（材料加工工程专业论文）焊接热过程对两种ulcb钢热影响区组织性能的影响.pdf

山东大学硕士学位论文 焊接热过程对两种u l c b 钢热影响区组织性能的影响 摘要 超低碳贝氏体钢( u l c b 钢) 的出现是近3 0 年来社会需求和现代冶金技术 发展的必然结果，具有超低碳、高洁净度、超细晶粒、高强韧性等特点，完全不 同于目前大量使用的钢材因此，i c b 钢的焊接热影响区也会随之出现一些新 的问题。研究焊接热过程对u l c b 钢热影响区组织性能的影响对于优化钢材成 分、轧制工艺和制订焊接工艺均具有重要意义 本文采用热模拟技术和焊接工艺试验相结合的方法，分别研究了抗拉强度为 7 0 弧口a 和6 1 0 m p a 的两种u u 0 b 钢热影响区的组织性能。7 0 0 m p a 的i c b 7 0 0 钢主要用于工程机械，6 1 0 m p a 的u l c b 6 1 0 钢主要用于大型石油储罐的建造 焊接热循环是进行焊接热模拟实验的重要控制数据，本文分析比较了常用的 焊接热循环计算公式，并通过焊接工艺实验确定了适合本文所研究u l c b 7 0 0 钢 的焊接热循环解析计算公式 采用焊接热模拟技术研究了焊接热过程对i j l c b 7 0 0 钢焊接热影响区粗晶区 组织、性能的影响规律获得了u l c b 7 0 0 钢的模拟焊接热影响区连续冷却组织 转变图( s h c c t 图) ，揭示了不同冷却速度下u l c b 7 0 0 钢热影响区的相变过 程。系统研究了焊接热循环对模拟焊接热影响区冲击韧性的影响规律。进行了不 同工艺条件下的c 0 2 气体保护焊接工艺试验，测试分析了焊接接头的力学性能 和组织。结合热模拟实验结果和焊接试验结果，实现了对u l c b 7 0 0 钢常用焊接 条件下焊接热影响区组织性能的预测。 气电立焊是u l c b 6 1 0 钢在石油储罐建造时采用的重要焊接工艺。本文基于 半无限大体上任意一移动点热源作用下的焊接热传导三维瞬态解析解，建立了气 电立焊焊接热过程的解析计算模型。该模型将气电立焊的焊接热输入处理为沿三 个坐标轴分布的有限个点热源，并提出了适于气电立焊的三维串熟源模式利用 上述解析计算模型研究了u l c b 6 1 0 钢气电立焊熔池的建立，计算了焊接温度场 与焊接热循环曲线。并通过焊接工艺试验验证了计算模型的可靠性 系统进行了u l c b 6 1 0 钢的气电立焊热模拟实验和焊接工艺试验，研究了焊 v 山东大学硕士学位论文 接热循环参数对热影响区冲击功和组织的影响规律，以及气电立焊工艺条件对接 头组织性能的影响。试验结果表明，u l c b 6 1 0 钢经大热输入的气电立焊后，热 影响区的冲击功显著下降，而经过9 2 0 ( 2 淬火+ 6 5 0 1 2 回火后母材和焊接热影响区 的组织和性能均明显改善，焊接接头性能明显提高。 关键词；超低碳贝氏体钢；焊接热过程；解析计算；热模拟；气电立焊；组织性 能 山东大学硕士学位论文 i n f l u e n c eo fw e l d i n gt h e r m a lp i o c e s $ o nt w ok i n d so fu l c b t h ea p p c 缸锄c eo fu l t r al o wc a r b o nb a i n i 6 e ( t a c b ) s 矧i st h er e s u l to ft h e s o c i e t yd e m a n d sa n dd e v e l o p m e n to f m o d e mm e t a l l u r g y , w i t hc b m 删s 石c 8o f 锄p c r l o wc a r b o n , s u p e rf i n eg r a i n , h i 曲p u r i t y , h i 咖s t 啪g t ha n d 咖g h 麟s i ti sg r e a t l y d i 位咖tf r o mt h ew i d e l yu s e ds t e e lp r e s e n t l y , s 咄n 删p r o b l e m sw i l l 印p e 盯j n m eh e a ta f f e c t e dz o n e ( h a z ) t h e ni ti ss i g n i f i e a n tt os t u d yt h ei n f l u e n c eo f t h e r m a l p r o c e s so nm ei - i a zm i e r o s t z u e t u r ea n dp r o p e r t i 鹤o f u l c bs t e e l a h r o u e , l a 也e m e t h o d so f 也e r m a is i m u l a t i o na n d w e l d i n ge x p e r i m e n t ，t h e m i e r o s l r u c t u r ea n dp p 酬鹤o ft w ok i n d so fu l c bg t e e i ，t h et e m i l os t r e n g t ho f w h i c hi s7 0 0 m p a 锄d6 1 0 m p as e p a r a t e l 弘h a v ob e e ns t u d i e d u l c b 7 0 0 w h i c hh 嬲a t e n s i l es t r e n g t ho f7 0 0 m p a ，i sm a i n l yu s e di ni n d u s t r i a ll a l a e h i n e , a n du i l b 6 1 0 。 