Nb-Ti微合金钢大线能量焊接热影响区组织和韧性的研究.pdf

第 8卷 第 1 期 2 0 0 9 年3 月 宁 夏工 程技 术 Ni n g xi a Eng i ne e r i ng Te c h no l o g y V0 1 8 No 1 Ma r 2 00 9 文章编号： 1 6 7 1 7 2 4 4 ( 2 0 0 9) 0 1 0 0 3 4 0 3 b T i 微合金钢大线能量焊接热影响区 组织和韧性的研究 m 李琳 1 7 付魁军z ， 李成威 1 ， 李 杨 ， 王兴丽 李琳 付魁军 ， 李成威 ， 李杨 ， 王兴丽 ( 1 辽宁科技大学 材料科学与工程学院， 辽宁 鞍山1 1 4 0 5 1 ； 2 鞍山钢铁公司 技术中心， 辽宁 鞍山1 1 4 0 0 9 ) 摘要： 在使用大线能量焊接低合金高强度钢时， 为 了提高焊接热影响区( H A ,Z ) 韧性， 通常加入 T i 或 N b 利用 正交分析进行 9 组冶炼试验研究， 对 T i 、 N b 2种元素进行 多种添加量的重点考察彳0 用轧制的实验钢进行大线 ” 琵量气电立焊实验， 检验这2 种元素对钢板强度、 钢板韧性、 钢板焊接热影响区韧性的影响 实验结果表明， N b 对 ” 钢板的强度和韧性都有很大影响， 随着N b 含量的提高， 强度增加； 当 ( N b ) 0 0 0 5 时， 随N b 含量提高， 韧性呈 _卞降趋势； 对钢板焊接热影响区韧性影响最大的是 T i ， T i 能阻碍晶粒长大， 使热影响区 性能得到改善 关键词： 大线能量； 热影响区； 强度； 韧性 申图分类号： T G 4 0 1 文献标志码 ： A 利用大线能量焊接低合金高强度钢时，其焊接 热影响区韧性极差 在钢板中形成的大量第二相粒 子是提高钢板的大线能量焊接适应性 的重要手段 1 】 在国外大线能量用钢的制造过程中， 通常加入 T i 或 N b ， 或者 2者 复合加入 ， 不仅能 阻碍焊接热程 中的 晶粒长大， 还会促进晶内铁素体的形成 本文就 是研究 T i 、 N b 对钢板强度、 钢板韧性 、 钢板焊接热影 响区韧性 的影响 1 试验材料及方法 主要仪器 ： 5 0 k g 真空炉、 二辊轧机、 微机电子万 能试验机 C M T 4 1 0 5 、 冲击试验机 J B 一 3 0 0 B及光学显 微镜 用 5 0 k g 真空炉冶炼 3 6 0 M P a 试验钢，轧制成 1 4 in m钢板，利用轧制的试验钢进行大线能量气电 立焊实验 本次试验固定 C 、 S i 、 Mn 、 N、 A l s 、 S 、 P等成 分保持不变， 如表 l 所示 1 1 实验钢的冶炼 对 T i 、 z r 、 N b 元素进行多种添加量的重点考察， 形成 3因素、 3 水平的正交设计 ， 选用 L 9 ( 3 4) ,T交设 计表， 共需 9 组试验 如表 2 所示 1 2 试验钢的轧制与常规性能检验 各试验钢按统一的工艺进行轧制轧制工艺设 计为 2个阶段控制轧制和水冷 根据相近钢种的 C C T图， 冷速不高于 8 C s ， 因此控冷段采用低辊道 速度和小的喷水量， 冷却时间以3 0 s 为佳 1 3 试验钢的焊接与检验 利用轧 制的试验钢进行大线 能量气 电立焊试 验 各试验钢焊接工艺一致板厚为 1 4 m m， 焊缝方 向平行于轧制方向， 单面 4 5 。 V型坡 口， 根部间隙为 6 m m， 电流为 3 8 0 A， 电压为 3 8 V ， 焊接线能量约为 7 0 - 7 5 k J c m 2 实验结果 2 1 冶炼过程 为了数据更为准确， 微合金元素均经复验， 表中 T i 、 N b 含量为 2 次化验的平均值 ， 2 次偏差不大 2 2 轧制过程 从轧制过程来看， 控轧工艺执行情况良好， 尤其 是未再结晶轧制阶段温度控制准确，开轧温度和终 轧温度与设计误差较小，在实验室条件下达到了很 表 1 试验钢的基本成分 收稿日期 ： 2 0 0 8 1 2 2 7 作者简介： 李琳( 1 9 8 3 一) ， 女， 硕士研究生， 主要从事大线能量焊接船体钢研究 第 1 期 李 琳等： N b T i 微合金钢大线能量焊接热影响区组织和韧性的研究 3 5 表 2 试验钢实际冶炼成分 高的水平 以屈服指标衡量， 3 钢低于标准 1 0 M P a ，其余 钢种均满足要求抗拉强度规律基本相同， 3 钢强度 不足， 4 # 钢满足标准但没有余量 ，其余钢种强度较 高 ， l * 、 2 、 和 7 钢的横向超过上限 6 2 0 M P a 的规 定 塑性方面， 1 、 2 钢横向、 纵向均不高， 3 、 钢横 向、 纵向均较好， 其余钢种纵向较好 ， 横向略差 2 3 试验钢的焊接检验 将不同钢种与原母材冲击性能进行对比 