（材料加工工程专业论文）weldox960高强钢焊接性研究.pdf

奎墨里三查堂兰丝j 生三二一 摘要 y 5 1 8 2 1 8 w e l d o x 9 6 0 作为新一代低合金高强钢，具有细晶粒、超洁净度、 高均匀性、高强度、高韧性和良好综合性能的新材料，主要应用于矿山机 械、桥梁、铁路、汽车起重机等重载领域。本文结合军用车载桥梁的实际 生产条件根据“低强匹配”原则选取瑞典生产的e d - f k1 0 0 0 高强焊丝设 计了w e l d o x 9 6 0 高强钢的a r + c 0 2 混合气体保护焊工艺，在预热7 5 、焊接线能量i o 1 2 k j r a m 、层间温度8 0 8 5 c 的条件下进行多层多 道焊接。分别对w e l d o x 9 6 0 高强钢焊接接头进行拉伸、弯曲、冲击等 力学性能试验和斜y 型坡口试验、搭接接头试验及热影响区最高硬度等 抗裂性试验研究，并利用光学显微镜和扫描电镜等分析手段对 w e l d o x 9 6 0 高强钢的焊缝、熔合区和热影响区的微观组织及断口进行 分析，研究了预热温度、焊接热输入和后热温度等工艺因素对接头强度、 弯曲性能和热影响区冲击韧性的影响，分析了微观组织对接头强韧性的影 响以及该钢在实际生产条件下的焊接适应性。 测试结果表明在本试验条件下该钢冷裂和热裂敏感性小，接头屈服强 度为9 2 8 8 m p a ，失强率1 4 2 ，达到设计要求：焊接热输入及层间温度 对接头性能有重要影响，焊接热输入太小，导致接头冷却速度过快，温度 梯度大，淬硬性大，从而使冷裂倾向增大：但热输入太大时又容易使接头 内应力叠加增大，半熔化区奥氏体晶粒粗化，降低接头的强度及抗裂性能： 微观分析表明，焊缝及热影响区分布的贝氏体和低碳马氏体是接头高强度 和高韧性的基本条件，因此要合理控制焊接热输入在1 o 1 2k j r n m 范 周内，保证焊缝组织为粒状贝氏体和少量的低碳马氏体，从而保证接头的 强韧性。 关键词高强钢，焊接接头，力学性能，焊接性，混合气体保护焊 查曼墨三盔兰堂l 兰二蔓一 a b s t r a c t a sah i g hs t r e n g t hl o wa n da l l o y e ds t r u c t u r a ls t e e l ，w e l d o x 9 6 0i s c h a r a c t e r i z e d b y f i n e g r a i n ，s u p e r - m e t a l l u r g i c a lp u r i f i c a t i o n a n d h o m o g e n i z a t i o n ，h i g hs t r e n g t ha n dt o u g h n e s s ，a n di t i sw i d e l ya p p l i e di nt h e f i e l do fm i n e m a c h i n e ，b r i d g e ，r a i l w a ya n dm o b i l ec r a n ee t c h i g h - s t r e n g t h m a g w i r ee d f k10 0 0i ss e l e c t e da sc o n s u m e dm a t e r i a la c c o r d i n gt o “l o w e rs t r e n g t hm a t c h ”t ob eu s e di nm i x e dg a s e s ( a 1 + c 0 2 ) s h i e l d e dm e t a l a r cw e l d i n g ( g m a w ) d u r i n gm u l t i p l a y e rw e l d i n g ，w e l d o x 9 6 0i sw e l d e d w i t h w e l d i n gp a r a m e t e r s a sf o l l o w ：p r e h e a tt e m p e r a t u r ei s7 5 。c ，h e a ti n p u ti s i o 1 2 k j r a m ，i n t e r p a s st e m p e r a t u r ei s8 0 8 5 c m e c h a n i c a lt e s t s ( t e n s i l et e s t , b e n d i n gt e s ta n d i m p a c tt e s oa n dc r a c kt e s t s ( y g r o o v ea n dc t sc r a c k i n gt e s t ，p e a kh a r d n e s so fh a lt e s ow e r ec a r r i e d o u tt os t u d yo ni t sw e l d a b i l i t y ；a n dm i c r o s t r u c t u r e so fw e l dm e t a l ，f