w h i c hh a sat e n s i l e 曲嘲l g mo f 6 1 0 m p a i s m a i n l yu s e d i n 也eb m l d i n go f s t o m g et a n k w e l d i n gh e a te y e l ci sad o m i n a n td a t af o rt h e r m a ls i m u l a t i o n a na n a l y t i e a l e a l e l l l a t i o nm o d e lo f w e l d i n gh e a te y e l es u i t a b l e 斯l h eu l c bs t e e li nt h i sp a p e ri s o b t a i n e dt l l r o u g ha n a l y z i n gl h eu s u a lm o d e l sa n dc o m p a r i n gt h em o d e l sw i l hl h e w e l d i n ge x p e r i m o n tr e s u l t t h ei n f l u e n c en i l eo f h e a tp r o c e s so n 也em i e r o s t r u e t u r ea n d p r o p e r t yo f u l c b 7 0 0 s t e e lh a zi 8s t u d i e dt h r o u g ht h et h e r m a ls i m u l a t i o n , a n dt h e $ h - c c tc h a l ti s o l m i n 。d ，w h i c hl 屯w e a l st h op h a s et r a n s i t i o no fi - i a za 土d i f f e r c n tc o o l i n gr a 由e 田艟 i n f l u e n c er u l eo ft l l oh e a lc y c l eo l dt h et o u g l m e s so f1 4 _ a zi ss t u d i e ds y s i i 砌c a l l y s o m ew e l d i n ge x p e r i m c n t sw i t hd i f f e r e n tt l m o l o g y p a r a m e t o rh a v eb e o n 切k a la n d 也em h 卸把a lp r o p e r t yo ft l a cw e l d i n gj o i n th a 8b 嘲t e s t e d t h ep r e d i c t i o no f u l c b 7 0 0s t e e lh a zm i e r o s t r u e t u r ea n dp p o r t yi r n d 啊u s u a lw e l d i n gc o n d i t i o ni 8 r e a l i z e d t h ee l e e t a og a sw e l d i n g ( e g w ) i s2 1 1i m p o r t a n tw e l d i n g p r o c e f l $ i nm eb u i l d i n go f v 山东大学硕士学位论文 s t o r a g e t a n k b a s e do nt h ew a u s i e u tt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ns o l u t i o no nt h e w o r k p i e c ew h i c hi sh e a t e db yar a n d o mm o v a b l ep o 缸h e a ts o u r c 圮，弛a n a l 蛳c a l c a l c u l a t i o nm o d e li sd e r i v e df o rt h ee g w ：i nt h i sm o d e lt h ew e l d i n gh e a ti n p