大线能量低焊接敏感性焊接用钢组织与性能的研究进展.pdf

制造与再制造中的堆焊技术论文集 大线能量低焊接敏感性焊接用钢组织与性能的研究进展 习天辉1 ·2 陈晓1 袁泽喜2 张平3 马运哲3 ( 1 ．武汉钢铁( 集团) 公司技术中心，武汉，4 3 0 0 8 1 ；2 ．武汉科技大学材料与冶金学院，武汉，4 3 0 0 8 0 ；3 装备 再制造技术国防科技重点实验室，北京，1 0 0 0 7 2 ) 摘 要：工程结构向大型化、高参数化方向发展，促进了大线能量焊接技术的应用，但因此带来传统的低合金高强度 钢焊接粗晶热影响区( C G H A Z ) 性能恶化，裂纹倾向增大等问题为提高C G H A Z 的性能，国内外广泛开展奥氏体晶 粒、二次组织和针状铁索体等因索对C G H A Z 性能的影响规律，研究发现T i 微合金化和针状铁素体组织有利于提高 C G H A Z 的综合性能 关键词：大线能量焊接；粗晶热影响区；针状铁索体；T i 微合金化 P r o g r e s sI nR e s e a r c ho nS t r u c t u r ea n dP r o p e r t i e so fH i g hH e a tI n p u tW e l d i n gS t e e lw i t hL o w S u s c e p t i v i t yt oW e I dC r a c k i n g C h e nX i a 0 1 2X iT i a n h u i 2Y u a nZ e x i 2Z h a n gp i n 9 3 ( 1 ．W u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 81 ；2 ．W u h a nI r o na n dS t e e l ( g r o u p ) C o r p o r a t i o nT e c h n o l o g y C e n t e r , W u h a n4 3 0 0 8 0 ；3 ．N a t i o n a lK e yL a b o r a t o r yf o rR e m a n u f a c t u r j n g ，B e i j i n g1 0 0 0 7 2 ) A b s t r a c t ：T h ed e v e l o p m e n to fe n g i n e e r i n gs t r u c t u r et ol a r g es c a l ea n dh i g hp a r a m e t e ra c c e l e r a t e st h ea p p l i c a t i o no fh i g hh e a t i n p u tw e l d i n gt e c h n o l o g y , w h i c hl e a dt ot h ep r o b l e m so f p r o p e r t i e so f c o a r s eg r a i nh e a ta f f e c t e dz o n e ( C G H A Z ) o f t r a d i t i o n a l l o w a l l o yh i g hs t r e n g t hs t e e l ( H S L A ) g e a i n gw o r s e ，t h e r e f o r es t e e lp l a t es h a l lm e e tr e q u i r e m e n tf o rt h eh i g hh e a ti n p u tw e l d i n g ， w e l dc r a c k i n gt e n d e n c ye n h a n c e ．I no r d e rt oi n c r e a s ep r o p e r t i e so f C G H A Z ，t h ee f f e c tl a wo f a u s t e n i t eg r a i n ，s e c o n d a r y s t r u c t u r ea n da c i c u l a rf e r r i t e0 1 1p r o p e r t i e so fC G H A Zh a sb e e ni n v e s t i g a t e dw i d e l ya th o m ea n da b r o a d ．R e s u l t si n d i c a t ei ti s a v a i l a b l et oi n c r e a s et h ec o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e so f C G H A Z b yT im i c r o a l l o y i n ga n df o r m i n ga c i c u l a rf e r r i t e ． K e yw o r d s ：H i g hH e a tI n p u tW e l d i n g ；C o a r s eG r a i nH e a tA f f e c t e dZ o n e ；A c i c u l a rF e r r i t e ；T iM i c r o a l l o y i n g 0 引言 2 0 世纪后半期，在船舶、石油、化工、水电、 城建等诸多领域，工程结构越来越朝着大型化和高 参数化的方向发展，如大型原油储罐、海洋采油平 台、大跨度桥梁、高层建筑等等。

为提高大型工程 结构的焊接效率，保证其使用的安全可靠性，焊接 效率高的单面埋弧焊、气电焊、电渣焊等大线能量 焊接技术相继被采用，这给传统的低合金高强度钢 ( H S L A 钢) 带来了新的课题，即焊接粗晶热影响区 ( C o a r s eG r a i nH e a tA f f e c t e dZ o n e ，简称C G H A Z ) 强 度提高的同时韧性变差，冲击吸收功显著下降，焊 接裂纹敏感性增加为此，国内外相继开展了大线 能量低焊接敏感性焊接用钢的研究 上世纪7 0 年代末至8 0 年代初期，日本几家钢 厂分别研制成功了焊接线能量可达5 0 ～1 5 0 k J ／c m 的大线能量焊接用钢，如新日铁的S P V 4 9 0 Q , 日本 钢管的N K ·H I T E N 5 9 0 E 2 和N K - H I T ·E N 6 1 0 E 2 , 川 崎制铁的‘R I V E RA C E 6 9 0 L P H 和R J V - E R A C E 7 1 0 L P H 等钢种，并申请了专利国内的武汉 钢铁公司于1 9 9 6 年在国内率先开展了o s 4 9 0 M P a 1 0 2 级大线能量焊接调质高强钢W H 6l0 D 2 的研制，并 成功用于国产1 0 万m 3 原油储罐的建造¨。

