（机械制造及其自动化专业论文）低合金高强钢特高压铁塔关键焊接技术研究.pdf

摘要 近年来，随着特高压输变电技术的飞速发展，特高压铁塔也开始在全国范围内推广 应用。从经济性和承载能力等方面考虑，制造特高压铁塔需要采用低合金高强钢。但是， 低合金高强钢由于其材质特性所限导致其焊后焊接接头产生裂纹的倾向较大、焊接接头 性能的劣化等缺陷对该钢种的应用与推广极为不利。 本文结合特高压铁塔的实际需求，详细阐述了低合金高强钢的焊接性、焊接工艺特 点和焊缝合金化的相关理论；以g r 6 5 钢为例对低合金高强钢焊接接合性进行了理论和 实践研究，制定了g r 6 5 钢的焊接工艺，提出了焊缝加镍韧性化处理提高韧性、减少裂 纹的方法，并应用焊接实验、化学成分分析实验、抗拉强度实验、冲击韧性试验和金相 分析等方法分析了专用焊材配方中的关键元素n i 对低合金高强钢焊缝组织和性能的影 响。 本文结论如下：通过对以g r 6 5 钢为代表的低合金高强钢焊接接合性的研究，提出 了从焊接工艺方面防止焊接缺陷的方法；制定的g r 6 5 钢类低合金高强钢的焊接工艺， 在实践中经受了检验并得到了较好的应用；n i 元素是焊材配方中提高韧性，减少裂纹的 关键元素，在一定范围内，随着n i 含量增加，焊缝组织细化，焊缝中针状铁素体含量增 加，先共析铁素体含量减少，针状铁素体和先共析铁素体含量比值增加，焊缝中碳化物 偏析减少，焊缝韧性得到较大的提升。本研究为专用焊材中加入n i 元素提供了理论依据 和实践经验。 关键词：特高压铁塔；低合金高强钢；焊接性；焊接工艺；n i ；韧性 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a su l t r a h i g hv o l t ( u h v ) p o w e rt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u ed e v e l o p i n g r a p i d l y , u h vt o w e r ss t a r tt ob ea p p l i e di nt h en a t i o n w i d e f o rt h er e a s o no fe c o n o m i ca n d c a r r y i n gc a p a c i t y , h i g hs t r e n g t h l o wa l l o y ( h s l a ) s t e e l sa r ea p p l i e di nu h vt o w e r m a n u f a c t u r i n g h o w e v e r , b e c a u s eo fh s l a s t e e l s m a t e r i a lp r o p e r t i e s ，a f t e rw e l d i n g ，t r e n do f w e l dc r a c ki nt h ew e l dj o i n t si sg r e a t e rt h a nt h a to fo t h e rs t e e l s ，a n dp e r f o r m a n c eo fw e l d j o i n t si sd e c l i n i n g a l lt h e s ef l a w s a r eh i n d e r e dt h eh s l as t e e l st ob eu s e di nt h eu h vt o w e r s a c c o r d i n g t ot h ea c t u a ld e m a n do fu h v t o w e r s ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ew e l d a b i l i t ya n d w e l dt e c h n o l o g yo fh s l as t e e l s w e l da l l o y i n gt h e o r yi sa l s od i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h e w e l d a b i l i t yo fg r 6 5s t e e l s ，r e p r e s e n t a t i v eo fh s l as t e e l su s e di nt h eu h vt o w e r s ，i ss t u d i e d i nt h e o r ya n dp r a c t i c e ，a n dt h e i rw e l dt e c h n o l o g yi sa l s od i s c u s s e d i no r d e rt oi m p r o v et h e t o u g h n e s sa n dd e c r e a s et h ec r a c k so fw e l d ，n ia l l o y i n gt e c h n i q u ei sp r o p o s e