3 、 8 钢焊接后与母材性能变化不大 ， 2 钢甚至高于原母 材性能； 1 、 5 、 6 井 、 7 钢均有一定程度的下降， 而 、 9 钢下降非常严重 如图 1所示 S 昌 1 2 3 距熔合线距离 m m +1 钢 + 钢 +3 钢 一 钢 +5 钢 +6 # 钢 +一 7 钢 _一 8 钢 9 钢 图 1 HA Z不同位置韧性与母材对 比 2 4 实验钢的综合分析 设计大线能量用钢需考虑母材强度、韧性和焊 后热影响区的强韧性 ，其 中焊后热影响区的冲击性 能是关键因素 在对正交设计的各因素水平分析中，有 3 个指 标需要衡量 ， 如表 3 所示一是母材强度指标 ， 由于 屈服和抗拉有相同的变化规律，以其中一个如屈服 为考核指标， 强度并非越高越好； 第 2 个是母材韧性 指标， 韧性越高越好； 第 3 个是热影响区韧性指标 ， 由于不同位置韧性变化规律基本相同，以距熔合线 1 瑚 m处韧I生 为考核指标， 韧性越高越好 以 k 表示任一列上因素取水平 i 时试验结果 的 算术平均值以R表示该列极差 极差大表示该因 素影响大 表 3提供了T i 、 N b 、 Z r 等合金元素及其 组合对钢板强度、韧性和焊接性的分别作用关系的 信息， 给出了各元素影响的主次关系， 并提出了合金 元素设计的最优方案 表 3 试验结果及直观分析 3 结果分析及讨论 T i N 、 T i N 粒子含量、碳当量等很多因素都对焊 接热影响区性能产生重要影响虽然要求在冶炼过 程中尽可能保持碳当量和含 N量稳定， 但由于试验 条件的限制， 波动不可避免， 个别炉偏差还较大， 这 种偏差对焊接热影响区性能的影响是不可忽视的 因此， 除按正交设计理论进行分析外， 还应根据各钢 种的实际冶炼成分进行具体分析 N b的重要影响是在低碳钢 中降低转变温度促 使贝氏体组织的形成N b 有增加焊接热影响区再热 裂纹的倾向， 单独加入 N b时 ， 使韧性显著变坏， 但 当 T i 、 N b 、 Mo 共存 时会呈现 良好的韧性 一 般认为， w ( N b ) = O 0 0 3 的 N b 就能改善钢的 韧性 ， 但是 ， 较高 的含 N b量是有害的 ， 钢在进行热 印 加 们 加 O 3 6 宁夏工程技术 第 8 卷 轧工艺处理时 ， 又需要 w ( N b ) = 0 O 0 5 嘲 从钢板和 热影响区韧性 2 方面考虑， 中 T i 、 微量 N b 具有最好 的效果 ， 3 试验钢满足这个条件 ， 试验结果也证明 3 试验钢具有最好的韧性 但 3 试验钢强度略低， 需 要考虑适当添加 N b 补充强度或通过工艺调整 T i N是一个重要指标 在微量 N b微合金化的 3 、 、 8 钢 中， 3 钢 T i 最高 ， 为中 T i 的上限 ； 钢无 T i ； 8 钢为中T i 的下限 其中3 钢最接近 3 4 2的理 想 T i N比， 因此 3 钢性能最好 ， 8 钢性能次之( 8 钢 在所有试验钢中也是 较好 的 ) 钢 由于不含 T i ， 性能 比 3 、 8 钢差很多 在含 N b的条件下 ，理想 T i N会发生变化由 于 N b也可与 N结合 ， 这时的第 2相是( T i 、 N b ) N， T i 相应减少，改善热影响区性能的作用也有所减弱 N b 含量越高， 第 2 相中 T i 量越低 ， 这也是高 N b 条 件下性能较差的原因之一 4 、 5 、 6 试验钢不含 T i ， 总体韧性水平不高 其 中 钢最低， 5 、 6 钢接近 3 者的区别仅仅在 钢 微量 N b ， 而 5 、 6 钢有 N b 这说明虽然在含 T i 钢中 应尽量减少 N b ，但在无 T i 钢 中， N b具有一定的有 益作用 ， 含 N b第 2相 同样可以阻碍晶粒长大 ， 促进 铁素体形成 2 # 钢具有高 T i 、 中 N b的特点， 热影响区性能也 较高观察各钢种的含 N量会发现其中的原因， 由于 试验钢冶炼成分比 设计的N含量高， 因此高 T i 也能 获得较好的T i N 性能最差的试验钢主要出现在高 T i 、 高 N b的场合， l 、 9 试验钢即属此种情况 4 结论 ( 1 1对钢板强度影响最大的是 N b ， 随着 N b的 提高， 强度增加明显 中 N b 完全可以满足要求， 而且 余量仍然偏高， 还可再降一些 T i 的影响居次位 ， 无 T i 、 和中 T i 都符合要求且余量足够 高 T i 强度提高 明显， 与固溶 T j 迅速增加有关 从强度角度考虑无 T i 和中 都可以； ( 2 ) 对钢板韧 影响最大的仍然是 N b 当w fN b ) 0 0 0 5 时， 随 N b含量提高， 韧性呈下降趋势 T i 的 影响居次位， 中T i 