u s i o nz o n e ， h a za n df r a c t o g r a p h yw e r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so fl i g h tm i c r o s c o p ya n d s e m ；t h ee f f e c to fp r o c e s s i n gf a c t o r sa n dm i c r o s t m c t u r e so fw e l d i n gj o i n to n s t r e n g t ha n dt o u g h n e s so f w e l d i n g j o i n tw a sa n a l y z e d e x p e r i m e u t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tw e l d o x 9 6 0h a sag o o dc a p a c i t yo f r e s i s t i n gc o o lc r a c k i n ga n dh o tc r a c k i n gw i t hs u i t a b l ew e l d i n gp a r a m e t e r s c e ti sak e yf a c t o rt ot h ep e r f o r m a n c eo f j o i n t w i t has m a l lv a l u eo fc e t t h ej o i n tw i l lb ea p tt og e tc r a c k i n gd u et of a s tc o o l i n ga n db i gt e m p e r a t u r e g r a d ew h i l eab i gv a l u eo fc e t w i l ld a m a g et h ep e r f o r m a n c e o f j o i n ts h a r p l y d u et oc o a r s e g r a i na n dw e l d i n gi n t e r s t r c s s m i c r o a n a l y s i si n d i c a t e dt h a t g r a n u l a rb a i n i t ea n dl o w c a r b o nm a r t e n s i t ew e r ef o u n di nw e l da n dh a z ， u 查璺里三奎兰生鱼生苎- 一 w h i c hc o n m b u t e dt oh i g hs t r e n g t ha n dt o u g h n e s s o f j o i n t s oc e t m u s tb e l i m r e di nt h er a n g eo f1 0 1 2k j r a mt om a k es u r et h a tg r a n u l a rb a i n i t e a n dl o w - c a r b o nm a r t e n s i t eb ea c q u i r e d i nw e l d k e yw o r d s h i g hs t r e n g t hs t e e l ，w e l d e dj o i n t ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y w e l d a b i l i 劬g m w 1 1 1 查曼墨三盔堂兰j 墨兰墅一 第一章概述 1 1 新一代低合金高强钢的发展概况 随着机械工业生产迅猛发展，在焊接结构目益大型化、轻量化的现代 工程机械及冶金矿山机械生产中，为提高机械设备的使用性能，以最大限 度地满足各种工程建设的需要，钢材不仅要有良好的综合力学性能，而且 要有良好的加工工艺性能( 比如焊接性) ，对于特殊条件下使用的钢种， 更要求其具有相应的特殊性能，比如耐高温，耐腐蚀，耐冲击等。因此原 来的碳素钢已经不能满足需要，必将有大量的低合金高强度钢被投入使 用。 低合金高强度钢是指低合金钢中包括c 、s i 、m n 在内的主要添加元 素的含量不超过5 ，屈服强度大于6 0 0 m p a 的钢种，是在碳素钢的基础 上通过调整碳及合金元素的含量，并辅助一定的热处理工艺实现的。低合 金高强钢的主要特点是含碳量低，可焊性好( 含碳量一般低于o 4 5 ，p c m 小于等于0 3 ) ，晶粒细化，屈服强度高，普遍采用n b 、v 、t i 等合金元 素进行强韧化。大多采用先进的冶炼工艺和形变热处理工艺进行生产 1 - 5 】。 按照低合金高强钢( 简称h s l a 钢) 的屈服强度可以将其大致分为三 个等级： a 级：a s - 2 9 0 4 9 0 m p a 热轧、控轧、正火钢 b 级：傩= 4 9 0 9 8 0 m p a 低碳调质钢 c 级：o s = 8 8 0 1 1 7 6 m p a 中碳调质钢 低合金高强钢的发展经历了几个极为重要的时期。