u ti s a p p r o x i m a t e l yu e a t e d 勰ag r o u po f e l e m e n t a r yp o i mh e a t $ o u r c ea l o n g3 - da x e s , a n d t h ed i s t r i b u t i o nm o d e lo fw e l d i n gh e a ti n p u t , w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h ee g w , i s e s t a b l i s h e d t h r o u g ht h i sm o d e lt h ef o r m a t i o no ft h ew e l d p o o li s 咖l i e d , a n dt h e t e m p e r a t u r ef i e l da n dt h eh e a tc y c l ec t l r v e $ a r ec a l c u l a t e d s o m ew e l d i n ge x p o n e n t v a l i d a t e st h er e l i a b l eo f t h em o d e l t h ei n f l u e n c er u l eo fw e l d i n gh e a tc y c l ep a r a m e t e ro nt h em i c r o s t r u c 缸ea n d t o u g h n e s sa n dt h ei n f l u e n c eo fw e l d i n gt e c h n o l o g yp a r a m e t e ro nt h em i c r o s u u c t u r e a n dp r o p e r t yh a v eb e e ns t u d i e dt h r o u g hs y s t e m a t i c a lt h e r m a ls i m u l a t i o na n dw e l d i n g e x p e r i m e n t 1 1 r e s u l t so ft h ee x l _ - r i m e u ts h o w st h a tt h et o u g h n e s so ft h eh a z d e c r e a s e sw h e nt h eu l c b 6 l os t e e lg o e st h r o u g ht h eh i g hh e a ti n p u te g w b u tt h e m i c r o s t r u c u m ；- a n dp r o p e r t yo ft h eh a za n dt h ep r o p e r t i e so ft h ew e l d i n gj o i n t i m p r o v e do b v i o u s l yw h e nt h ep a r e n tm e t a lg o e st h r o u g ht r e a t m e n to f9 5 0 cq u e n c h a n d6 5 0 t a m p e r o k e yw o r d s ：u i l bs t e e l , w e l d i n gh e a tp r o c e s s ，a n a l y t i c a lc a l c u l a t i o n , t h e r m a l s i m u l a t i o n , e g w , m i c r o 舭a n dp r o p e r t y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：童垒益日期：塑盟i ：堕 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：孽拉导师签名：飞盐牲日 山东大学硕士学位论文 1 1 选题背景和意义 第一章绪论 自1 9 世纪6 0 年代现代炼钢技术问世后，钢铁一直是经济建设、社会发展的 重要物质基础，并成为衡量一个国家国力的重要标志之一由于对钢铁需求量的 激增，1 9 9 6 年我国粗钢产量达到1 亿吨，居世界第一，2 0 0 2 年达到了1 8 亿吨， 6 年时间增长了8 0 ，长此以往在能源、资源及环保方面都难以承受。为解决上 述矛盾，大幅度提高钢的强度和延长使用寿命不失为解决措施之一【 现代超低碳贝氏体( u l c b ) 钢是一类高强度、高韧性、多用途的新型钢种， 它的出现是近3 0 年来社会需求和现代冶金技术发展的必然结果。由于这类钢中 含碳量已大幅度降低，因而彻底消除了碳对贝氏体组织韧性的不利影响，在控轧 控冷后可得到极细的、含有高位错密度的贝氏体基体组织。