d t h ei n f l u e n c eo f n i ，w h i c hi s t h ek e ye l e m e n to fs p e c i a lw e l d i n gf o r m u l a ，o nt h ew e l d ss t r u c t u r ea n d p e r f o r m a n c ei s r e s e a r c h e db ym e t h o do fw e l de x p e r i m e n t ，t e n s i l ea n di m p a c tt o u g h n e s s e x p e r i m e n t ，c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n a l y s i se x p e r i m e n ta n dm e t a l l o g r a p h i co b s e r v a t i o n c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ：o nt h e b a s i so fr e s e a r c ho ng r 6 5s t e e l s w e l d a b i l i t y , p r e v e n t i n gc r a c k sb ym e t h o do fw e l dt e c h n o l o g yi sp r o p o s e d t h ew e l dt e c h n o l o g yp r o p o s e d i nt h er e s e a r c hi sc h e c k e db yt h ep r a c t i c ea n da p p l i e di nl a r g es c o p e n ii st h ek e ye l e m e n t w h i c hi sg o o df o ri m p r o v i n gt h et o u g h n e s sa n dd e c r e a s i n gt h ec r a c k s w i t h i nac e r t a i nr a n g eo f n i ，a st h ec o n t e n to fn ii n c r e a s i n g ，t h ew e l ds t r u c t u r er e f i n e sa n dc o n t e n to fa c i c u l a rf e r r i t e i n c r e a s e sw h i l et h a to fp r o e u t e c t o i df e r r i t ed e c r e a s e s t h ep r o p o r t i o no fv o l u m ec o n t e n t b e t w e e na c i c u l a rf e r r i t ea n dp r o e u t e c t o i df e r r i t er a i s e s ，c a r b i d es e g r e g a t i o nr e d u c e sa n dt h e t o u g h n e s so fw e l di n c r e a s e sl a r g e l y t h er e s e a r c ha l s op r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sa n d p r a c t i c a le x p e r i e n c eo ne x p l o r i n gs p e c i a lw e l d i n gc o n s u m a b l e sb ya d d i n gn ie l e m e n t k e y w o r d s ：u h vt o w e r , h s l as t e e l s ，w e l d a b i l i t y , w e l dt e c h n o l o g y , n i ，t o u g h n e s s i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除了文中特；l , j j n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得逝鎏盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：三穆签字日期：弘勿年3 月孑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝望盘堂可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：王加 签字日期：碱p 年3 月狮日 l 编 产一目 1 了 阉懈咔刎 名 一 微 嵫 鸸 期窿 导 科 致谢 值此论文定稿之际，衷心地感谢我的导师周继烈副教授，在我为期两年半的硕士学 位攻读期间，周老师给予了我精心的指导和热情的关怀，我一点一滴的进步都倾注着老 师的大量心血。