针状铁素体，从而实现疲劳性能的提升。2 试验材料与方法试验材料取自Q355B钢板。母材的化学成分见表1。试验采用差热分析法测定Ac1、Ac3，将钢材加工成4mm4mm0.4mm的样品，并放入差热分析仪进行试验。试验工艺以2/min由500升温到1000，提取曲线并确定Ac1、Ac3。热模拟试验样品从钢板上取样后经车削加工而成，规格为6mm10mm和4mm8mm两种，测高速冷却（400/s）膨胀曲线采用4mm8mm试样，其他冷却速度采用6mm10mm试样。在Gleeble-3800热模拟机上测定膨胀曲线（见图1）。为保证微合金元素的充分溶解，将奥氏体化温度定为1000（在2min内将试样加热至此温度），保温15min，分别以6种不同的冷却速度（0.5/s、1/s、5/s、10/s、20/s、30/s）将试样冷却，获取其膨基金项目：上海市扬帆计划（21YF1432300）。作者简介：王清曌，博士，主要研究方向为焊接工艺技术及智能制造，E-mail：wangrain9_。表1母材化学成分（质量分数）（%）CMnSiPSCu其他0.201.700.500.0350.0350.32023年 第9期 热加工81焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g胀曲线，再由膨胀曲线确定相变温度。热模拟热加工工艺如图2所示。Ms点以喷水冷却（冷却速度为400/s）确定。最后在焊缝和基体上取样进行金相观察，所用腐蚀剂为10%HNO3+30%酒精+60%H2O。a）Gleeble-3800装置b）测定原理图1Gleeble-3800装置及测定原理图2热模拟加工工艺图3Q355B钢的DTA曲线当钢发生固态相变时，常伴有体积的不连续变化，钢中各相的比容关系按如下顺序依次递增：奥氏体、铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体。如果有相变发生，则由于新旧两相结构不同、比容不同，材料的体积将发生不连续变化，因而热膨胀曲线在相变发生的温度处形成拐点，可以据此确定各种相变点。从膨胀曲线上确定不同冷却速度下转变的相变温度的方法，通常有极值法、切线法及平均法等。Q355B钢不同冷却速度下的膨胀曲线如图4所示。Q355B钢在不同冷却速度下的相变开始和结束温度及组织类型见表2。表2中不同冷却速度下的相变温度，是根据不同冷却速度膨胀曲线上的拐点（切点或极值点），结合金相组织而确定的相变温度。将表2中的相变点绘制到温度-时间半对数坐标上，用连线法将各物理意义相同的点连接起来，同时在该坐标上标出Ac1、Ac3和Ms，即可以绘出CCT图，如图5所示。3.2 金相验证试验目前，钢的焊缝组织主要包括晶界铁素体、粒状贝氏体及针状铁素体等。晶界铁素体、粒状贝氏体为韧性较差的组织，而晶内针状铁素体为韧性较好组织。如果要提高疲劳强度和韧性，则需要焊缝含有更多的针状铁素体。针状铁素体是指 HSLA 钢中所形成的一种不同于铁素体-珠光体的类贝氏体组织，是具有高密度位错的非等轴铁素体。在 650500之间形成的中温转变产物，继先共析铁素体和魏氏体形成之后在晶内的夹杂物上非均质形核呈枝3 试验结果及讨论3.1 CCT图的绘制及分析金属材料在升温或降温过程中发生的物理和化学变化，常伴有潜热的释放或吸收，在记录的温度随时间变化的曲线上会出现吸热峰或放热峰，因此用差热分析法（DTA）可以确定物相转变点。由差热分析试验所得Q355B钢的DTA曲线如图3所示。采用切点法从中可得出该钢临界点的测定结果，Ac1755.57，Ac3900。2023年 第9期 热加工82焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g晶长大。针状铁素体没有完整连续的晶界，晶粒大小不一，分布集中，晶粒间或晶粒内分布着细小的富碳 M/A 组元；针状铁素体晶粒内具有较高密度的位错。针状铁素体在光学显微镜下呈不规则的铁素体块，在透射电镜下观察呈“针状”。在先形成的一次针状铁素体晶界上感生形核长出二次针状铁素体，将奥氏体晶粒进一步分割，而二次针状铁素体也被局限于各个一次针状铁素体晶界之间生长；一次、二次针状铁素体相互竞相生长，直至没有任何生长空间为止，形成了复杂并具有较多晶界、位错e）30/s的膨胀曲线图4Q355B钢不同冷却速度下的膨胀曲线a）0.5/s的膨胀曲线 b）5/s的膨胀曲线 c）10/s的膨胀曲线 d）20/s的膨胀曲线2023年 第9期 热加工83焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g的细小晶粒的针状铁素体组织。为了验证热模拟加工系统获取的CCT图，采用各冷却速度下的金相组织进行验证。不同冷却速度下的金相组织如图6图10所示。