2 0 世纪初的低合 金高强钢主要用于结构和建筑方面，而且主要是根据抗拉强度进行设计， 很少注意钢材的韧性、可成形性和可焊接性：5 0 年代开始大力开发细晶 奎要塞三盔堂堂业i 王一 粒化的新材料；7 0 年代以控制轧制技术和钢的微合金化冶金学为基础， 形成了“现代低合金高强度钢”的新概念；8 0 年代初以来，借助于工艺技 术方面的成就开发了适于广泛工业领域和专门领域的品种。在钢的化学成 分一工艺一组织一性能的关系中，第一次强调了钢的组织的主导地位，表 明低合金高强钢的基础研究已趋于成熟a 随着低合金高强钢的不断发展，在高强度、耐高温、耐低温、耐腐蚀 等方面满足了焊接结构的要求，并在桥梁、锅炉及压力容器、汽车、舰船、 石油管线等领域得到了广泛的应用。低合金高强钢主要是通过调整钢中碳 及合金元素的质量分数和配以适当的热处理来实现的，当然碳及合金元素 的增加也会给钢的焊接性带来不利的影响。在低合金高强钢中，随着强度 级别的提高，碳及合金元素质量分数的增多，势必会引起接头的脆化、软 化及裂纹倾向增大。这些焊接性问题的出现，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 造成重大损失。为了不断改善低合金结构钢的焊接性，国内从8 0 年代就 开始研制并生产焊接性良好的微舍金控轧钢和新一代超细晶粒钢，这些新 钢种的出现必然会给钢的焊接性带来了重大的变革【6 l 。 工业的不断发展对钢材焊接接头的性能要求越来越高，比如承载强度 大，塑性韧性好，抗疲劳，抗裂纹等，因此钢材的发展趋向也在逐渐变化。 在充分考虑经济因素和环境因素的前提下，对钢材的洁净度、均匀性、强 度等方面提出了更高的要求。稳定的冶炼一凝固技术和超细晶粒组织控制 等生产工艺越来越重要，要改善钢的使用性能，使钢的强度、服役能力有 明显提高，且易回收利用。同时由于绝大多数产品和构件的设计都是通过 焊接实现的，钢材的发展对焊接工艺、焊接材料、结构设计等方面提出了 挑战，如何提高接头的强度，如何避免裂纹的产生以及如何提高接头的疲 劳极限等，由此将引发出一系列科研课题：如何通过化学冶金过程使钢材 查堕墨三盔兰兰羔l 垒l 王一 的纯净度极限化；如何改进技术措施使钢板的加工过程经济化和钢板综合 性能的完美化等。 1 1 1 我国低合金高强钢的发展现状及面临的挑战 在六、七十年代，我国高强度钢的生产几乎处于空白状态，但在国外， 其发展和应用已很广泛，而且还有不断增长的趋势。我国在这一领域起步 很晚，从7 0 8 0 年代我国控制轧制的基础研究开始进行，在低合金高强 钢合金设计中，人们已不再采用以提高钢中碳含量、牺牲塑性来得到更高 强度的传统设计方案，新的合金设计是向钢中添加c r 、n i 、v 、t i 、n b 、 b 等少量合金元素，从而提高钢的强度、改善焊接性和耐磨性等力学性能。 到目前为止许多低合金高强钢的生产已开始采用此方法，并将成为厚钢板 生产的主要方向。对这类钢配套使用的焊接材料的研制成为当前亟待解决 的问题之一。 由于新一代钢铁材料晶粒极度细化，焊接时面临的严重问题是焊缝的 强韧化、热影响区晶粒长大等问题。在我国新一代钢铁材料项目中，主要 是针对4 0 0 m p a 级和$ o o m p a 级超细晶粒锅解决上述焊接性问题，并从焊 接材料、焊接方法和焊接工艺等多方面进行综合解决。但是，随着低合金 高强钢的广泛应用，尤其是低合金高强钢的焊接，给焊接工作者带来很多 困难。为了提高钢材的强度，需要高的含碳量和合金含量，但是随之而来 的问题是强度越商，韧性越低，焊接性也越差。国内的研究人员针对该难 题做了大量工作，并且也取得了一定的成果。目前国内投入使用的低合金 高强钢的强度已经达到6 0 0 m p a i 引。 发展低合金高强钢是实现我国钢铁工业结构调整的重要部分，也是我 国从钢铁大国转变为钢铁强国的关键措施，因此有必要研制和开发既适合 焊接又便于热处理的低合金高强钢，以适应不同结构对钢材的需求。我国 奎壁墨三查兰兰堂l 望二生一 。r 新一代低合金高强钢的基础研究”项目已经启动，目标是提高钢材的纯 净度、均匀性、超细化组织( 力争晶粒尺寸小于1 um ) ，使合金钢的强 度、韧性比现有钢神提高一倍。此课题的研究将为今后新一代低合金高强 钢在我国的深入研究、推广和使用做出一些基础性探讨工作。 11 2 国外新一代低合金高强钢的发展及使用情况 国外对低合金高强钢的研究和使用己经很多年了，尤其是超高强结 构。最近几十年来，国外特别注重通过冶金的方法从根本上解决钢的焊接 性问题，通过冶金措施采用低碳微合金化及控轧控冷等工艺措施生产出了 若干种强韧性好、焊接性优良的管线钢、桥梁钢、压力容器用钢等，为焊 接用合金结构钢的发展做出了新的贡献。 日本首先于】9 9 7 年投资6 0 0 0 美元启动了“s t x 2 1 超级钢铁材料” 项目，通过超细化和微舍金化使钢铁材料的寿命和性能提高一倍，平均晶 粒尺寸从1 0 um 降到o 7 7um f “，使普通c 。m n 钢的抗拉强度从4 0 5 m p a 提高到8 0 0 m p a 。