周老师甘于奉献、乐于创新的精神，严谨治学的作风，以及宽厚豁达的 人品，是我永远学习的榜样。 感谢浙江大学机械工程学系金工教研室的各位老师，感谢浙江大学金工中心的各位 师傅，他们在我课题研究的相关实验的过程中给予我的无私帮助、热情支持和真诚鼓励， 帮助我克服了许多困难，顺利完成了论文。 感谢浙江大学材料系的郦剑教授，郦教授在我的实验过程中也给予了许多无私的帮 助和指导，对我的实验的成功起到了重要作用。 感谢浙江省电力设计院的叶尹主任、浙江盛达铁塔有限公司的戴刚平总工程师、王 淑红工程师，他们为我的研究课题提供了实验材料，给予了我大量实践经验方面的指导。 感谢和我同一实验室的同学，尤其是我的师弟杨景华同学。感谢他们在生活中、学 习中和科研工作中给予我的热情支持，他们让我感受到了集体大家庭的温暖。 感谢我的家人，是他们在精神上、物质上给我的无私的支持和奉献才使我得以顺利 完成学业。 谨以此文献给所有关心我，爱护我，帮助我的老师，同学，家人，朋友! 王 杨 2 0 1 0 年1 月于浙大求是园 浙江大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 1引言 进入2 1 世纪以来，随着我国经济的迅速发展，电力需求也不断增长，电力事业进入 了黄金发展时期，电网改造加快、升级增速，在土地资源紧缺以及环保要求提高的现实约 束下，在线路路径选取、沿线房屋等设施的拆迁问题也日趋严重的情况下，大容量、高电 压、多回路和紧凑型以及更高电压等级的7 5 0 k v 、8 0 0 k v 及1 0 0 0 k v 输电线路成为输电线 路的发展趋势。同时，出于技术与经济等方面的考虑，在输电线路建设中开展了同塔多回 路工程、大截面导线工程、大跨越工程 1 1 。在这些工程中，塔型越来越大，每一铁塔承受 的载荷越来越大，若采用传统铁塔制造材料和工艺塔重将会成倍增加。2 0 0 8 年，突如其 来的大雪灾袭击了我国南方各省，由于钢材强度不够，塔身又偏重等原因，导致多省的输 电铁塔难以承受如此重荷纷纷倒塌，给南方各省人民群众的生产和生活带来了极大的困 难，对我国的经济建设造成了极大的损失。这就更加突出了提高我国铁塔制造质量和制造 水平的紧迫性。为了提高输电铁塔尤其是特高压输电铁塔的强度、减轻塔重、增加其承载 能力、节约耗材、延长塔的使用寿命、提高经济效益，需要在制造铁塔的过程中采用低合 金高强度钢材，如q 4 2 0 、q 4 6 0 、a s t ma 5 7 2 g r 6 5 、s t k t 5 9 0 等钢材。 低合金高强钢在先进国家输电线路中已有应用并取得了一定的使用经验。国外常用的 低合金高强钢有欧美等国的a s t ma 5 7 2 系列钢材( 包括a 3 6 钢、g 5 0 钢和g r 6 5 钢等钢 种) ，屈服强度可达4 5 0 m p a ；日本1 9 9 2 1 9 9 9 年建成的四段双回路塔共4 2 5 k m 的1 0 0 0 k v 线路中，主材采用钢管s s 5 5 钢或s t k 5 5 钢( 屈服强度均为3 9 2 m p a ) ，其现行规范又将钢 材屈服强度提高到4 4 0 m p a ( s h 5 9 0 钢) c 2 。 长期以来，q 2 3 5 、q 3 4 5 热轧角钢是我国输电线路铁塔的主要用材。与发达国家相比， 材质单一、强度值偏低、材质的可选择余地小、规格序列稀疏、大规格角钢缺乏是我国输 电铁塔厂家在选用钢材时的主要问题。随着我国冶金工艺的发展，对一些生产条件好、技 术水平高、生产能力强的钢铁企业来说，生产高强度、高质量的钢材已经不再是难事，这 就为低合金高强钢在我国输电线路铁塔的应用提供了坚实的保障。例如，近年来，由上海 维蒙特工业有限公司( 为美国在中国的独资公司) 采用美国配方在上海宝钢生产成功的 a s t ma 5 7 2 g r 6 5 钢材( 屈服强度为4 5 0 m p a ) 已开始在我国推广应用。该钢种合金含量 相对较低、硬度高、强度大，将其应用于重要钢结构件如桥梁、电站、输电铁塔等不仅减 轻了结构的整体重量，提高了使用寿命，还节省了材料用量创造了巨大的经济效益。 1 浙江大学硕士学位论文绪论 以a s t ma 5 7 2 g r 6 5 钢( 以下简称g r 6 5 钢) 为代表的低合金高强钢虽然各方面综 合力学性能优良，但一般情况下，由于硬度较高，故焊后和热镀锌后产生裂纹的倾向相当 大。同时，该钢种含有多种合金元素导致其碳当量高，焊后冷裂纹出现频率高、热裂倾向 大、再热裂纹的产生概率高、层状撕裂敏感性突出。焊接接头性能的劣化对该钢种的应用 与推广极为不利。输电铁塔要求焊接接头不但具有与母材相当的强度、硬度还要求接头具 有较高的韧性、塑性，抗弯曲性能好，焊后裂纹率低，无或少层状撕裂现象发生。实际生 产中要求在满足焊接接头各方面综合性能的前提下，焊接工艺尽量简单实用、操作简单易 于掌握，产生误操作的机率小，焊接材料易于购置、加工、保存，综合经济效益好。 本课题与浙江省电力设计院和浙江盛达铁塔有限公司合作，主要研究g r 6 5 钢这类低 合金高强度钢用于制造特高压铁塔时其焊接性尤其是焊接接合性( 包括焊接接头组织性能 的变化规律及焊接热裂纹、冷裂纹、层状撕裂、再热裂纹敏感性等) 、焊接材料及焊接工 艺对焊接接头性能的影响。