eh40船板钢埋弧焊焊接接头组织性能试验分析

eh40船板钢埋弧焊焊接接头组织性能试验分析

随着我国造船业的快速发展，造船厂行业已转向大型化和轻型化。一般来说，厚船板不能满足船体的需求。随着高强度、高质量e级和f级船板的应用比例的增加。新一代EH40船板钢属于低碳、微合金、细晶粒高强度合金钢。众所周知,焊接是造船的关键技术,焊接接头性能的好坏直接影响整个船体的质量。为了提高焊接效率,单面埋弧焊(SAW)、气电焊(EGW)及电渣焊(ESW)等大热输入量焊接技术在各行业已被逐步采用。大热输入量焊接时,峰值温度升高,高温停留时间加长,会出现严重的晶粒长大,使热影响区(HAZ)相对原始母材发生很大变化,造成HAZ的脆化和软化。此外,在多层焊热循环作用下,HAZ粗晶区更易出现硬脆组织马氏体-奥氏体组元(M-A组元)。因此,研究其裂纹敏感性和HAZ的力学性能,分析船板钢组织和性能特点,对EH40船板钢得到广泛的应用无疑具有重要的工程实际意义。1焊接接头加工试验用EH40船板钢的化学成分见表1。焊接试验钢板尺寸为500mm×200mm×40mm,开双Y形坡口。试验采用多层多道埋弧焊焊接,焊接材料采用H10Mn2+SJ101,焊丝规格φ5.0mm,使用引弧板,采用双面焊接,正面焊完后反面免清根的焊接方法,如图1所示。焊前预热50℃,道间温度控制在150℃,焊接电流750～800A,电弧电压30～32V,焊接热输入控制为60kJ/cm。焊后对焊接接头进行拉伸、冲击和硬度试验,用扫描电镜分析冲击断口形貌,用光学显微镜对接头不同区域进行微观组织分析,腐蚀液采用3%硝酸酒精。接头冲击试验采用V形缺口,冲击试验位置分别为:焊缝,熔合线和距熔合线不同距离L(2mm、3mm、4mm)处,每个位置取3个试样的试验结果求平均值,冲击试验温度为-20℃。2试验结果与分析2.1接头拉伸试验结果由于试验钢板强度高,也比较厚,于是根据船级社拉伸试验规定,分别沿焊缝的上下表面取样,试样厚度25mm,以两个试样试验结果的算术平均值作为整个接头的试验结果。拉伸试验结果(3组试验结果的平均值)见表2。接头拉伸试验的断口均位于母材区,表明整个焊接接头强度高于母材,没有出现软化现象。拉伸过程中无明显的屈服平台,呈现为连续屈服现象,这与该钢的母材组织有很大关系,其基体由多边形铁素体、针状铁素体和部分珠光体组成,具有高密度的可移动位错,易于实现多滑移。2.2熔合线位置的断口形貌从表3冲击试验结果来看,焊缝和熔合区的冲击吸收功显著低于母材;焊接热影响区中熔合区的冲击值最低(85.2J),该位置冲击断口形貌如图2(a)所示,呈现大面积准解理断裂形貌,但没有出现解理断裂,且各个小的准解理区被纤维区分开。随着远离熔合线距离的增加,冲击值增加,距熔合线4mm处的冲击值跟母材接近,该位置冲击断口形貌如图2(b)所示,与熔合线位置相比此处断口韧窝数量多,且深度大,说明在冲击断裂过程中,裂纹扩展受到了很大的阻碍,故表现出较好的塑性和韧性。将韧窝处形貌放大,发现韧窝中心存在块状小颗粒,能谱分析测定,主要的化学成分为O、Si、Ca、Al、Ti、Fe等元素,不同韧窝中心颗粒各元素含量比例有所不同,因此推断小颗粒为氧化物或复合型氧化物。在外力作用下,氧化物颗粒处易产生应力集中,成为裂纹源,其对冲击韧度(裂纹扩展)的影响有待进一步研究。2.3焊接连接的微观组织分析2.3.1大量侧板条铁素体fsp在大热输入量焊接时,每道焊接在焊缝熔敷金属较多,如图3(a)所示,各道内部呈现了明显的柱状晶,存在大量有方向性的侧板条铁素体(FSP)。