瑞典的s s a bo x l o s u n d 公司从9 0 年代开始研制高强 钢，到目前为止，已经生产出全世界硬度最高的热轧钢板h a r d o x 6 0 0 和屈服强度最高的结构钢w e l d o x il o o 。 w e l d o x 9 6 0 属于低合金高强结构钢，是s s a bo x e l o s u n d 公司 w e l d o x 系列产品，该钢主要是通过调整钢中碳及合金元素的质量分数 并配以适当的热处理来实现强韧性的。作为新一代钢种，w e l d o x 9 6 0 高 强钢以其优良的性能，如高强度、耐高温、耐低温、耐腐蚀等满足了焊接 结构多方面的要求，并在舰船、工程机械、石油管线、锅炉及压力容器、 桥梁、汽车、火车、发电设备等领域得到了广泛的应用。低合金高强钢随 着性能的不断改善，在许多结构方面的应用已占相当大的比例，特别是海 洋用钢、建筑用钢等方面。近几年国外在不同结构上使用低合金高强度钢 查堕里三查堂堂竺笪- 三兰_ 一 的比例列于表1 1 中1 2 1 。 表1 一l 低合金高强钢在不同结构中所占的比例( ) t a b j 一1p e r c e n to f h s l a i nd i f f e r e n tf i e l d s ( ) 1 2 新一代低合金高强钢的主要特点 新一代低合金高强钢的特点是超细晶粒、超洁净度、高均匀性，其强 度和寿命比原同类钢种提高一倍。超细晶粒是指钢材晶粒尺寸达到0 1 - 1 0 “m ；超洁净度是指钢中s 、p 、0 、n 和h 等杂质元素的含量降低到o 0 0 5 以下；高均匀性是指钢材的成分、组织和性能的高度均匀，并强调了组织 均匀的主导地位1 3 1 。新代低合金高强钢主要通过冶金处理和各种强化途 径来实现其强韧性。 1 2 1 新一代低台金高强钢的冶金特点 1 洁净化 钢材的洁净化具有两个含义，一是最大限度地去除钢中s 、p 、o 、n 、 h ( 有时包括c ) 等杂质元素；二是严格控制钢中夹杂物的数量、成分、 尺寸、形态及分布。钢的洁净化能够显著提高钢材的强韧性和焊接接头的 抗裂性，使钢材的焊接性得到明显提高，当然要求焊缝也必须洁净化。目 前大工业生产中钢水的洁净度从普通钢的w ( s + p + o + n + h ) 2 5 0 1 0 6 降 s 。 查堡里王查羔兰蔓兰二l 低到经济洁净钢的w ( s + p + o + n + h ) 1 2 0 1 0 一。国外一些先进钢厂对s 、 p 、0 、h 、n 的总量已控制在5 0 x 1 0 寸以下，达到超洁净钢的水平，并且 有进一步降低的趋势。 2 细晶化 。 新一代低合金高强钢的细晶强化是采用多元微合金化和控轧控冷技 术较大幅度地细化晶粒来提高钢的强韧性。如7 0 年代生产的性能优良控 轧钢c r 钢c o n t r o l l e dr o l l i n g ) ，8 0 年代通过对轧制后立即加速冷却所生 产的t m c p 钢( t h e r m a l m e c h a n i c a l c o n t r o lp r o c e s s ) 。其基本思想是根据 轧制方法的不同，向钢中加入微量的t i 、m o 、v 、b 、r e 等合金元素中 的一种或几种，阻止高温奥氏体的长大，控制奥氏体的再结晶温度，增加 铁素体的形核率，并通过控轧控冷细化晶粒，从而达到细晶强化的目的。 1 2 2 靳一代低合金高强钢的强化途径 实现新一代低合金高强钢的强化主要有两条途径：热处理强化和合 金强化。 1 热处理强化 热处理是提高钢材强韧化最有效和最经济的方法之一。所谓热处理 强化是将钢板加热至奥氏体化温度，然后控制冷却速度得到晶粒细小，强 度和韧性比较好的组织。因为热处理可以细化奥氏体晶粒，使晶界增加， 抗塑变能力提高，从而提高钢材的强度。另外，通过热处理控制组织及其 形态也可以达到强化的目的，比如针状铁素体、低碳马氏体和粒状贝氏体 等。 2 合金强化 合金强化是新一代低合金高强钢的另一强化途径。钢中加入s t 、m n 、 c t 等台金元素，除了可以固溶强化基体外，还可使c c t 曲线向右移动， 奎堕墨三查堂兰垡j 玺皇二一 相同冷速下可获得更加细小的珠光体组织，以提高其强度。钢中加入强碳 化物形成元素n b 、v ，当它们固溶到奥氏体中去时，可使c c t 曲线向右 移动，起到延缓珠光体开始转变的作用。当形成第二相颗粒时，则起到析 出强化作用。另外，无论是固溶态还是析出态的n b 、v ，都可延缓奥氏 体再结晶，起到细化奥氏体晶粒，提高塑韧性的作用。 新一代低合金高强钢的发展趋势是：开发既具有良好焊接性能，又适 合于热处理的微合金钢，此种钢在合金元素强化的基础上，再经热处理可 得到更高强度，而塑性韧性不降低。 1 3 新一代低合金高强钢对焊接材料的要求 钢铁冶金技术的发展使低合金高强钢实现了洁净化、细晶化和力学性 能上的强韧化，这就要求与之匹配的焊接材料也必须实现洁净化和细晶 化，否则焊缝的性能将不能与新钢种匹配，从而成为焊接接头的薄弱部位。 因此，使焊接材料不断适应钢种的发展要求是亟待解决的重要课题。 