通过综合运用材料科学、冶金科学、力学和机械科学等学科知 识，整合国内外先进的研究成果，并根据使用要求和实际生产条件改善低合金高强钢的焊 接性、优化其焊接工艺、对其焊缝进行合金化处理，从而提高焊接接头的力学性能，保障 特高压铁塔的使用安全性。通过本研究可以有助于铁塔生产厂家优化特高压铁塔用低合金 高强钢的焊接工艺，简化铁塔生产流程，提高我国铁塔的制造水平和使用寿命，节省投资， 为我国的经济建设带来极大的经济效益和社会效益。 1 2 特高压铁塔用低合金高强钢焊接应用国内外研究现状 现在学术界对低合金高强钢的普遍认识是：低合金高强钢是指低合金钢中包括c 、彤、 m n 等主要添加元素的含量不超过5 ，屈服强度大于2 9 0 m p a 的钢种，是在碳素钢的基础 上通过调整c 及合金元素的含量并辅助以一定的热处理工艺实现的。低合金高强钢的主要 特点是：合金含量低，晶粒细化，屈服强度高，普遍采用n b 、从t i 等合金元素进行强韧 化。大多采用先进的冶金工艺和形变热处理_ - r _ e 进行生产。按其屈服强度大致可以分为如 下三个等级：a 级仉= 2 9 0 4 9 0 m p a 热轧、控轧、正火钢；b 级= 4 9 0 9 8 0 m p a 低碳 调质钢；c 级= 2 9 0 4 9 0 m p a 中碳调质钢。 3 - 4 随着低合金高强钢的发展，焊接结构在耐高温、耐低温、耐腐蚀和高强度方面的要求 不断得到满足，并在输电铁塔尤其是特高压铁塔、桥梁、石油管线等领域得到了普遍推广。 低合金高强钢高强度性能主要是通过调整钢中碳及合金元素的质量分数和配以与之相适 应的热处理来实现的。但是，碳及合金元素含量会导致碳当量的增加，势必引起接头脆化、 2 浙江大学硕士学位论文 绪论 软化及裂纹倾向增大，而这些都是造成焊接性能恶化的主要因素。一旦这些问题出现又得 不到及时解决，不仅会降低焊接结构安全运行的可靠性，造成焊接结构的早期破坏，而且 还会给国家财产和人民生命带来巨大损失。例如，据有关部门调查显示，在2 0 0 8 年的南 方大雪灾中，我国部分实验性质的低合金高强钢特高压铁塔出现倒塌事故，绝大部分的原 因是这部分低合金高强钢的焊接性和焊接技术的研究还未跟上应用的需求，焊接接头的性 能尤其是塑韧性等方面的性能未能满足特定的使用要求。对于特高压铁塔用低合金高强钢 尤其是低合金高强钢，国外研究人员做了比较多的研究，国内的研究也取得了一些基础性 的成果。下面将分别从焊接性、焊接工艺等方面来论述国内外在低合金高强钢领域的研究 进展。 1 2 1 低合金高强钢焊接性的国内外研究进展 根据g b t 3 3 7 5 9 4 ，所谓焊接性，是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要 求的构件，并满足预定服役要求的能力。焊接性主要包括两方面的内容：其一是接合性能， 即一定的金属在给定焊接工艺下对形成焊接缺陷( 裂纹) 的敏感性；其二是使用性能，即一 定的金属在给定的焊接工艺下所形成的焊接接头适应服役要求的程度，其中接头的强度与 韧性又是最为关键的力学性能要素。金属材料的焊接性是一个相对的概念，它既与材料本 身的材质有关，也与焊接工艺参数密切相关。金属焊接工艺过程简单而接头质量高、性能 好时，就称作焊接性好，反之就称作焊接性差。 5 】 对于高强钢焊接性能的研究，源于第二次世界大战。国外开展这方面的研究较早，产 生了不少理论。但是影响低合金高强钢焊接性的因素很多，主要有材料、设计、焊接工艺 及使用环境。材料因素有钢的化学成分、冶炼轧制状态、热处理、组织形态和力学性能等。 设计因素是指焊接结构的安全性，它不但受到材料的影响，而且在很大程度上受到结构形 式的影响。工艺因素包括施工时所采用的焊接工艺规程( 焊接方法、焊接线能量、装配顺 序、预热、后热等) 和焊后热处理。服役环境因素是指焊接结构的工作温度、负荷条件( 动 载、静载、冲击等) 和工作环境( 化工区、沿海及腐蚀介质如酸雨等) 。【6 】 焊接接头的力学性能的两个主要决定因素是母材的化学成分和焊接：r _ e t 7 1 。当母材的 化学成分( 如c 、m n 、s i 、p 、s 等元素) 变化时，焊接接头的力学性能，特别是接头韧 性将会受到较大的影响。此外，焊接工艺的改变也会影响焊接接头的力学性能，作为焊接 工艺主要指标的焊接线能量的变化会引起焊接热循环的变化，致使接头原奥氏体晶粒度发 生增减变化；同时冷却转变组织随冷却速度的变化而变化。总之，焊接线能量对焊缝强韧 浙江大学硕士学位论文 绪论 性的作用是通过奥氏体晶粒长大和改变冷却速度致使冷却转变组织变化而体现的。 7 - s 金属材料的脆性裂纹产生和生长的难易程度用韧性来表征。影响焊接接头韧性的两个 主要因素是焊接接头的化学成分和焊接热循环。焊接接头的化学成分影响其韧性的机制是 较为复杂的。接头的化学成分通常包括合金元素和杂质，其存在的形态有固溶于基体、析 集于晶界和形成析出相等多种形态，不仅可以直接影响到韧性，也可以通过改变相变过程 及其产物形态而间接影响韧性。焊缝韧性受焊接热循环影响是焊缝微观组织转变和奥氏体 晶粒生长等因素作用的结果。