由图6可知，在0.5/s的冷却速度下可观察到珠光体，珠光体是由奥氏体发生共析转变同时析出的，是铁碳合金中最基本的5种组织之一，是铁素体（见图6中白色组织）与渗碳体（见图6中黑色组织）片层相间的组图5Q355B钢的CCT图表2Q355B钢在不同冷却速度下的相变开始和结束温度及组织类型冷却速度/（/s）Fs/Ff-Ps/Pf-Bs/Bf-Ms/组织类型0.5787689598FP1746664577FP5715632556FP10698598538540FP20658558524524FBP30624516466BMF4081495432BMF50481412MBF a）200 b）图6a红圈处放大图（500）c）图6b红圈处放大图（1000）图60.5/s冷却速度下的金相组织织。珠光体的综合力学性能优于单独的铁素体或渗碳体。珠光体的力学性能介于铁素体和渗碳体之间，强度、硬度适中，并且不脆。由图7可知，在5/s冷却速度下，可明显看出大量针状铁素体的存在，几乎遍布整个区域。结合前后金相图分析，可认为该冷却速度（5/s）为获得Q355B钢焊缝接头针状铁素体的最佳冷却速度。由图8可知，在10/s冷却速度下，针状铁素体含量呈下降趋势，但依旧存在少量的针状铁素体，并完全消失。由图9可知，在20/s冷却速度下，可观察到少量的互锁现象，对疲劳性能的提升有积极作用。由图10可知，在30/s冷却速度下，已不存在针状铁素体，且有新相贝氏体生成。以上分析符合CCT图的规律，从而验证了CCT图的准确性。3.3 工艺优化控制冷却速度可以改变不同类型铁素体（晶界、板条、多边形、针状）的反应时间，从而实现对不同铁素体比例的控制。不同的冷却速度和奥氏体晶粒尺寸一样可以改变铁素体开始转变温度。冷却速度并不是越大越好，一方面冷却速度也会改变铁素体转变的结束温度，导致针状铁素体开始转变到结束转变的温差随冷却速度的增加而降低；另一方面冷却速度过快，夹杂物尺寸达不到形核要求的最小尺寸。通过所获取的CCT图，可按照其产生最大含量针状铁素体的冷却速度进行加工，从而获得更好的疲劳性能接头。现有的多层多道焊焊接参数见表3，在这种高热输入作用下形成的焊接接头疲劳性能较差。通过调节冷却速度得到针状铁素体，从而提升疲劳性能。冷却速度的计算包括两种方法，其一是计算某一固定温度下（通常取540）的冷2023年 第9期 热加工84焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g a）200 b）图7a红圈处放大图（500）c）图7b红圈处放大图（1000）图75/s冷却速度下的金相组织 a）200 b）图8a红圈处放大图（500）c）图8b红圈处放大图（1000）图810/s冷却速度下的金相组织 a）200 b）图9a红圈处放大图（500）c）图9b红圈处放大图（1000）图920/s冷却速度下的金相组织 a）200 b）图10a红圈处放大图（500）c）图10b红圈处放大图（1000）图1030/s冷却速度下的金相组织2023年 第9期 热加工85焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g却速度；其二是采用某个温度区间的冷却时间。对于铁素体类相变的材质多采用t8/5（800500的冷却时间），对于马氏体类相变的材质可采用t8/3（800300的冷却时间）9。将预热温度选择为20，采用Q355B钢热性能参数，对试验构件选择冷却速度计算公式10，11。对于冷却时间t8/5的计算有以下3种方法。（1）理论公式计算 1）二维传导薄板情况下计算公式为式中t8/5800500的冷却时间（s）；h母材厚度（cm）；Q焊接热输入（J/cm）；钢的导热系数（J/（scm）；金属密度（g/cm3）；c比热容（J/（g）；T0工件温度（）。2）三维传导厚板情况下计算公式为 3）临界板厚情况下计算公式为 式中hct临界板厚（cm）；h相对热相率。（2）理论修正公式计算1）二维传导薄板情况下计算公式为22258 50200110.0434.3 10500800EtTFhTT 48 50300110.675 10500800tTEFTT 502ct400030.0434.3 10110.675 10500800TFhETTTF 8 520021arctannKEtTT 8 520021arctannKEtTT 2228 50041 5001 800tQ hcTT 8 50021 5001 800tQTT 00112500800EhctcTT 22258 50200110.0434.3 10500800EtTFhTT 48 50300110.675 10500800tTEFTT 502ct400030.0434.3 10110.675 10500800TFhETTTF 8 520021arctannKEtTT 8 50021 5001 800tQTT 00112500800EhctcTT 22258 50200110.0434.3 