这类钢的强度不再依 靠钢中的含碳量，而主要通过细晶( 组织) 强化、位错及亚结构强化、微合金元 素( 铌、钛、钒等) 析出强化或者是8 - c u 沉淀强化等方式来保证这类钢不仅 强度得到大幅度提高，而且强韧性匹配极佳，尤其是具有优良的野外焊接性能和 抗氢致开裂的能力。近年来该钢种被广泛用于寒冷地带的油气管线、海洋设施及 舰船等方面。 目前国内外长期使用的抗拉强度7 0 0 m p a 级以上钢种主要还是调质钢，这类 钢的优点是强韧性匹配较好，具有很好的综合性能，主要用于大尺寸、大截面部 件。但对于大尺寸工件为了在整个截面上均获得低碳马氏体组织，钢中不得不添 加相当数量的提高淬透性的合金元素，所以这类钢一般合金元素的加入量较大、 生产路线长、工艺复杂、生产的能耗及成本高，另外在保证板形及表面质量方面 需要很多的投入；另一方面调制钢的马氏体水平主要受含碳量和回火温度的影 响，随着强度水平要求的提高，钢中合金含量要求提高，而为了保证得到低碳马 氏体组织，钢中的含碳量又难以下降，因此这类钢的碳当量较高。可见，这类钢 经淬火处理后虽然可以获得较高的强度，但是低温韧性和焊接性却较差。合金含 量高的高强度调质钢在焊接时常需要进行焊前预热与焊后处理，这给工程应用特 别是用于大型构件时造成很大困难 山东大学硕士学位论文 目前国内各大钢铁公司均根据自己的生产条件设计并生产出超低碳贝氏体 钢，武汉钢铁集团根据其冶炼与轧制设备和工艺条件设计并生产出7 0 0 m p a 级超 低碳贝氏体钢d b 6 8 5 ，济南钢铁集团与北京科技大学联合开发的j g 6 7 0 d b ，鞍 山钢铁集团生产的h q 6 9 0 d b 等也都是7 0 0 m p a 级的高强度超低碳贝氏体钢。这 一类钢的设计突破了原有高强度低合金钢的成分设计模式，大幅减少了钢中碳的 含量，选择m n 、n i 、m o 、n b 、b 、t i 等合金元素的最佳配合，在较宽的冷却速 度范围内都能够得到完全的贝氏体组织。超低碳贝氏体钢的生产工艺流程一般 为：高炉铁水一k r 铁水预处理( 脱硫) 一大型转炉冶炼一脱氧合金化川a ：s 站 精炼一l f 精炼+ v d 精炼、合金化一板坯连铸一热轧，熟轧则采用t m c p + a c c 等技术。采用这种工艺生产的板坯杂质含量较少、成分稳定、组织均匀；由板坯 通过热轧制得的板材化学成分和性能波动小，s 、p 等杂质含量控制严格，具有 良好的综合力学性能，特别是低温韧性较高。 工程机械和重型汽车行业为了降低整车自重、降低运行的能耗，在设计上开 始选用高强度、高韧性的钢材，如煤矿机械行也已采用抗拉强度7 0 0 m p a 级的钢 材钢铁企业采用u c l b 钢的设计思想和生产工艺已批量提供给用户7 0 0 m p a 级的钢。i c b 钢在成分设计、组织、性能等方面与以往采用的钢有显著差异( 如 超细晶粒等) ，焊接时会出现一些新的问题( 如晶粒长大等) 。本文采用焊接热模 拟和焊接工艺试验相结合的方法，针对7 0 0 m p a 级工程机械用岫钢，研究了 焊接热过程对其组织、性能的影响规律，为焊接工艺设计和钢铁企业优化钢材成 分和轧制工艺提供技术数据。 2 0 0 4 年6 月，中国石油战略储备的基地开始建设，首批四个国家石油战略 储备基地( 镇海、黄岛、岱山及大连) 正式圈定。石油储罐用钢是国内外大型石 油储罐建设中的主要原材料，要求具有高强度、高韧性以及优良的焊接性能。石 油储罐用钢采用i c b 钢的成分设计思想和生产工艺，该钢除了具备工程机械 用u l c b 钢的特点之外，还要满足大热输入( 6 0k j c m 一1 0 0k j c m ) 焊接条件下， 热影响区具有良好冲击韧性的要求，以适应石油储罐建设中所普遍采用的气电立 焊焊接工艺此钢种在我国的开发历史较短，生产技术难度大。面对国内大型储 罐用钢基本依赖进口、供货渠道单一、价格持续上涨等不利因素，为有效控制国 家石油储备基地的建设成本、保证建设进度，国家发改委、中石化等部门和单位 2 山东大学硕士学位论文 初步确定了大型石油储罐用高强度钢板国产化工作的实施目标，并组织开展了大 型石油储罐用钢国产化的推进工作，以提高国内钢厂的竞争力2 0 0 4 年l o 月武 汉钢铁集团生产的5 0 0 吨石油储罐用高强度钢板w h 6 1 0 d 2 正式交付用户使用， 用于5 万立方米和l o 万立方米特大型石油储罐的建设，这是我国大型石油储罐 工程建设中首次使用国产钢板同时国内其他参与大型石油储罐用高强度钢板开 发的钢铁集团也都成功开发或者开始研制大型石油储罐用钢板。到目前为止，宝 钢生产的石油储罐用高强度钢板b 6 1 0 e 也已经成功交付用户使用，舞钢生产的 石油储罐用高强度钢板w y 6 1 0 ，济钢生产的石油储罐用高强度钢板j g r 6 1 0 e 、 南钢生产的n 6 1 0 e 石油储罐用钢等也都相继通过了国家的技术评审。这些都是 我国大型石油储罐用钢国产化工作取得的重大成果。