而热循环的变化多通过改变焊接线能量实现【9 1 。李午申【1 0 】 认为要解决低合金高强钢的焊缝强韧化、热影响区晶粒长大等焊接性问题，要从焊接材料、 焊接方法和焊接工艺等多方面进行综合解决。 由于焊接结构的特点使得焊接结构的强度主要不是由力学计算所决定的【7 1 。焊接结构 的失效多半是由于未掌握焊接结构断裂和裂纹扩展规律的认识，特别是新材料、新结构和 制造工艺对强度的影响。目前，在机械设计中选用高强度钢更多的是考虑强度和成本因素， 而这仅仅是考虑到了问题的一个方面。另一方面如果这种材料通常恰恰是裂纹敏感性强的 金属材料，要保证这类结构的安全，必须要使应力分布很均匀，接头处应很光滑，高应力 区没有焊缝。在满足上述要求的前提下，焊接结构才能采用这类材料。此外，由于焊接性 的特点所致，决定了每种钢材都有其特定的焊接工艺。这是由于各种钢材有着不尽相同的 成分，高强钢的焊接性能主要取决于钢材化学成分及其组织形态。由于高强钢品种多，合 金系统复杂，其焊接性能也各不相同，故必须要针对每种材料进行研究才能得出科学的结 论。【1 1 】 虽然焊接性是金属本身所固有的性能，但工艺条件也有着重要的影响 1 2 】。所以，研究 焊接性不能完全脱离工艺条件。熔焊时，熔滴和熔池金属在高温液态下因氧化、还原、溶 解、蒸发以及其他化学反应而改变了成分，再经结晶、固态相变过程而形成焊缝。焊缝中 氧、氮、氢或其他非金属夹杂物会影响焊缝金属的力学性能或造成气孔、夹渣之类的缺陷； 金属的化学成分则直接影响其金相组织和力学性能。成分偏析和结晶形态还影响热裂纹敏 感性。因此，母材和焊接材料的成分以及焊接工艺条件都对焊接性有重要影响。【1 3 】 m e r o g 。l u 等1 1 4 】发现，粗晶元素晶粒尺寸的热影响区的最大韧性在高热输入时得到， 考虑到板厚因素的影响，要想获得粗晶低碳钢焊接热影响区的最大韧性，应该加大热输入。 ，徐亚军 1 5 1 研究发现，由于高强钢对应力敏感性很大，其焊接并不容易。在确定焊接性 的各项指标中，h a z 硬度是确定焊接性的重要指标。在某种程度上，h a z 最高硬度代表 4 浙江大学硕士学位论文 绪论 了冷裂纹的倾向性。而热影响区中硬度主要取决于化学成分和焊接条件( 碳当量和t 8 5 ) 。 对于低合金高强钢，在小线能量焊接时，还会出现脆硬组织进而增加裂纹倾向性。其最高 硬度可能出现在靠近熔合线附近的c g h a z ，然而裂纹也常在此区产生。母材中的化学成 分、扩散氢含量、线能量、接头拘束、环境温度等因素都会引发氢致裂纹。 邬占田等1 1 6 1 研究发现，随8 0 0 c 至5 0 0 c 冷却时间t 8 ，5 的增长，粗晶区的冲击韧性亦 下降，t 8 5 1 8 0 s 时， 冲击韧性下降主要是由于贝氏体的铁素体板条粗化。另外发现m a 组成物的精细结构也 随t 8 5 的增长而变化。 盛光敏，高长益等【1 7 】从焊接接合性能和焊接使用性能两方面对h g 7 0 钢的焊接性进行 了系统地研究。在研究中，他们分别对焊接接头做了裂纹敏感性实验，力学性能实验和微 观组织分析。通过研究得出了该钢种焊接性方面一些有益的结论，解决了该钢种在焊接方 面的一些问题，其研究方法值得我们借鉴。 a l t i n ojr 等【18 】在热输入对焊接接头的塑性变形的影响方面做了深入的研究，指出随 7 着热输入的增加，热影响区扩大，焊后冷却速度加快，形成的晶粒尺寸增大，易产生淬硬 组织，对焊缝的塑性变形是不利的。硬度是p c m 值和热输入的函数，硬度值随p c m 增大 而增大；而热输入越大，p c m 硬度越低，软化现象越严重。 b yga t k i n s 等”9 研究了焊接工艺对钢材焊接性的影响，埋弧焊的预热温度较之于 气体保护金属弧焊和药芯焊丝焊低。同时，通过研究也发现，每一种焊接工艺都有不同的 预热温度，不能将一种焊接工艺的预热温度应用于另一种焊接工艺。 姬晶【2 0 】认为提高焊接性，减少和防止晶间腐蚀的措施有：控制含碳量、进行固溶处理、 添加稳定剂改变焊缝组织状态和快速冷却。n b a i l e y 2 13 提出防止热裂纹的措施有：采用双 相组织焊缝，严格控制有害杂质硫、磷含量，采用碱性焊条、小电流和快速焊。 k a b a y a s h iy 掣2 2 1 对焊缝腐蚀进行了研究：在了解腐蚀环境与母材组成的腐蚀体系后， 焊缝成分、组织和性能由焊接材料合金系统成分组成及含量决定。通常在选择焊接材料时， 以被焊金属的焊接性为依据，。更多地考虑焊缝与母材强韧性的匹配，此时所得焊缝的成分 及组织不同于母材。实际上对于在应力腐蚀环境下工作的焊接结构，选择焊接材料时，不 仅要考虑母材的焊接性，而且还要保证其不发生腐蚀开裂。这就要求焊缝与母材的化学及 电化学性能不能相差太大，否则易腐蚀。为了提高焊接接头的耐腐蚀性能，根据电化学腐 蚀的原理，应该采用与母材相同类型的焊接材料，这样母材和焊缝金属的电化学性能才能 浙江大学硕士学位论文绪论 比较接近。然而，在实际操作中要做到这一点仍存在很大困难。 江海涛等2 3 1 研究了具有不同微观组织类型的高强度管线钢的夏比冲击韧性后发现针 状铁素体型管线钢比多边形铁素体+ 少量珠光体型管线钢具有更高的冲击韧性。