最理想， 无 T i 和高 T i 都不好； ( 3 )对钢板焊接热影 响区韧性影 响最 大 的是 T i ， 中 T i 最高， 无 T i 条件下韧性最低 N b的影响居 第 2位 参考文献： I I T H O MA S A S I E WE R T Wh a t a v a i b l e i n w e l d i n g s o f t w a r e J We l d i n g J o u n r a l ， 1 9 9 5 ( 1 1 ) ： 3 9 - 4 3 2 】 J O N E S J E，T U R I N W D e v e l o p m e n t a n e x p e r t s y s t e m f o r e n g i n e e ri n g J C o mp u t e r s I n M e c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， 1 9 8 6 ( 1 1 ) ： 1 0 1 6 7 【 3 】 尹桂全， 高甲生， 洪永昌， 等 微量 N b对微 T i 钢焊4 H A Z 奥氏体晶粒长大的影响f J 1 焊接学报， 1 9 9 8 ， 1 9 ( 1 ) ： 1 3 1 8 4 周振丰 焊接冶金原理与金属焊接性【 M 北京： 机械_ v - ,_ lk 出版社 1 9 9 2 5 】 许祖泽新 型微合金钢的焊接 M 北京： 机械y - ,_ l k 出版社 ， 2 0o 4 S t u d y o n S t r u c t u r e a n d To u g h n e s s i n h e a t a ffe c t e d z o n e o f Nb Ti M i c r o a l l o y e d S t e e l a f t e r W e l d i n g wi t h Hi g h He a t I n p u t L I L i n ， F U K u u n ， L I C h e n g w e i ， L I y ， WA NG Xi n g l i ( 1 S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ，U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y L i a o n i n g ，A n s h a n 1 1 4 0 5 1 ， C h i n a ； 2 A n s h a n I r o n a n d S t e e l G r o u p C o r p o r a t i o n T e c h n o l o gy C e n t e r ， A n s h a n 1 1 4 0 0 9 C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n o r d e r t o i mp r o v e t h e t o u g h n e s 8 o f HAZ， u s u a l l y T i o r Nb h a d b e e n a d d e d ，w h i l e u s i n g h i g h h e a t i n p u t we l d i n g h i g h s t r e n g t h l o w。 a l l o y s t e e 1 T h i s a r t i c l e s t u d i e d o n n i n e s me k i n g e x p e ri me n t s b y o rth o g o n a l t e s t ，a nd c a r r i e d o u t a k e y i n s p e c t i o n t o t h e t wo e l e me n t s o f T i ，Nb a b o u t ma n y k i n d s o f a d d i t i v e a mo u n t We d i d h i g h h e a t i n p u t e l e c t r o g a s we l d i n g e x p e ri me n t s ，a n d c h e c k e d t h e t w o e l e me n t s e f f e c t s o n the s t e e l p l a t e s t r e n g t h ，t h e s t e e l p l a t e t o u g h n e s s ，HAZ o f s t e e l p l a t e t