本文建立了气电立焊焊接热 过程的数值分析模型，采用数值模拟技术分析了石油储罐用超低碳贝氏体钢的气 电立焊温度场以及焊接热循环等，通过焊接热模拟和焊接工艺试验研究了焊接接 头的组织和性能，对于该钢的应用和优化具有重要意义 u l c b 钢作为一种新兴的钢种，不管是用于工程机械还是用于石油储罐的制 造，焊接结构都占相当的部分虽然目前开发了许多焊接方法，但熔化焊仍是最 主要的连接方法，因此在研发新一代钢铁材料之初，就应该全面考虑其焊接性【2 】， 特别是熔化焊的适应性，为其工程应用奠定基础。 由于u l c b 钢强化机制与传统钢不同，因而必须全面考虑其焊接问题。应 该考虑的问题主要就是由于该钢的晶粒超细化，在焊接热作用下，晶粒长大的驱 动力很大，这必然导致焊接热影响区( i 队z ) 晶粒严重粗化，从而影响整个接头 性能与母材性能相匹配；另外在冷却速度较低时焊缝的屈服强度下降，以及在冷 却速度过低和过高的极端情况下，焊缝金属的冲击韧性达不到要求等问题这就 要求严格控制焊接工艺，尤其是对于厚板和大拘束度接头焊缝金属的性能不能 够满足要求，致使整个焊接接头的性能达不到标准u i l - b 钢焊接过程中主要存 在以下问题： ( 1 ) h z 的晶粒长大倾向 由于超低碳贝氏体钢的晶粒很细，使得晶粒长大驱动力很大( 驱动力与晶粒 尺寸成反比) ，所以其焊接热影响区有严重的晶粒长大倾向，粗大的晶粒将损害 h a z 的性能，晶粒较粗大时，强度和韧性会随之下降，焊接热影响区成为整个 山东大学硕士学位论文 焊接接头中的薄弱部位，因此对于超低碳贝氏体钢，最主要的问题就是探索合适 的焊接方法和焊接工艺参数，防止焊接热影响区的晶粒长大。 ( 2 ) h 艋的淬硬性 在靠近熔合线的h a z ，奥氏体晶粒易粗化和硬化。为了减少冷裂和接头韧 性的损失，通常限制h a z 的最大硬度。h a z 的最大硬度一般随着冷却时同锄 的增加而减小。 ( 3 ) i - i a z 的韧性和微观组织 由于超低碳贝氏体钢中碳含量极低，因此在较大的冷却范围内都可以获得 全贝氏体组织，但是也是由于其碳含量极低，超低碳贝氏体钢中的贝氏体形态不 同于传统的上、下贝氏体的分类，而是属于无碳贝氏体。1 1 l 焊接热影响区的冲击 韧性除了跟其微观组织形态有关以外，在临界点之间的温度区域加热时，奥氏体 和铁素体共存，造成奥氏体中碳的偏析且导致硬化能力增加，冷却时转化的m - a 组元，对h a z 的韧性也是极为不利的，特别是当晶粒粗大时，h a z 的韧性强烈 依赖m a 组元的体积分数。此外，当焊缝采用高匹配时，也将使h a z 的韧性损 失，但与组织所引起的韧性损失相比，是很小的。 1 2 研究现状及进展 国内对超低碳贝氏体钢的组织结构及力学性能方面已有较多的研究。文献【3 】 研究了超低碳贝氏体钢u i , l m 6 0 0 的组织结构及力学性能，研究结果表明： u “= b 6 0 0 钢的基体组织为贝氏体铁素体，其上分布有细小的t , r o ( c ，n ) 及6 o 】粒 子，板条间有少量m a 岛，经6 5 0 时效处理后，m a 岛发生回火转变分解成回 火索氏体，并有较多的8 - c u 粒子析出，性能测试结果表明该钢的强韧性匹配良好， 其力学性能达到较高水平。文献【4 】研究了一种m n 2 b 系低碳贝氏体型非调质钢热 变形奥氏体的连续冷却转变，得到了实验用钢热变形奥氏体的连续冷却转变曲 线。结果表明，实验用钢热变形奥氏体不发生先共析铁素体析出的临界冷却速度 为1 5 s ；冷却速度在1 5 7 s 范围内可全部得到贝氏体组织；当冷却速度大 于7 s 时，不再生成贝氏体，室温组织为马氏体和残余奥氏体文献【5 】利用热 模拟技术，通过热膨胀量和组织分析研究了几种超级钢和超低碳贝氏体钢的连续 冷却过程中的相交特征，测试了形变奥氏体的c c t 曲线。文献 6 】利用热模拟试验 山东大学硕士学位论文 机研究了一种屈服强度为8 0 0 m p a 的高强度低合金钢在连续冷却工艺条件下的组 织变化情况并利用热膨胀法建立了静态和动态条件下的连续冷却转变曲线，分 析了冷却速度对组织和性能的影响规律。研究表明，在较宽冷却速度范围内( 5 2 0 s ) 都能有贝氏体组织生成；变形温度对中温贝氏体转变和贝氏体显微硬度 值的影响很小 目前国内大部分钢铁企业在研制生产超低碳贝氏体钢的同时，也对超低碳贝 氏体钢的焊接性以及焊接接头的组织性能进行了研究随着焊接热模拟技术的发 展，对新钢种的焊接性研究越来越多的依靠热模拟技术来进行钱百年等通过对 6 0 8 0 k g 级c f 钢焊接性的研究，从减小热影响区粗晶区晶粒尺寸的角度提出了 a _ 钢设计的原则，即在钢中加入微量元素甄，并形成一定数量的嘲质点，粗晶 区的晶粒会明显细化管线钢x 8 0 的焊接性研究也证实了t i 能细化模拟热影响区 的晶粒文献 7 1 对某含铜超低碳贝氏体钢进行不同焊接工艺下热模拟试验研 究了焊接热影响区的组织、性能。探讨了不同锄对钢中贝氏体组织组成和形态的 影响以及组织与低温韧性的关系结果表明：在不同焊接条件下，此类钢焊接热 影响区均具有较好的低温韧性和较低的韧脆转变温度当以中等速率冷却时，高 温时生成的一定量的粒状贝氏体可有效地分割奥氏体晶粒，使后生成的板条贝氏 体更细，从而获得最佳的低温韧性。文献【8 】研究了焊接线能量的变化对超低碳 贝氏体钢d b 5 9 0 焊接接头过热区的组织和性能的影响规律，提出了焊接线能量控 制的范围。