1 3 ，1 新一代低合金高强钢的焊接性 由于新一代钢铁材料晶粒极度细化，焊接中面临的严重问题是焊缝的 强韧化、热影响区晶粒长大等。在我国新一代钢铁材料项目中，主要是针 对4 0 0 m p a 级和8 0 0 m p a 级超细晶粒钢解决上述焊接性问题，并从焊接材 料，焊接方法和焊接工艺等多方面进行综合解决【6 l 。 随着冶金技术的提高，新钢种的强度级别和焊接性能也在不断提高， 这就需要研发高质量的焊接材料与之相匹配，实现焊缝的强韧化。对于新 一代低合金高强钢的焊接技术，主要应向高效和自动化方向发展，在不提 高台金元素的条件下，强度、寿命均提高一倍，这不仅是钢铁材料的重大 变革，而且也对焊接技术和焊接材料的发展提出了新的挑战。 查壁里三奎! 兰l 堡生一 随着强度级别的提高，板厚的增大，钢材焊接的冷裂纹倾向增大。焊 接热影响区的软化和脆化往往是造成断裂，诱发灾难性事故的根源。因此， 如何避免热影响区的软化和脆化，保证该区域的强度和韧性是确保安全运 行的关键问题之一。 1 3 2 新一代低合金高强钢对焊接材料的要求 基于新一代低合金高强钢自身的特点。对焊接材料也提出了相应的要 求。 1 焊缝金属的洁净化 焊缝金属的洁净化是与钢板洁净化的含义相对应的，焊缝金属的洁净 化同样意味着焊缝金属中的s 、p 、n 、h 、o 元素的含量尽可能低，而且 还要控制焊缝中夹杂物的数量、种类、形态、尺寸及分布。这样不仅可以 显著提高焊缝金属的冲击韧度，而且还可以降低焊缝金属的裂纹倾向。实 现焊缝金属洁净化的主要途径有： a ) 对杂质含量进行严格的控制，通过冶炼技术实现焊接原辅材料的 洁净化。 b ) 优化配方及工艺参数，利用焊接冶金反应进行脱氧、脱硫、脱磷、 脱氮和除氢。 c ) 通过焊缝的微合金化、洁净化和使焊缝中出现大量的针状铁索体， 达到显著提高焊缝金属的强韧性和抗裂纹扩展能力的目的。 2 焊缝金属的强韧化 焊缝金属的强韧化主要是通过合金化控制焊缝的组织实现的。对 4 0 0 m p a 级的调质钢，只要通过调整焊缝组织使其获得细小的针状铁素体 即可获得理想的强韧性，而对于8 0 0 m p a 级的高强钢，要实现焊缝金属与 母材的等匹配较为困难。因为随着强度级别的提高，碳当量增大，焊缝的 冷裂倾向增大，因此要实现焊缝的强韧化，避免冷裂纹，需开发与母材性 奎垦墨三盔堂兰l 竺l 主一 能相匹配的焊接材料，但国内目前在这方面尚无成熟的经验。 1 4 本课题的研究背景及意义 在现代科技高度发展的时代，强大的军事装备是一个国家独立富强的 首要保证，而军用车载桥梁作为应急工程结构，是评价一个国家军事装备 不可忽视的重要指标之一。所谓应急工程结构是指在紧急情况下以保证强 度和稳定性为主，使用期限较短、便于拆换、能快速建成的临时工程结构。 应急钢桥包括固定式桥( 拆装式钢桥) 、浮桥( 舟桥) 和冲击桥( 架桥坦克) 等军用桥梁系列，也称军用桥梁族，主要用于部队和车辆强渡江河、穿越 峡谷、跨过沟壑等。与普通桥梁相比，军用车载桥梁除了技术要求外同时 还要满足一定的战术指标要求，可以说，军用车载桥梁是桥梁结构在军事 领域中的延伸，除与一般桥梁有其共性外，还具有快速性、机动性和多用 性等特点。特殊的使用场合和严酷的服役条件要求军用车载桥梁不仅强度 高，耐冲击，保证车辆可以迅速安全地通过天然峡谷、反坦克壕和天然雷 区，而且必须尽量减少自身的重量，便于运输和快速安装。这就对钢桥制 造过程中金属材料、制造技术和焊接工艺提出了挑战。 基于军用车载桥梁服役条件的特殊性和严酷性，对钢材的强度提出了 挑战，要求所选钢材强度级别高，在不增加钢桥自身重量的前提下具有足 够高的强度，可以承担汽车、坦克的重量；其次钢材要具有优异的加工工 艺性能，尤其是焊接性，确保接头具有与母材同样的力学性能，主要是塑 性、低温冲击韧性和抗疲劳特性。在我国随着冶金技术的提高，新钢种的 性能也不断提高，但是由于缺乏与之相匹配的高质量的焊接材料，难以实 现焊缝的强韧化。同时由于我国大多数新钢种主要是靠添加合金元素来提 高钢材的强度的，众所周知，大量的合金元素可以提高钢材的强度，但是 也影响了钢材的焊接性，随着合金元素含量的增加，焊接裂纹倾肉增大， 查壁堡三查兰堂鱼丝塾 焊接工艺复杂，难以向焊接的高效化和自动化方向发展。而目前国内应用 比较成熟的低合金高强钢强度级别主要是6 0 0 m p a ，难以满足军用车载桥 梁的要求，因此需要引进新的钢种。 w e l d o x 9 6 0 高强钢是由瑞典s s a b 公司的子公司o x e l o s u n d 公 司研制生产的低合金高强度钢，主要特点是含碳量低，合金元素含量低， 经调质处理后( 淬火+ 回火) 屈服强度高达9 6 0 m p a 以上，并且具有好的 冷弯性能、优良的焊接性和低温冲击韧性( 在- 4 0 c 冲击功为2 7 j ) ，综合 性能优异，比较适合于在严酷条件下服役。 基于w e l d o x 9 6 0 高强钢优异的焊接性能和机械性能，山西省绛县 五四零九厂计划使用该钢种开发新产品，用于军用车载桥梁的制造。