J 另外， 武钢还自主开发了具有国际领先水平的高性能耐 火耐候建筑用钢，它集优良的力学性能、低的焊接 敏感性和承受大线能量焊接于一身，现已在北京国 家大剧院、上海c } 1 国残疾人体育艺术培训基地得到 了成功应用p J 大线能量焊接时，传统低合金高强度钢的 C G H A Z 强度会略有提高，但韧性变差，主要原因 是奥氏体晶粒的严重长大以及由多层多道焊时的 回火马氏体+ 下贝氏体组织转变为上贝氏体组织的 二次组织1 4 I ，而C G H A Z 的韧性是焊接结构中性能 最薄弱的环节 前期的研究结果表明，当大线能量焊接后的 C G H A Z 含有一定数量的针状铁素体( A F ) 时，将具 有较高的强度和良好的低温冲击韧性p q 】当焊缝金 属中形成针状铁索体( A F ) 时，焊接接头抗解理断裂 的能力增强，尤其是抗应力腐蚀和抗氢脆的能力明 显提高，且A F 的含量越高，上述性能就越好降J 因此，目前研究工作的重点集中在如何使C G H A Z 制造与再制造中的堆焊技术论文集 获得一定数量的A F ，并深入探讨A F 的形成机制 1 大线能量焊接用钢C G H A Z 的组织和韧性 大线能量焊接用钢C G H A Z 原奥氏体晶粒大小 和二次组织是C G H A Z 组织和韧性的两个决定性因 素。

原奥氏体晶粒越细小，C G H A Z 的晶粒也越小， 因而C G H A Z 的韧性也越好；同时，希望在 C G H A Z 中得到一定数量的二次组织针状铁索体， 该组织具有较大的应变和位错密度，位向杂乱，能 较好地阻止裂纹扩展，因而使C G H A Z 具有较高的 韧性和强度1 4 1 1 ．1 奥氏体晶粒 钢中的微合金化元素形成纳米级碳或氮的化 合物在钢中弥散分布，阻止奥氏体长大，从而提高 C G H A Z 的性能所形成的化合物熔点越高，这种 作用就越明显其中，研究T i 处理对微合金钢 C G H A Z 奥氏体晶粒长大的影响最多 陈茂爱等【4 】研究了T j 对H S L A 钢焊接粗晶热影 响区组织及韧性的影响钢中弥散分布的T i N 质点 有效地阻止了奥氏体晶粒长大，从而为通过二次组 织改善粗晶热影响区的韧性奠定了基础其采用的 钢中含A l 量为O ．0 4 5 ％，属于用强脱氧元素A l 进行 脱氧的H S L A 钢，因而在其研究工作中，T i 以T i N 形式存在同时，还发现t 8 ，5 = 1 2 0S 时的v T r ( 2 7 J ) 略低于t s ／5 = 6 0S 时的数值( t 8 ，5 ：从8 0 0 ℃冷却到 5 0 0 ℃的时间；v T r ( 2 7 J ) ：A K V = 2 7 J 时对应的温 度) ，因为此时C G H A Z 的奥氏体晶粒长大幅度不 大。

还有研究发现【训，钢中细小弥散的T i N 质点拖 曳和钉扎了高温奥氏体晶界的迁移，T i N 颗粒尺寸 越小，数量越多，阻止奥氏体晶粒长大的作用越强 当钢中T i ／N 接近理想化学配比3 ．4 2 时，形成的T i N 颗粒尺寸相对最小，数量最多 研究工作还探讨了复合添加N b 、T i 对徼合金 钢C G H A Z 奥氏体晶粒长大的影响l I 圳析出的( N b 、 T i ) N 比T i N 尺寸更细小，更稳定，数量更多，可进 一步细化高温奥氏体晶粒但是，N b 对奥氏体晶 粒的细化作用与钢中有效的T i ／N 比值有关 1 ．2 二次组织 焊接热循环后，H S L A 钢的C G H A Z 除获得针 状铁素体外，还可得到晶界铁索体、珠光体、M ·A 岛等二次组织这些组织中，A F 对提高C G H A Z 的韧性极为有利，而其它的组织都不同程度地使韧 性下降 从已有研究成果来看，主要集中在通过不同焊 接线能量来探讨化学成分对二次组织形成的影响 规律 含下i 微合金钢的二次组织，由于钢中弥散分布 的T i N 质点有效地促进了针状铁素体的形成，从而 显著改善了粗晶热影响区的韧性l 引。

t 8 ，5 = 6 0 s 时的 组织以上贝氏体为主，而t s ／5 = 1 2 0S 时的组织以针 状铁素体为主，也就是说，随着焊接线能量提高， 二次组织由以上贝氏体为主逐渐转变为以针状铁 素体为主而且珠光体的形态由非层片相间转变为 层片相间，M ．A 岛由条状变为块状，数量减少，因 而使韧性得以提高【4 ．1 I 】t s ／5 = 1 2 0S 时的v T r ( 2 7 J ) 还 略低于t s ／5 = 6 0S 时的数值，虽然C G H A Z 的奥氏体 晶粒的大小有所长大，但幅度不大，因此组织改善 的有利作用大于奥氏体晶粒长大的有害作用 有学者研究了V ( 0 、0 ．0 5 ％、0 ．1 1 ％) 和N b 。