由于采用多层焊焊接工艺,先焊焊道的一次柱状晶组织经历后焊焊道的热输入,层间发生奥氏体化,重新发生组织转变,柱状晶转变成为细小的等轴晶,图3(b)所示,晶界铁素体(GBF)、块状铁素体(BLF)和少量针状铁素体(AF)取代了原有的FSP,改善了焊缝的力学性能。2.3.2eh40船板钢的组织一般来说,低合金高强钢焊接接头的焊缝区、热影响区及母材三个区域中,HAZ是最薄弱环节。基于HAZ的组织特征,HAZ可再分为四个区:粗晶区(CGHAZ),细晶区(FGHAZ),不完全重结晶区(ICHAZ),回火区(SCHAZ)。在大热输入量焊接热输入作用下,靠近熔合线的母材重新奥氏体化,发生新的二次组织转变,母材原有的轧制组织及分布完全改变,图3(c)为HAZ粗晶区微观组织,粗大的奥氏体晶界清晰可见,在奥氏体晶界内部,二次转变生成BLF、板条贝氏体(LB)、AF和少量的粒状贝氏体(GB)组织,图中小黑点和短黑线为碳化物,而少量的大块带棱角的黑色相可能为M-A组元。图3(c)所示,粗晶区的奥氏体晶粒尺寸在50μm左右,而普通低碳钢焊接后奥氏体晶粒在100μm以上。这是由于EH40船板钢中的Ti、Nb微合金元素与C、N元素形成微小的氮化物和碳化物粒子,如TiN、NbN、TiC等,在焊接热循环过程中,细小的第二相粒子能够钉扎原始奥氏体晶界,有效地阻止原始奥氏体晶粒长大。由于奥氏体粗化现象的有效制止,晶界增多,提高了材料的综合力学性能。在CGHAZ并没有发现太多的M-A组元,而发现一些AF,形成的贝氏体也比较细密。据研究报道,Ti、Nb微合金元素的存在,抑制粗大贝氏体的形成,促进AF析出及M-A组元的分解。M-A组元自身韧性较低,产生应力集中,易形成局部脆性区(LBZ)。AF晶粒细小,发生一次解理断裂裂纹的位移很小,裂纹扩展速率小。而且AF的晶界是高能量的大角度晶界,解理时跨越晶界需要消耗大量的能量,使得AF具有很高的抗解理断裂的能力。因此EH40船板钢,即使高热输入和缓冷条件,其粗晶区仍具有较好冲击韧度。细晶区(图3d)和部分相变区(图3e)中,所得到的组织为铁素体和珠光体,这两个区域相对粗晶区来说,没有发生过热引起的奥氏体晶粒严重长大现象,也没有生成贝氏体、M-A组元等脆硬组织,其冲击性能相对应与母材没有发生太大的变化。因此焊接热影响区的粗晶区是受焊接热影响最为严重的区域,也是冲击性能最差的区域。2.4试验结果的分析垂直切断焊缝、抛光,在维氏硬度试验机上对焊接接头进行3kg载荷维氏硬度测试。图4中的硬度测试结果表明,HAZ的最高硬度出现在CGHAZ靠近熔合线处,其值为238HV,最低硬度出现在细晶区,其值为183HV,从试验结果来看没有出现明显的焊接软化区,这与拉伸试验时,断口位置远离接头现象相符。为了进一步分析粗晶区的显微(下转第19页)(上接第17页)组织,在该区域作显微维氏硬度0.1HV试验,测量的最高硬度值为259HV,远远小于350HV,推断此区域存在少量M-A组元,出现了板条贝氏体和粒状贝氏体组织,此结果跟微观组织照片结果相符合。3热影响区的相(1)焊接接头拉伸断口位置离焊接接头较远,表明在热输入为60kJ/cm的条件下,没有出现焊接热影响区软化现象。(2)低温冲击试验表明,热影响区中熔合区冲击值最低,为韧性断裂和准解理断裂的混合断裂。距熔合线距离增加,冲击吸收功有增加的趋势,在距熔合线4mm处的冲击吸收功跟母材接近。(3)微观组织分析表明,热影响区粗晶区奥氏体晶粒显著长大,在奥氏体晶界内部