文献 9 】采用热模拟试验机进行热模拟，研究了锄分别为3 0 s 、4 5 s 和6 0 s 时c u - n b - b 系超低碳贝氏钢的焊接热影响区组织、性能及铜分布。结果表明，不 同焊接条件下，此类钢焊接热影响区均具有较好的低温韧性，同时研究了锄对贝 氏体组织组成及形态的影响，以及组织与低温韧性的关系。文献【1 0 】采用热模拟 技术研究了不同焊接条件下焊接热影响区的组织与性能，结果表明，适t n b 、b 合金化的超低碳贝氏体钢在不同焊接条件下都能获得具有良好冲击韧性的贝氏 体组织。但是焊接工艺不同造成焊后组织的差异而使低温断裂行为有所不同。 气电立焊作为一种石化工程建设中常用的焊接方式，对其研究主要集中在设 备介绍、使用以及焊接工艺等方面，而对其焊接热过程的分析较少文献 1 l 】分 析了气电立焊熔深的形成途径，得出熔池是通过熔池同侧壁母材对流热传递形成 的结论，通过对熔深形成过程的具体测定，探讨了焊接工艺参数对熔深的影响规 5 山东大学硕士学位论文 律。同时文献表明，气电立焊熔池深度约为1 5 1 7 m m ，尽管熔池较深，但对熔池 形成起主要作用的熔池深度只有上表面的5 m m 。文献 1 2 3 介绍了气电立焊操作机 的特点，推导出气电立焊焊接热输入的计算公式，同时对5 种厚度的钢板进行焊 接试验，提出了最优的焊接规范，并应用于大型石油储罐的焊接。文献 1 3 】介绍 了石油储罐用大线能量用钢开发的技术要求与途径。采用武汉钢铁( 集团) 公司 和舞阳钢铁有限责任公司所开发的大线能量钢板进行力学性能试验和大线能量 焊接试验，结果表明其性能可以满足大线能量焊接的要求，能够用于大型石油储 罐的建造文献【1 4 】介绍了采用气电立焊、d w s - 4 3 g 药芯焊丝进行1 6 m n r 铺 板焊 接的工艺及焊接工艺参数、焊接工艺评定试验等技术内容。通过在5 万立方米大 型石油储罐安装工程中的应用，焊缝质量一次合格率高达9 9 9 。经初步测算， 气电立焊的焊接速度约是药芯焊丝自保护自动立焊的1 5 倍，约是手工电弧焊的1 5 倍，提高了焊接效率。 数值分析法为我们准确计算焊接热过程提供了有力的工具【1 5 1 ，因此在求解焊 接传热问题中，数值计算法已经越来越受到科研工作者的重视，研究者进行了许 多探索工作，并取得了较大进展。 文献 1 6 】、【1 7 采用贴体曲线坐标系建立了熔透情况下三维m 【g m a g 焊接熔 池流体流动及传热的数值分析模型。文献 1 8 】、【1 9 建立了考虑熔池表面变形的 m 【g 焊接三维温度场的数值分析模型。文献【2 0 】建立了m 【g m g 焊接熔池流场、 温度的模型，考虑了电弧热流密度在变形熔池表面的分布模式，以及熔滴热焓量 在熔池内部的分布。文献【2 l 】建立了运动电弧作用下三维m i g m a g 焊接熔池中 的流体流动和传热过程的准稳态模型。 在求解焊接领域的传热问题中，数值计算法所面临的一个最大的问题就是应 用起来极其繁琐、计算时间长、成本高。解析法通过合理地修正其模型也可以较 好的解决这个问题而且解析法求解传热问题对其他许多应用领域也很有意义，如 焊接冶金和焊接过程控制。为了克服解析计算法精度低的问题，人们进行了各种 探索工作，如根据试验结果修正解析计算公式以及包括焊接热输入在内的边界条 件的处理等。 解析法是一种较简单、直观的方法，其最大的问题是板厚的影响一直没有被 考虑。在分析建立焊接熟过程解析数学模型、焊接性分析以及焊接热影响区组织 山东大学硕士学位论文 性能估算方面研究人员进行了大量的研究工作，大都是在准稳态下进行的 r o s e n t h a l 提出了半无限大体上点热源或线热源作用下准稳态温度场的解析数学 模型雷卡林提出了类似的包括瞬态影响的解析模型 文献【2 2 】通过分析焊接热源的特征要素，在高斯热源的基础上，根据输入热 功率相当提出段热源模型，并与点热源结合，进一步提出更加灵活实用的串热源 模型。经验证明，可在保持精度的同时大幅度地缩短计算时间，从而使实际构件 工艺的模拟、优化成为可行文献【2 3 】将熔化极气体保护焊( g m a w ) 的热输入 处理为三维移动串热源，建立了串热源模型，模拟了j g 5 9 0 低合金钢的g m a w 焊 接热过程进行了j g 5 9 0 钢的g m a w 焊接工艺试验，通过焊缝横截面熔合线的几 何形状以及焊接接头的几何尺寸对所建模型进行了实验验证分析评价了目前常 用的勘计算公式，利用j g 5 9 0 钢a 雌w 焊接热过程的模拟结果，结合其连续冷却 组织转变图( c c t 图) ，成功预测了焊接热影响区( i i a z ) 的组织及硬度 1 3 本文的主要研究内容 本文通过焊接热模拟实验和实际焊接工艺试验相结合的方法研究了焊接热 过程对两种u l c b 钢焊接热影响区组织性能的影响，具体研究内容如下： ( 1 ) 对常用的焊接热循环计算公式进行分析比较，并通过焊接实验进行验 证，以确定适合本文所研究超低碳贝氏体钢的焊接热循环解析计算公式 ( 2 ) 采用焊接热模拟技术，研究加热峰值温度、冷却速度以及二次热循环 峰值温度对热影响区粗晶区( c g h a z ) 晶粒长大的影响规律，以及对c g h a z 冲 击功的影响规律 ( 3 ) 获得了1 7 l c b 7 0 0 钢常用焊接条件下的s h - c c t 图，结合热模拟实验结 果和焊接试验结果实现了对该钢常用焊接条件下焊接热影响区组织性能的预测 ( 4 ) 将气电立焊的热输入处理为沿三个坐标轴分布的有限个点热源，通过 计算和焊接试验确定了适合于u l c b 6 1 0 钢气电立焊解析计算模型的焊接熟输入 分布模式。 ( 5 ) 利用所建模型研究了u l c b 6 1 0 钢气电立焊熔池的建立，计算了焊接 温度场与焊接热循环曲线；并通过焊接试验对所建模型做了相应的验证，计算结 果与实测结果基本吻合 7 山东大学硕士学位论文 ( 6 ) 进行了u l c b 6 1 0 钢的气电立焊热模拟试验，研究了焊接热循环参数 对热影响区冲击功和组织的影响规律；进行了不同条件下的气电立焊工艺试验， 研究了不同气电立焊条件对焊接接头组织性能的影响规律。 3 山东大学硕士学位论文 第二章实验用钢的化学成分和力学性能 本文实验用钢主要是工程机械用u l c b 7 0 0 和大型石油储罐用u l c b 6 1 0 两 种超低碳贝氏体钢本章主要介绍了这两种钢的成分设计思想、显微组织以及力 学性能。 2 1u l c b 7 0 0 的化学成分和力学性能 ( 1 ) 0 1 c 8 7 0 0 的化学成分 超低碳贝氏体u l c b 7 0 0 是以微合金化结合控轧控冷工艺生产的高强度非调 质钢，抗拉强度达到了7 0 0 m p a 级 超低碳贝氏体( i j i c = b ) 钢是世界各国正在致力于开发的一类新型结构用钢。 由于在成分设计上采用极低的碳含量，选择m n 、n i 、m o 、n b 、b 、t i 等合金元 素的最佳配合，从而在较宽的冷却速度范围内能够获得完全的贝氏体组织。在保 证优良的低温韧性和焊接性的前提下，通过适当调整合金元素的含量和进一步完 善控轧与控冷工艺( t m c p + a c c ) ，可使超低碳贝氏体钢的屈服强度达5 0 0m p a 9 0 0 m p a ，而且对延性及解理断裂均具有高的抗力，因而控轧控冷超低碳贝氏体 钢被国际上公认为是面向2 1 世纪的新一代钢铁材料。 为了获得较高的强度和较好的强韧性匹配，u l c b 钢在成分设计上一般具有 以下特点； c a ) c 、m n 、n b 、m o 、b 、t i 等合金元素的最佳配合，从而在较宽的冷却 范围内都能形成完全的贝氏体组织为了获得高强度，加入了成本较低的b 元 素。为了保证b 元素的作用，必须添加合金元素t i 来固定杂质元素0 、n ，从 而避免b 的烧损，并且由此形成的t i n 、t i o 等对于细化晶粒是十分有效的 ( b ) m n 、d o 、n b 是作为强化元素加入的。鉴于冶金技术、经济性和钢材 性能的要求，钢中还经常以n i 、c u 、o r 作为m o 的补偿元素。 ( c ) u l c b 钢的碳当量相当低，同时u l c b 钢是高度的“洁净钢”，洁净和 低碳改普了钢的韧性。 9 山东大学硕士学位论文 ( d ) u l c b 钢具有较细的晶粒，晶粒细化是工程结构用钢的最主要的强化 方式，也是唯一既提高强度，又提高韧性的强化方式综合利用微合金化与控轧 控冷技术可细化晶粒，明显提高钢的韧性 由于该钢的碳含量降得很低( 一般小予0 0 5 ) ，这时虽然比较容易获得全贝 氏体组织，但是由于降碳所造成的强度下降必须通过其他方式来补偿。u l c b 钢 的强化常综合采用晶格强化、固溶强化、析出强化、位错与亚结构强化，以及细 晶强化等多种机制。试验用u l c b 7 0 0 钢的强度不再主要依赖c 、m n 、s i 等的固溶 强化，而是采用m n - m o - n b - b 合金系，以形成细小的贝氏体为基体组织，运用位 错强化，v 、n b 、t i 等结合控轧控冷组织细化及沉淀强化，或者是依靠c u 的时效 析出物c c l l 递e 行析出强化等作为强化手段刚。 钢中各主要合金元素的作用：钢中的铜能够明显的与加入的硼起综合作用， 铜和硼联合会进一步抑制贝氏体转变前的铁素体的生成：同时加铜后，可使铌的 碳化物高温应变诱导析出加速，再结晶停止温度升高，有利于进行非再结晶区控 轧及进一步细化相变产物；铜的时效析出物- c u 可以进行析出强化；含铜0 3 以 上的钢中，相应加入少量的镍可以防止含铜钢的热裂；微量的铌与碳、氮、硼形 成套4 b ( c ，n ，b ) 类析出物，在热变形后，这类化合物在奥氏体中会通过应变 诱导在位错线上析出，从而明显的阻碍变形后再结晶晶界的运动，使含n b + b 的 超低碳贝氏体钢再结晶停止温度升高到9 5 0 ( 2 以上；高温变形后的冷却过程中， 铌和硼原子在晶界的偏聚会极大的阻碍新相在晶界处形核，从而使先共析铁素体 生成区明显右移，保证了这类钢能在很宽的冷速范围内得到均匀的贝氏体组织； 基体中固溶的铌、硼原子在冷却及相转变过程中析出n b ( c ，n ，b ) 化合物， 进一步强化贝氏体；b 原子半径较小，扩散快，在形变、再结晶及相变过程中的 作用比较明显，而n b 原子的析出效应很强，加b 可以加强这种效应，因此两者综 合作用效果更好；m o 有助于抑制n b ( c ，n ，b ) 在奥氏体中的析出，而有助于 其在贝氏体中的析出强化；对钢进行微钛处理，既可以脱氮保护硼，又可以通过 微细的t i n 析出控制奥氏体晶粒的快速长大；钢中的锰起固溶强化作用，并进一 步阻碍先共析铁素体的析出，加入量应保持在常用的1 6 m n 钢含量范围内【。