通过减少 夹杂物，获得均匀细小的铁素体晶粒、细小弥散的m a 岛和析出物，针状铁素体型管线 钢均可获得优异的冲击韧性。 pl h a r r i s o n 等【2 钥研究了含氧杂质对低合金高强钢焊接接头丫_ a 相转变的影响后 发现，随着含氧杂质的含量的减少丫一a 相转变温度降低，促进了侧板条铁素体和针状铁 素体的生长，抑制了多边形铁素体的形成。转变温度的降低是因为大块1 ，相晶粒的生长， 小块1 ，相晶粒体积含量的减少而造成的。当氧化物被除去时，针状铁素体向平行板条状铁 素体转变明显的现象表明，氧化物对针状铁素体形核具有非常重要的作用。 r a v i n d r ak u m a r 等【2 5 1 研究了a s t ms a 2 1 0g r a l 钢埋弧焊时母材、热影响区和焊接接 头区的氧化行为后发现，母材最易被氧化，焊接接头次之，热影响区抗氧化性最好。 b y c l t s a i 等 2 6 1 研究了焊接薄板时薄板变形的问题，当板厚超过1 6 m m 时，除非 梁的硬化部分过渡弯曲，否则焊接薄板时薄板是不会发生失稳翘曲的。翘曲主要是由板自 身角度弯曲引起的。制定科学的焊接方法和严格的焊接工艺顺序被认为能有效避免翘曲。 g r w a n g 等2 7 1 研究了t i v 低合金高强钢焊接热循环和凝固效应，在焊接过程中 富t i 的立方形沉积颗粒不熔解而富v 的球形颗粒熔解。在冷却过程中再沉积现象没有观 察到。 j r y a n g e 2 8 1 研究了奥氏体预变形对针状铁素体转变的影响，发现随着奥氏体预变形 量的增加，针状铁素体有效形核点也增加。同时，由于预变形产生的变形应力使得在夹杂 物边界形核，随着预变形量的增加，针状铁素体的成形起始温度也不断增加。 sk a l b e r t 等2 9 1 分析了c r m o 钢焊接接头中合金化对氢致开裂和扩散氢含量的影 响后发现，在相同的条件下随着合金含量的增加裂纹敏感性增加，扩散氢含量降低。不同 的扩散氢含量和与合金含量有关的氢含量都可以作为碳当量的函数来预测合金焊接接头 热影响区的硬度。 ， n e v a s m a ap 【3 0 1 研究了高强钢多道焊时氢致裂纹的预防问题后指出，当接头厚度从 4 0 m m 减至6 m m 时，裂纹消失，热输入对裂纹敏感性没有明显影响。 纵观以上研究成果可发现，目前国内外的研究者从焊接结构设计、焊接材料、焊接接 头力学性能、焊接工艺及焊接件的使用环境、焊接接头微观组织、焊缝腐蚀性等方面对低 6 浙江大学硕士学位论文 绪论 合金高强钢进行了全方位、多角度的研究，取得了许多研究成果。但是，国内外研究者对 特高压铁塔用低合金高强钢焊接性的研究还处于起步阶段，对该类钢材的焊接裂纹的防止 方面还有待进一步的研究，对该类钢材焊接接头的微观组织与力学性能之间的关系的研究 还不深入，对该类钢材的耐腐蚀性尤其是焊缝耐腐蚀性的研究还较少。为了避免或减少焊 接裂纹、提高焊接接头的力学性能以达到提高特高压铁塔的使用安全性和延长使用寿命的 目的，对其所用的低合金高强钢的焊接性尤其是焊接接合性进行全面深入的研究还是相当 必要的。 1 2 2 低合金高强钢焊接工艺的国内外研究进展 1 焊接方法的国内外研究进展 随着各类金属材料的广泛应用，作为一种基本的材料连接工艺的焊接也应运而生。古 代的焊接方法主要是钎焊、铸焊和锻焊，并且曾在较长时期停留在铸焊、锻焊和钎焊等较 低水平的焊接方法上面，其使用的热源也是具有温度低、能量不集中等缺点的炉火。由于 热源的限制使得这些焊接方法无法用于大截面、长焊缝工件的焊接，只能用以焊接装饰品、 简单的且性能要求不高的工具和武器。要想使焊接技术有质的发展和提高必须改进焊接所 用的热源。1 9 世纪初英国的戴维斯发现电弧和氧乙炔焰两种能局部熔化金属的高温热源 掀开了现代焊接技术发展的帷幕。电阻焊、闪光对焊、铝热焊相继应运而生。到了2 0 世 纪初，碳极电弧焊和气焊开始推广，同时还出现了薄药皮焊条电弧焊，电弧比较稳定，焊 接熔池受到熔渣保护，焊接质量得到提高，使手工电弧焊进入实用阶段，电弧焊从2 0 世 纪2 0 年代起成为一种重要的焊接方法。同时，在这一时期出现的自动电弧焊机开始使焊 接走向机械化和自动化。随后埋弧焊、钨极和熔化极惰性气体保护焊、电渣焊、等离子弧 焊、摩擦焊、爆炸焊、等离子焊、电子束和激光焊接方法相继问世标志着焊接方法迎来了 一个蓬勃发展的新时期。 随着激光的发现和广泛应用，焊接领域也引入了激光的发展成果，开发出了激光焊。 激光焊接具有如下有优点：1 ) 大深度、小变形，高速度；2 ) 聚焦后的激光具有高功率 密度的特点，焊接时其深宽比可达5 ：1 甚至1 0 ：1 ；3 ) 聚焦后的激光束光斑小、能实 现精确定位，可用于微型焊接以及微小型工件的大批量自动化组焊中；4 ) 用简单的设备 即可在室温或特殊条件下完成焊接加工；5 ) 焊接异性材料以及钛、石英等难熔材料效果 良好；6 ) 在非接触远距离焊接以及难以接近的部位的焊接中，能发挥其特有的灵活性的 优势；7 ) 激光束的按时间与空间分光的特性，使得多光束、多工位同时加工作业成为可 浙江大学硕士学位论文 绪论 能，为精密焊接的实现提供了技术支撑。由于上述优点，激光焊接成为焊接领域研究和 应用的热点。 