10500800EtTFhTT 48 50300110.675 10500800tTEFTT 502ct400030.0434.3 10110.675 10500800TFhETTTF 8 520021arctannKEtTT 表3现有多层多道焊焊接参数层数作用焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/（cm/s）焊接热输入/（J/cm）第1层打底33032.50.3332500第2层填充360320.3334900第3层填充370310.339500第4层盖面36530.50.255000式中F2二维导热的焊缝因素，一般平焊取较大 值（0.91），立焊角焊缝取较小值 （0.450.67）。2）三维传导厚板情况下计算公式为 式中F3三维导热的焊缝因素，一般平焊取较 大值（0.91），立焊角焊缝取较小值 （0.67）。3）临界板厚情况下计算公式为（3）经验公式计算式中K焊接热输入系数；n焊接热输入指数；b接头系数；a板厚修正指数；T冷却区间温度特征值（）；d板厚（mm）；d0临界板厚（mm）。由以上3种公式计算得到的冷却速度见表4。从表4可看出，经验公式的结果与其余两组相差较大，但基本的趋势一致。由于理论修正公式更适合于预热温度较低的焊接工况，而现有工艺为多层多道焊接，预热温度较高，因此选用理论公式作为主要的参考。另外，理论公式还有一个优点，就是其计算精度较高。由理论公式计算出整个焊缝的平均冷却速度较低，仅为0.67/s，结合获取的CCT图和实际工况，提出2.5/s的冷却速度能够保证工艺完整性48 50300110.675 10500800tTEFTT 502ct400030.0434.3 10110.675 10500800TFhETTTF 8 520021arctannKEtTT 502ct400030.0434.3 10110.675 10500800TFhETTTF 8 520021arctannKEtTT 2023年 第9期 热加工86焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g并拥有含量较高的针状铁素体，从而获得更好的焊缝疲劳性能。通过理论公式反推出热输入并换算成焊接参数，最终得到最优焊接参数为焊接电流85135A、电弧电压2832V、焊接速度0.4cm/s。4 结束语1）通过热模拟加工系统得到了Q355B钢的CCT图，金相试验很好地验证了CCT图的可靠性。2）5/s的冷却速度是针状铁素体产生的最佳冷却速度区间，并且结合实际工况给出了多层多道焊焊接过程中提升疲劳性能的最优冷却速度为2.5/s，其每层的最优焊接参数为焊接电流85135A、电弧电压2832V、焊接速度0.4cm/s。参考文献：1 尚卿稀土对结构钢Q345B组织和性能的影响D包头：内蒙古科技大学，20192 曹世杰，毕学松，李志波，等Q345B钢MAG焊与激光-MA G复合焊对比研究J/OL热加工工艺：1-42023-06-13DOI：10.14158/ki.1001-3814.202210423 麻衡，邓陶为，王中学，等热输入对S460风电用钢焊接粗晶热影响区组织与韧性的影响J/OL热加工工艺：1-62023-06-13DOI：10.14158/jcnki.1001-3814.20221761 4 姚浩，任强，张立峰低合金高强钢中针状铁素体控制的综述J炼钢，2022，38（2）：1-10，245 孙咸X80管线钢焊缝金属中的针状铁素体J电焊机，2019，49（6）：1-8表4各理论公式计算得到的冷却时间与冷却速度层数理论公式理论修正公式经验公式t8/5/svc/（/s）t8/5/svc/（/s）t8/5/svc/（/s）12831.061941.55704.2923260.922241.33783.8534180.72871.05943.1948100.375560.531541.94平均值4430.673010.99973.096 符定梅，李业绩，刘菲，等焊接工艺参数对Q460GJC钢热影响区最高硬度的影响J钢铁研究，2017，45（3）：36-397 吴晓燕，朱立光，梅国宏，等DH36高强船板钢CCT曲线及针状铁素体形成研究J热加工工艺，2017，46（24）：41-448 宋峰雨，周来宏，伦文山，等焊缝金属中针状铁素体晶粒长大行为J焊接学报，2021，42（5）：23-28，999 樊国彦，张峻林，邵德度用t8/5理论控制高强细晶钢焊接质量的试验研究J焊接通讯，1985（2）：1-710 DUAN A，NIKOLI R，LAZI VAn example of reparatory surface welding of the mining machine 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