本研 究是与五四零九厂合作开展w e l d o x 9 6 0 低合金高强钢焊接性的研究， 主要参照金属焊接国家标准对w e l d o x 9 6 0 高强钢接头的力学性能和抗 裂性进行试验，并通过对接头的性能和微观组织进行分析研究其强化、韧 化机理，合金元素对其热处理和焊接性能的影响以及钢材的焊接适应性， 为合理地开发和使用低合金高强钢提供技术依据。 1 5 本课题预期达到的目的 1 了解低台金高强钢的国内外发展和使用情况。 2 了解w e l d o x 9 6 0 高强钢的强化途径和工艺措施。 3 掌握w e l d o x 9 6 0 高强钢的综合机械性能和焊接性能。 4 保证采用w e l d o x 9 6 0 高强钢开发的产品的质量和使用性能。 5 加快国产新代钢种及匹配焊接材料的进一步开发。 太原理工大学学位硷、支 第二章w e l d o x 9 6 0 高强钢的生产工艺及性畿 科举技术的不断发展对工程结构和机械零件所使用的钢材的性能提 ! 出了端来蓥齑的要求，不较要具有高盼强度，而且要兼有鼬睁的塑性、韧 性和优异的爆揍工艺性能，w e l d o x 9 6 0 高强钢属于o x e l o s u n d 公司 生产的w e 鼍冱) 0 x 系列调质结构用钢，屈服强度大于9 6 0 m p a ，具有优异 的综合枫械性能，可望在我国的焊接结构生产中得到广泛使用。 2 1 w e l d o x 9 6 0 高强钢的生产工艺 占有瑞典钢铁产量一半的s s a b 公司是一家比较典型的长流程工艺生 产企业，主要研制、加工和销售中厚钢板。该公司拥有全世界最先进的连 续轧制淬火四辊轧机，生产出的钢板尺寸精度高，综合性能好，具有高硬 度、高强度、高韧性，以及表西高平整度和优良的加工性能，在世界各个 领域得到了广泛的虚用。 本课题采用的钢板w e l d o x 9 6 0 高强钢是由瑞典s s a b 公司的子公 司o x e l o s u n d 公司研制生产的结构钢板，主要特点是含碳量低，合金 元素含量低，强度高。钢板经过调质( 淬火+ 回火) 处理后组织为低碳回火 马氏体，晶粒细小，平均晶粒尺寸为5um ，综合性能优异，在高强度的 焊接结构中如车辆、铁路、桥梁、起重装置和伐木工具等领域中得到广泛 应用。 w e l d o x 9 6 0 高强钢主要是遁过糖炼降低杂质元素s 、p 含量，精确 控制食金元素含量，加上形变热处理后调质处理( q d 等手段生产出来的。 形变热处理后调质处理是提高材料强度的最有效方法。 2 t 1w e l i ) o x 9 6 0 高强钢的藕制工艺 s s a b 在w e l d o x 9 6 0 板坯的冶炼和铸造中采用传统的冶金工艺和 现代连铸技术相结合，：经过冶炼一妒外精炼一连铸一控轧、控冷盼生产工 艺，生产氆韵钢扳成分精确，残留先素含量非常低，铁水经过预赴理后硫 的含量可以降奎a 0 1 5 盔右，”炉外精炼进一步使硫含量降至0 0 0 3 。另 外镛坯在避入连耗榄组的耱轧机之前，都要经过高压水除鳞，连轧机各个 辊道全韶采用滚动式轧错淬火辊遒代替纂_ 来的静态乳带! 淬火辊道，轧制采 用高刚度、无扭、无张力( 或徽张力) 连轧，钢板裁剪采用激光一微机控 制自动剪切，因此产品表面质量高，尺寸精确，这些都为产品良好的综合 性脆奠定了基础 w e l d o x 9 6 0 高强铜优异的综合性能除了先进的冶炼技术和精密的 轧辊机外，轧制一淬火设备是保 正产品屣量的关键因素。该钢在轧制淬火 过程中，为了保证及时淬火，尽量减小加热炉和淬火装置之间的温差，奥 氏体化加热炉和淬火装置紧紧相邻。轧制时先将板坯均匀加热到1 2 0 0 ( 2 ， 经四麓轧机乳制后进行空冷为了保证钢板的轧制精度( 误差不超过 o 3 翱m ) ，轧辊加工车阃采用全封闭式恒温均温操作，以保证轧辊不至于 因环攘馘的微小差异而产生尺寸偏差，同时严格控制气氛，防止钢板被 氧化，影嗡鲷板的表面质量和综合性能。适宜的轧制温度保证了尺寸的精 确，为形成羼续冷却需要的金晨组织结构奠定了基础。 j - 2 1 2w e l d o x 9 6 0 高强钢的淬火和退火工艺 钢板轧制完成后首先进行空冷，然后送到淬火段。板坯在奥氏体化加 热炉中扳坯被棚热至9 0 0 ，从加热炉出来后立刻进入连续轧制淬火装置。 与传统盼静态淬火装置有所不同，连续轧制淬火装置是指在整个淬火过程 中钢板一直处于运动状态。静态淬火装置和连续轧制淬火辊道分别如图 1 2 i 奎堕堡三盔兰堂j 生兰二兰_ 一 2 - 1 所示1 8 】： 图2 1 静态淬火装置和连续轧制淬火装置的区别 f i g 2 - 1d i f f e r e n c eb e t w e e ns t a t i cq u e n c h i n gp l a n ta n dc o n t i n u o u s r o l l e rq u e n c h i n gp l a n t 与静态淬火工艺( 图a ) 相比，在连续轧制一淬火工艺中( 图b ) ，钢板在 运动状态下进行均匀连续的淬火，淬火温度均匀，使钢板在轧制中由于变 形不均匀产生的内应力大大减小，板坯成型美观，板坯的表面质量好，同 时也提高了扳坯的加工性能。而对于传统的静态淬火工艺，由于板坯在淬 火过程中被固定在钢锭之间。该部分不能正常淬火。