随着科学技术的发展和使用需求的增加，诞生于2 0 世纪5 0 年代的摩擦焊由于其特有 的焊接接头质量高一一能达到焊缝强度与基体材料等强度、焊接效率高、焊接质量稳定、 一致性好及可实现异种材料焊接等特点使得其重新成为研究者的关注目标。r s m i s h r a 3 1 】 等指出摩擦焊是一种相对新的固态连接方法。这是一种高效、环境友好型、通用型的焊接 方法。这种焊接方法能被用来连接高强度航空铝合金和其它很难被传统焊接方法焊接的金 属合金。摩擦焊被认为是近十年来金属连接领域发展起来的最重要的方法。最近，摩擦焊 向金属材料微结构修复方向发展。 k e s h a vp r a s a d & d k d w i v e d i t 3 2 1 研究了埋弧焊工艺参数如电流、电压和焊接速度等对 低合金高强钢焊接接头的微结构、硬度和韧性的影响。同时，也分析了热输入对焊接接头 微结构和性能的作用。随着热输入的增加，焊接接头和热影响区的晶粒结构粗化。焊缝中 心线到母材的硬度有很大的不同，最高硬度产生在热影响区。随着焊接电流的增加或焊接 速度的降低，硬度降低。 高强钢常用的焊接方法有焊条电弧焊、c 0 2 气体保护焊和混合气体保护焊等。为了减 少电弧热量对母材的影响，应采用能量较为集中的焊接方式，如c 0 2 气体保护焊和混合气 体保护焊。段旭东【3 3 】指出随着保护气中c 0 2 含量的提高，焊缝金属中的氧、氮及残余氢 含量增加，但增加幅度随着c o z 含量的提高而减小，i 随焊接电流的增大，焊缝金属中的 氧、氮及残余氢含量下降，但下降幅度随电流的增大而减小。张京海3 4 3 等研究发现，适当 增加保护气体的氧化性可改变焊缝组织、夹杂物分布状态和焊缝合金元素含量，大幅度降 低焊缝金属的氢脆敏感性。刘蔚倩等 3 5 1 指出，富氩混合气体保护焊中混合气体的最佳配比 为：a r ：c 0 2 = ( 7 5 8 0 ) ：( 2 5 2 0 ) 。采用富氩混合气体保护焊可降低对氢气孔的敏感 性，改善焊缝截面形状，焊缝表面成形美观，生产率高。王天宁，王东 3 6 】深入分析了富 氩气体保护焊时各种气孔产生的原因，总结了氢气、一氧化碳及氮气气孔的特征，提出了 工艺防护措施，有效解决了m a g 焊易产生气孔的问题。 s m u k h o p a d h y a y 等 3 7 】指出，保护气体中的氧和二氧化碳含量会影响低合金高强钢焊 接接头的针状铁素体、粒状铁素体和第二相铁素体等微结构的含量。在实心焊丝焊接中， 随着保护气体中氧含量的增加( 达到4 ) ，焊缝的屈服强度和抗拉强度都增加；随着氧 含量的继续增加，抗拉强度和延伸率都降低。在药芯焊丝焊接中，随着氧含量增加( 达到 浙江大学硕士学位论文绪论 4 ) ，屈服强度和抗拉强度都减少而延伸率不变。在填充金属和保护气体的合适配比下， 气体保护熔化极电弧焊能使低合金高强钢焊接接头的机械性能得到一个可接受的满意值。 从焊接方法的发展历程和研究现状可以看出，焊接方法的产生、发展和演变无一不是 与科学技术的进步，时代对新的焊接方法的召唤紧密相关的。积极将其他相关领域的最新 研究成果运用到焊接的研究领域中来，并探索新的焊接方法在特高压铁塔用低合金高强钢 中的应用，以找到最合适的焊接方法，提高特高压铁塔的焊接生产效率、改善焊接质量、 减轻焊接劳动强度，创造更大的经济效益。 2 焊缝添加元素和焊接材料国内外研究现状 1 )焊缝中添加元素对焊缝组织和性能的影响研究现状 焊缝金属主要是通过合金化控制焊缝的组织实现强韧化。在焊接低合金高强钢时，向 焊接接头中有目的、有计划地加入合金元素可有效改善焊接接头的组织和性能。国内外相 关研究人员对此做了大量的研究。 o l s o ndl ，l i us ，e d w a r d sgr r 3 8 】等研究发现，焊缝中加入适量的t i ，可形成 大量弥散分布的细小t i n 或t i 0 2 质点，它们可作为焊缝凝固时针状铁素体的非均质形核 核心，从而细化洁净钢焊缝凝固组织。t i 还具有脱氧作用，保证b 不被氧化和氮化。而b 能降低奥氏体至铁素体相的转变温度，促使晶粒内针状铁素体的形成。当w ( t i ) 0 0 0 4 5 时，焊缝中可以形成较多的针状铁素体。而当w ( t i ) o 0 9 时会减少针状铁素体含量，使 焊缝韧性恶化。y a m a n et 掣3 9 1 研究了通过细化晶粒尺寸提高含n i 低碳钢焊缝韧性的可行 性，指出通过适当添加t i 、n b 等元素进入焊缝中可明显细化焊缝晶粒尺寸，增加针状铁 素体含量，降低了先共析铁素体、奥氏体和贝氏体的含量，抑制了马氏体的生长。 黄治军、缪凯等【4 0 研究发现，焊缝合金化能有效改变焊缝金相组织。高m n 焊缝中金 相组织主要为针状铁素体和先共析铁素体。随着合金元素的加入及t i 、b 微合金化，焊缝 中网状先共析铁素体变得更为细薄，所占比例减少，针状铁素体含量将明显增加。焊缝低 温冲击功与焊缝中针状铁素体含量有明显的对应关系。焊缝低温冲击韧性与强度随针状铁 素体增加而增加。合金化元素组合的不同及针状铁素体含量的多少对焊缝上平台能冲击功 则没有很大影响。多元合金化能显著提高焊缝低温冲击韧性及强度、降低焊缝脆性转变温 度。 yt c h e n 等【4 1 】模拟了低合金高强钢加v 后对热影响区微结构和机械性能的变化发现， 0 0 5 的v 加入至0 低合金高强钢后焊接接头热影响区产生了期望的强度和韧性的良好结 9 浙江大学硕士学位论文绪论 合。