本 文试验用u l c b 7 0 0 钢的化学成分见表2 1 。图2 1 是u l c b 7 0 0 钢的组织，可见， i c b 7 0 0 钢的晶粒比较细小，为贝氏体组织，且组织比较均匀 山东大学硕士学位论文 表2 1u l c b 7 0 0 4 羁的化学成分( 质量分数) cs ii t nps ，c u ，t i ，h o ，b 等 0 0 4 7o 2 31 3 0o 0 lo 0 0 8 适量 ( 2 ) u l c b 7 0 0 钢的力学性能 u l c b 7 0 0 钢的力学性能见表2 2 。 表2 2u l c b 7 0 0 钢的力学性能 规格屈服强度抗拉强度断后伸长率冷弯判定- 2 0 c 冲击功( j ) ( m m )( m 呼a )( 口a ) ( )结果 单值平均 2 16 0 07 3 01 8 合格1 0 9 ，9 7 ，9 81 0 1 3 2 2u l c b 6 1 0 的化学成分和力学性能 ( 1 ) 0 l c b 6 1 0 的化学成分 大型石油储罐用钢u l c b 6 1 0 是以低c 的s i 、m n 钢为基础、适量添加其他 合金化元素，并保证抗拉强度不低于6 1 0 m p a 的低合金高强度钢。依据其焊接特 性可以分为两类：大线能量焊接钢板和大线能量低焊接裂纹敏感性钢板大型石 油储罐用钢板开发历史较短，组织结构和性能要求苛刻且影响因素多，成分和生 产工艺控制精细，生产技术难度较大嗍 山东大学硕士学位论文 这类钢其主要成分特征是：以低c 的s i 、m n 钢为基础，采用了合金化处理， 添加m o 、v 、b 、n i 、t i 等一系列合金化元素，同时按照洁净钢要求，采用低 杂质控制，低硫低磷，钢质纯净。由于合金含量较低，因此碳当量c e q 较低， 这是确保钢板焊接性优异的最根本条件；低硫低磷( p 不大于0 0 1 5 ，s 不大予 0 0 1 0 ) 有益于钢板塑性、韧性和焊接性的改善；合金化目的在于控制组织结构 的预期转变，奠定钢板的强韧性基础，适量n b 、v 、t i 、m o 、n i 系合金元素的 添加已成为主要的合金化方式；钢质纯净是指钢中夹杂物数量应控制在较低的水 平，以降低其对韧性和塑性的不利影响；适量添加弧以控制t t n 弥散分布的k s t 处理技术( 神户超韧化处理) 已经成为开发大线能量焊接用钢的实用技术。由于这 类钢一般采用线能量较大的气电立焊焊接，因此在对其成分进行设计时，也必须 考虑到这一点。研究表明，钢中合金元素应满足以下要求时，对大线能量焊接时 热影响区冲击功有币如低的碳当量( o 3 3 , - 0 4 0 低的n b 含量( n b 的质量 分数应不大于0 0 2 ) 、t i 、n 的质量分数比为3 5 。这些因素对多边形铁素体的 产生和m - a 组元的影响会产生一定的影响，在某些情况下也会对原始奥氏体尺 寸产生影响，因此在进行成分设计时，应注意到这些问题。奥氏体晶粒尺寸对韧 性的影响较小，而噩、n 比、m - a 组元、碳当量和冷却速度对其影响较大1 2 6 另外有研究表明低n 高烈微量瓢的合金化处理方法能彻底解决大线能量焊接对 熟影响区韧性恶化的问题1 2 6 。u i c b 6 1 0 钢的主要化学成分见表2 3 表2 3u l c b 6 1 0 钢的化学成分( 质量分数) cs im npsi c e ，v 。t i ，m o ，n i 等 o 0 8o 3 51 4 00 0 1 10 0 0 4适量 图2 2 ( a 是u l c b 6 1 0 钢的光学金相组织照片，图2 2 ( b ) 是扫面电镜照 片，从图2 2 中可以看出，该钢主要以块状的贝氏体+ 索氏体+ 少量的铁素体为主， 并且各种组织的晶粒都比较细小 山东大学硕士学位论文 ( a ) 金相照片 图2 2u l c b 6 1 0 钢的组织 ( 2 ) u l g b 8 1 0 钢的力学性能 i ic b 6 1 0 钢的力学性能见表2 5 。 o ，) 扫描电镜 表2 5u l c b 6 1 0 钢力学性能试验结果 规格屈服强度抗拉强度断后延伸率冷弯判定1 5 冲击( j ) ( n m l )( 口a )( m p a )( ) 结果 单值平均 3 25 7 56 6 52 1 合格1 4 5 ，9 6 ，3 l9 1 2 1 56 1 06 8 51 9 合格1 4 7 ，1 5 0 ，1 3 01 4 5 2 1 55 6 3 52 1 合格4 8 ，1 4 9 ，1 4 51 1 4 山东大学硕士学位论文 第三章焊接热循