生产出钢板表面不平 查璺墨三查堂堂堡笪三王一 整，淬火不均匀，而且内部存在残余应力等缺陷。 锅板从加热炉出来后先进入高压喷水连续冷却辊道，辊道的温度极 低，板坯可以迅速从9 0 0 c 降至u 较低的温度，从而保证了轧制质量。然后 钢板进入长的低压喷水连续冷却辊道继续轧制淬火直至室温。钢板在整个 轧制淬火过程中都处于运动状态。独特的轧制淬火工艺，使w e l d o x 9 6 0 高强钢的强度大幅度提高，耐磨性大大增加，因此可以适当降低钢材中合 金元素的含量，尤其是c 、m n 、c t 元素的含量，从而降低碳当量，改善 钢材的焊接性，可以达到在不增加含金元素的情况下改善钢材的性能，即 所谓的以水实现钢材合金化的目的。 w e l d o x 9 6 0 高强钢淬火后立即进行回火得到强韧性较好的回火索 氏体和少量的低碳马氏体组织，具有高强度、高硬度与较好的塑性和缺口 冲击韧性，加工性能和焊接性能良好。 w e l d o x 9 6 0 高强钢的热处理工艺如图2 2 所示【8 1 。 图2 - 2w e l d o x 9 6 0 高强钢的热处理工艺示意图 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f w e l d o x 9 6 0h e a tt r e a t m e n tp r o c e s s i n g 1 4 查堡墨三垄兰兰j 生兰j 生一 2 2w e l d o x 9 6 0 高强钢的机械性能 w e l d o x 9 6 0 高强钢由于含碳量低，合金元素含量低，化学成分精确 ( i e a nc h e m i c a lc o m p o s i t i o n ) ；残留元素含量非常低，通过冶金技术最大 限度地控制钢中s 、p 、o 、n 、h 等杂质元素的含量和钢中夹杂物的数量、 成分、尺寸、形态及分布，因此具有良好的综合机械性能。 2 2 i w e l d o x 9 6 0 高强钢的冶金特点 与传统的合金结构钢相比，w e l d o x 9 6 0 高强钢碳含量低，合金元素 含量低，c 、s 、p 等杂质元素得到有效控制，因此焊接时液化裂纹和结 晶裂纹倾向很小。低夹杂，均匀是钢材良好成型的先决条件。w e l d o x 9 6 0 高强钢的化学成分见表2 1 。 袭2 - 1w e l d o x 9 6 0 高强钢的化学成分( w t ) t a b2 - 1c h e m i c a lc o m p o n e n to f w e l d o x 9 6 0 ( w t ) + ) 口：c + 丝+ c u + n i + c r + m o + v 7 1( 2 i ) 61 55 均匀的合金成分和优良的加工性能相结合，使得w e l d o x 9 6 0 高强 钢具有高韧性( 其韧性几乎相当于普通钢板的2 倍) ，优异的弯曲性能、冲 击韧性和抗裂纹性能。w e l d o x 9 6 0 高强钢调质后具有良好的综合机械 性能，除了冶炼轧制技术外，主要还与其合金元素和调质处理后的组织有 关。在控制合金元素方面o x e l o s u n d 公司主要采取的措施如下： 查曼里三查兰堂堡堡奎 1 控制钢中s 元素的含量 由于钢中的s 元素与m n 元素易结合形成m n s ，而m n s 比较软，在 轧制过程中易形成带状组织，这大大地破坏了钢材的韧性和弯曲性能。所 以在w e l d o x 9 6 0 钢材中加入一定量的c r 和c e 进行脱s 处理。因为s 更容易和c r 、c e 结合形成c r s 和c e s ，然后随钢渣一起排出，从而大大 降低了s 的含量。而残余的c r s 和c e s 由于比较硬，在轧制过程中保持 细球状，这种形状相对于带状组织而言，对钢材的韧性是极其有利的。 w e l d o x 9 6 0 高强钢中s 含量一般控制在0 0 0 4 以下。 2 加入少量的b 元素 在w e l d o x 9 6 0 高强钢的设计中，向钢中添加c r 、n i 、b 等少量合 金元素，可以提高钢的强度、改善钢的焊接性和耐磨等力学性能。研究发 现1 5 】，当钢中含有微量的b 元素时，可以大大地提高钢材的硬度，从而达 到降低钢中c 和合金元素含量的目的，同时通过适当增加b 的含量还可 以大大改善钢材的焊接性。 3 加入可以提高淬透性的元素 对调质钢而言，合金化的主要目的是提高钢的淬透性，w e l d o x 9 6 0 高强钢中加入了可以提高淬透性的元索m n 、c r 、m o 、b 、s i 、n i ，淬火 后得到低碳马氏体，使钢材具有良好的机械性能。 4 加入防止第二回火脆性的元素 调质钢的回火温度正好处于第二类回火脆性温度范围内，钢中含有 m n ，c r 、b 、n i 元素时，会增大其对回火脆性的敏感性。回火后快速冷 却，加入抑制回火脆性的元素m o 可以保证使w e l d o x 9 6 0 高强钢具有 优异的综合性能。 查堕墨三盔兰兰垒j 垒三| _ 一 2 2 2w e l d o x 9 6 0 高强钢的机械性能 w e l d o x 9 6 0 高强钢的机械性能见表2 - 2 ，2 - 3 嘲。 