大线能量焊接热影响区组织与韧性的研究.pdf

O前言大线能量焊接热影响区组织与韧性的研究付魁军( 鞍钢股份公司技术中心，辽宁鞍山，1 1 4 0 0 1 )在船舶、储油罐、高层建筑等领域，钢结构建造向大型化方向发展，对提高焊接生产效率的要求日益强烈，带动了各种高效焊接方法的推广与使用焊接效率提高的同时，钢板对大线能量焊接方法的适应性要求也越来越高低合金高强钢在大线能量焊接过程中由于受热循环作用，热影响区组织和性能与母材相比发生了很大变化而且随焊接工艺不同，组织和性能也不相同目前的研究大多数集中在大线能量焊接引起的晶粒粗化上，对不同焊接工艺对二次组织组织类型的影响则研究得不够本文利用热模拟技术，研究了大线能量焊接条件下热影响区组织和性能变化的特点1 试验材料与方法试验选用抗拉强度6 1 0 M P a 级试验钢，采用5 0 K g 真空炉冶炼，5 0 0 m m 试验轧机轧制，成品厚度2 0 r a m 其化学成分和力学性能分别如表1 和表2 所示表1 试验钢的化学成分( W t ，％)在热轧态钢板上截取l l m m X1 l m m ×l O O m m 横向试样，在G l e e b l e 3 8 0 0 上进行焊接热模拟试验。

试验分两组进行一组按照雷卡林数学模型模拟焊接热循环，加热速度2 0 0 ℃／s ，峰值温度为1 3 5 0 ℃，峰温停留时间为0 ．I s ，8 0 0 ℃～5 0 0 ℃冷却时间分别为4 0 s 、8 0 s 、1 2 0 s 、1 6 0 s 、2 0 0 s 、2 4 0 s ，以模拟在不同焊接参数下的粗晶区组织其温度一时间曲线如图1 所示另一组选定峰值温度为1 3 5 0 ℃，8 0 0 ℃～5 0 0 “ C 冷却时间分别设定4 0 s 、1 6 0 s ，在前半段按照标准的雷卡林数学模型模拟，但在冷至8 0 0 “ C 后，关闭加热程序，同时采取吹风强制冷却，快速冷至室温，以保留原始奥氏体的晶粒尺寸其温度一时间变化曲线如图2 所示两组模拟试验完成后，加工成标准冲击试样，进行- - 2 0 ℃冲击检验2 试验结果两组试样的冲击检验结果示于图3 、图4 1 3 5【4 【⋯z ( H l【㈣}：㈨￡㈣ _ { n9 08 0，7 0 ．6 0 ≤5 0 4 03 03 分析与讨论口山钢板经焊接热循环作用，热影响区的组织与什能发生很太变化传统观点认为，焊接线能量越大，热影响日晶牲粗大化越严甫热影响匣韧性m 越低。

图3 反映出在^ 线能量情况下，热影响区韧性井水随线能量的提高而呈单调下降韧性变化曲线有两个拐点，T 8 ／5 —8 0 s 为第一个拐点，I 目j 一16 0 s 为第二个拐点曲线第一段随线能量增加韧性下降T S I S在8 0 s 与16 0 s 之问．随线能量增加韧性提高，“{ T S ／S 超过I6 0 s 后，随线能量增加，韧性再次旱F 降趋势热影响R 韧性是组织的Ⅱ跳影响韧性的组趴I 目素有两个+个屉组织类型，一个是等艘品粒尺寸由十宰温绀织有铁索体和Ⅲ氏体等多种形态．雕“进行不同组织形态下的品粒度对比，但我们可H 把原始舆氏体晶糙R 寸作为等敬品j _ 4 _ K 寸的评价指标焊接热循环是十陕速Ⅲ热々冷却过程，加热速度非常商近墟K 能达到钢材的熔化温廑由十高媪造成近缝R ‰札异常＆大．柑据焊接传热的牡本理论，随焊接线能量的增加，高温停罔时问相应《K ．品牡K大倾向增大．韧性呈下降趋势月一方面，随线能量增加，热影响R 龠属尝发生一系列组织类型的转变转变娄Ⅻ幽钢种的化学成井和焊接参数而不同对于6 【o M P , 缎的试验钢．巾丁台台兀素较多，兜氏体稳定辑度较高．存T 8 ／5 冷却时可较小时．热彦响R 组织为rm ＆体组织，如图5 所示。