但是当v 含量超过o 1 0 后将破坏热影响区的韧性。 荆洪阳等p 2 1 研究了n b 含量对粗晶区m a 组元的形态和粗晶区韧性的影响后发现， 降低钢材焊接接头的n b 含量能减少焊接接头中细长m a 组元的含有率，从而控制 c g h a z 的韧性。黄凤划4 3 】等研究了送粉激光熔覆铁基合金添加n b 粉的可能性后指出， n b 在熔覆层中均匀分布，n b 的加入使枝晶组织明显细化，界面上方等轴晶数量增多，共 晶组织更加致密；n b 元素的加入提高了熔覆层的显微硬度、耐磨性。分析认为，组织与 性能的提高是由于n b 的加入生成大量弥散均匀分布的n b c 颗粒增强相，同时生成的n b c 成为异质核，提高了凝固结晶过程中的形核率，并且n b 原子优先占据晶界，强化了晶界， 阻碍了晶体的长大。杨春楣】等的研究表明，钢中由于n b 的存在，使焊接区及热影响 区组织发生变化，粗晶区得到细化，同时降低了焊缝脆化的倾向，使钢具有良好的焊接性 能与力学性能。 靳飞【4 5 1 等研究表明，铁素体焊缝金属最适宜的金相组织是针状铁素体，裂纹较难在针 状铁素体中扩展断裂。调整化学成分，如加入n i 、m o 等元素可使焊缝金属连续冷却转变 曲线右移，促使针状铁素体形成。m n s 有利于防止因夹杂而形成的热裂纹，但m n 含量过 高或过低，都会使低温缺口韧性下降。s i 提高焊缝金属的屈服强度，但降低了缺口韧性。 因此控制m n 、s i 的含量和比例，可改善低温缺口韧性，并获得较好的强韧性匹配。 杨军等【4 6 】研究了向焊缝熔敷金属过渡微量的稀土元素和t i b 后焊缝组织和性能的 变化。通过向焊缝过渡t i b 和稀土元素，先共析铁素体的析出受到了抑制，焊缝获得细 小、均匀的针状铁素体组织，提高了焊缝的低温冲击韧性。同时发现焊缝中合金元素( 如 t i ) 形成的细小、难溶的非金属夹杂物( 如t i o ) 成为了针状铁素体的形核核心。针状铁 素体由许多亚结构组成，这相当于进一步细化了晶粒，是提高焊缝熔敷金属低温韧性的微 观原因。 随着含m n 焊缝中m o 元素的增加，焊缝中先共析铁素体逐渐减少的同时，针状铁素 体的比例先增加后减少；细晶区和粗晶区晶粒细化较普遍，在不完全相变区形成了碳化物 与铁素体束团，焊缝的抗拉强度、屈服强度和硬度均有所提高；韧性方面，在焊态、低 m n 时添加0 2 5 的m o 是有益的，而在消除应力状态下添加m o 元素对韧性有较大损害。 随着含m n 焊缝中n i 元素的增加，焊态焊缝中先共析铁素体逐渐减少，针状铁素体 逐渐增多，马氏体组织还出现在高m n 焊缝中；在粗晶区，在多边形铁素体逐渐递减的同 时针状铁素体增加；在细晶区，等轴细晶逐渐发生变化，伴随着含二次相的铁素体团的增 l o 浙江大学硕士学位论文绪论 多铁素体晶粒减少；条带状显微组织和化学不均匀性增加；焊缝抗拉强度、屈服强度和韧 性提高明显；在低m n 时对抗解理断裂是有益的，在高m n 时则是有害的，当m n 为0 6 时韧性达到最佳值。 s d b h o l e 等【4 7 】研究了在低合金高强钢焊缝中按一定配比加入m o 、n i 合金粉末对焊 缝机械性能的影响后发现，一定的m n 含量范围内，单独添加n i 时能增加焊缝低温冲击 韧性，提高了焊接接头的断裂转变温度，这主要是因为随着n i 含量的增加针状铁素体含 量增加造成的。此外，随着m o 、n i 合金粉末混合加入，晶界铁素体含量减少，高韧性的 针状铁素体含量增加。随着m o 含量的增加将会在焊接接头中形成一种针状铁素体占大多 数的氛围，这极大的改善了焊缝韧性。 w w b o s e f i l h o 等【4 8 1 研究了t i 、n i 、m o 、c r 对低合金高强钢多道焊的焊缝微结构的 影响后指出，当t i 含量在0 0 0 5 一o 0 4 之间变化时对焊缝组织的微结构没有明显影响； 当n i 、m o 、c r 添加进焊缝时，随着淬硬性的增加，焊缝组织的微结构从多边形铁素体、 魏氏铁素体、针状铁素体的混合组织向针状铁素体、贝氏体、低碳马氏体的混合组织转变。 m n 对焊缝组织和性能也有重要影响。随着焊缝中m n 含量增加，先共析铁素体和层 状组分减少，针状铁素体增加；焊缝的针状铁素体和粗晶区、细晶区的显微组织得到了细 化；含1 5 m n 时在焊态和消除应力状态下焊缝的冲击韧性为最佳；经实效应变后的冲击 性能，在含m n 量较高时达到最佳值。 b b e i d o k h t i 等 4 9 1 研究了t i 对低合金高强度钢焊接接头性能的影响后发现，随着t i 在0 0 2 o 0 8 范围内增加时，焊缝微结构中针状铁素体也相应的增加，m n 有助于焊缝 组织的细化、均质化。随着t i 或m n 的继续加入，淬硬性的增加，贝氏体晶界形核的几 率大大高于针状铁素体的晶内形核几率。随着t i 元素的加入，焊接接头的冲击韧性得到 提高。但是，当t i 元素的含量超过其最佳值时，准解理断裂开始出现。 j c ej o r g e 等【5 0 1 研究发现，向焊缝组织中添加c r 元素虽然增加了针状铁素体的含量 但对焊接接头的低温冲击韧性却是有害的。另外，