表2 - 2w e l d o x 9 6 0 高强钢的机械性能 t a b 。2 - 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw e l d o x 9 6 0 f n ob ( n m mh b 屈服强度a 。m m 。) 抗拉强展) 最向馒发 9 6 0 1 0 5 0 9 8 0 11 5 0 3 2 5 延伸率 a 5 r a i n ( 哟a 蛐m i n ( ) 1 21 5 v 型缺口冲击韧性a k v ( j ) 0 2 0 4 0 3 53 0 2 7 备注：a 5 表示拉力棒的尺寸是l o = 5 d o ，a 表示拉力捧的尺寸是l o = 5 0 d o 。 表2 - 3w e l d o x 9 6 0 高强钢的弯曲性能 t a b 2 - 3b e n d i n gp r o p e r t i e so f w e l d o x 9 6 0 备注：r 为压辊上模半径。w 为下模开口宽度，t 为钢板厚度，j - 表示沿垂直于轧 制方向进行弯曲，表示沿平行于轧制方向进行弯曲。 2 3w e l d o x 9 6 0 高强钢的强化机理 w e l d o x 9 6 0 高强钢主要通过细化晶粒、加工硬化和合金强化三种途 径提高其强度的。 2 3 1 晶界强化 晶界强化主要是通过细化晶粒来实现的。在常规的钢材强化途径中， 只有细晶强化可以使金属的强度和韧性同时提高。细化晶粒可以增加晶 界，晶晃的主要作用是阻塞位错运动，晶粒越细，晶界越多，阻塞位错滑 移的作用就越大，结果可以使金属材料的屈服强度升高。细化晶粒不仅可 1 7 查墨翌三查兰堂堡堡旦 以提高钢的强度，而且可以提高钢的塑性和韧性关于金属的屈服强度。 与晶粒直径d 之间的定量关系可以用h a l l p e t c h 公式【9 】来描述： 仃：盯，+ 巧蚓”2 拓 ( 2 2 ) l 万 式中s 为晶界上“坎”的密度，k 为与位错分布有关的试验待定常数a 从公式中不难发现材料的屈服强度和晶粒尺寸的平方根成反比，即晶粒越 细，材料的屈服强度就越高，晶粒的大小对材料的力学性能有重要的影响。 实践证明当晶粒的尺寸小于5 um 时，不仅强度显著提高，韧性也有很大 改善。因此在生产中要对材料的晶粒度提出要求，通过技术条件和热处理 规范控制材料的晶粒度。在w e l d o x 9 6 0 高强钢的生产中主要采用提高 冷却速度和控制变形程度达到细化晶粒的目的。 晶界阻碍变形的能力并不是由于晶界具有很高的强度，主要是由于晶 界两边的晶粒取向不同，滑移一般难以从一个晶粒直接传播到取向不同的 另一个晶粒。另外晶界的变形必须满足连续性条件，即一个晶粒的形状变 化必须有临近晶粒的协同动作，以保持晶粒之间微观结构上的连续性，因 两这就需要更高的外加应力来开动某个滑移系，宏观上体现为材料的强度 增加。 2 3 2 应变强化 应变强化又叫做加工强化或加工硬化，是指通过塑性变形( 轧制、挤 压、锻造、拉伸等) 使合金获得高强度的方法l l o 。塑性变形时增加位错 密度是钢材加工硬化的本质。加工硬化的原因主要是在变形过程中随着位 错密度的增加，位错在运动中相互缠结、相互交割，形成固定割阶，从而 阻碍了位错的运动，引起变形抗力的增加，使金属塑性变形困难，从而提 高了金属的强度。据统汁，金属强烈变形后，位错密度可由1 0 6 根c m 2 增 奎垦矍三查堂堂笙二蔓一 至1 0 1 2 根c r n 2 以上w 。随着合金中位错密度增大，继续变形时位错在滑 移过程中相互交割的机会增多，相互问的阻力也增大，因而变形抗力就越 大，合金达到强化。 2 3 3 固溶强化 溶质原子溶入基体金属中总是提高其变形抗力，这种作用称为固溶强 化。所有可溶性合金化组元甚至杂质都能产生固溶强化。然而，单是这一 种方法不能获得特别高的强度，不过它带来的塑性损失要比其他方法小。 固溶强化来源于溶质原子对位错的钉扎作用和增加位错运动的摩擦 阻力，这种作用包括位错与溶质原子间的长程交互作用和短程交互作用。 固溶强化作用大小取决于溶质原子浓度、原子相对尺寸、固溶体类型和电 子因素。 圆溶强化又分为间隙式固溶强化和置换式固溶强化。c 、n 等溶质原 子嵌入a - - f e 晶格的八面体间隙中，使晶格产生不对称畸变造成强化效 应。间隙式固溶强化对铁索体基体强化效应最大，对韧性、塑性的削弱也 很显著。置换式固溶原子在基体晶格中造成的畸变大都是球面对称的，因 而强化效能要比间隙式原子小。当溶质和溶剂原子直径相差比较小，化学 性质也较类似时，置换原子的溶解度极限可以很大，但强化效应却很小。 随着元素类型的不同，强化效能相应发生变化。置换式固溶强化对铁索体 的强化作用小，但是却不削弱基体的塑性、韧性。 2 3 4 沉淀强化 凡是固溶度随温度而变化的合金，当从单相区进入两相区对，就会从 饱和固溶体中析出沉淀相或者形成溶质原子高集的过渡相，这个过程称为 沉淀或者脱溶。如果从高温淬火得到过饱和固溶体，则在适当温度经过一 定时间后也会发生沉淀过程，即时效。在沉淀过程中常常伴随着强度的提 1 9 奎堡里三奎兰堂生兰二生一 高。强度提高的程度主要取决于沉淀物质点