其微观形态为铁索体板条M 分布着大量的富碳M ^ 组元硬脆的MA 组元是显微裂纹的诗发源，相邻铁索体板条的位向接近平行．裂纹易于沿铁索体板条问打展．韧性较低原始奥氏仆品粒越粗凡．铁索体板条削距越宽·裂纹扩展越容易世行，冲击韧性也越低当T R ／5 跨却时川增加到8 0 s ，热影响Rc l - m 班多边形或准多边形铁素体随线能嚣继续增加，铁索悼草增多D ! 氏体鹾减少，同时D ! 氏体中的MA 组元由长方彤向块状转化．热影响医13 6韧性具有增加的挡势·冷却时间T 8 ／5 一l g O s 和T 8 ／5 = 1 6 0 s 即处于该种情况当降却时间增大到T 8 ／5 —2 0 0 s 时，铁索体日选到3 0 ％以上，由于铁索体形成而韧性得到改善的作用已变得很弱，晶靶粗化机制重新占主导作甩·韧性再次下降当冷却时间增大到T S ／5 - - Z 4 0 s ．粗晶区以大块状的铁紊体为主．韧性变得很低 可以预见，在此基础上继续延长冷却时坷珊热影响匠韧性将产生恶劣影响晶粒长大机制和组鳃类型转变共同作用·在试验范围内形成两头下降中间上升的曲线形式第一阶段和第三阶段以粗化机制为主．第二阶段以组织类型变化起主要作用。

传统的低线能量焊接．T 8 ／5 在4 0 s 毗下，处于曲线的第一个拐点前，此时韧性较高·并且随焊接冷却时同的延长而下降回此，大线能量焊接热影响区培织与韧性的转变与传统的低线 能量焊接不同，具有自身的特点 蘸 辫蠢辫；罄 嚣麓韧性受两种机材的作用在第二组热模拟试验中得到认证在第二组模拟试验中，加热阶段和8 0 0 “ ( 2 以上的冷却阶段均采用标准的数学模型，8 0 0 “ C 以下的冷却段分别采用正常冷却和强制玲却这样，两种冷却制度的原始奥氏体晶粒足寸相同，而固亦植查后的组织不同强制冲旬日铁景体转变被抑制而使原奥氏体溥嚣出蘩一一攀鬻一攀鬻t，?：- ．，，．÷‘k～t，晶界清晰显现从罔2 的试验结粜看，在T 8 ／5 = 10 s 时，无论正常冷却还是强制冷却，室温组织均为m 压件，( 阿5 、州1 1 ) 崮而其韧性也基率一致在T g ／5 —12 0 x 时．正常冷速下室温组织E 出现铁索体使韧性得到改善，而强制冷却时得到非常粗大的贝氏体( 图12 ) 析使韧性呈现非常低的水平黧对于实际的大线能耸焊接接头，控制T 8 ／5 = 4 0 s 左右顿难作到，利用铁索体形成提高韧性是现寅的选掸。

从热模拟试验结果看，缩小高温停留时间，适1 ≈增加相变阶段的冷却时可是提高韧性的有效方法～个完整的热循环包括高温区和相叠区其中高温停留时问决定了晶粒粗化程度．相变区停留时刚决定了室温组织在通常情况下，改变焊接线能培同时改变高温停留时M 和相变停留时间用此．通过改变焊接参数不容易谰镳热硝环曲线形状但改变试板的初始温度却可“空现过一日的如适当提高预热温度，对高温停留时间没有明显影响，但相变温度附近的停留时间却明显改变．从而控制室温组织4 结论1 ) 大线能量焊接条件下的热影响区组织与韧性变化与传坑低线能量焊接不同．具有自身特点2 ) 匠验钢热影响K 韧性随T 8 ／5 时间变化曲线有两个捞点，呈现两头F 降中I ☆IP 升的特征3 ) 太线能馈热影响E 韧性由品粒长大机制和组织转变影响共同作用4 ) 减少高强K 停留时间，适、j 延长相变医停留时间有助于提高热影响区韧性 E 接第l3 4 页)( 3 ) 高强度耐候钢组织细化的丰要晾因是形变使奥氏体产生再结晶细化和非再结晶强化的结果细品强化是A S P 的主要强化方式参考文献1 ] m D 镕《Ⅸ# 《镕《nn i ☆＆T Ⅱ＆《# ．19 9 82 ] M i k ic ，H ⋯^ KT o m i I | a g aTH i g hS t r e n g t ha n dH i g hP 々r h —n c es t E e ka n dT h e irU s e i nB r i d gS t r u c t u r e D ] J o u r n Ⅲo fC o n s t r u c M n a IS t e e lR e s e ar c h ，2 0 0 2 ，5 8 ，32 03 ] D o g , a u gZ H O U ，J 1 cF Up i n gW A N ( ；C ar b o n ‰g r e g a l i o nt ) fB e ar i n gS t e e lC o n c a s l m gB i l l e tJ u u r n a jo fM ¨e r i a ] s 女】_e n c ea n dT e c h n o l o g y2 0 0 0I6 ( 3 ) 27 3 ～2 7 6纂。