（材料学专业论文）超低碳贝氏体钢焊接性能研究.pdf

摘要 摘要 本文针对鞍钢工业生产的h q 5 0 0 d b 和h q 6 2 0 d b 超低碳贝氏体钢，采用 裂纹敏感性指数、焊接热影响区最高硬度试验和斜y 形坡口拘束焊接裂纹试 验对其焊接冷裂纹敏感性进行了评价；采用焊接热模拟方法研究了模拟焊 接热影响区组织和低温冲击韧性随线能量的演变规律；采用自行研制的 y s 8 0 0 焊丝，对气体保护焊接头的力学性能进行了工艺评定。模拟了焊前预 热、焊前不预热和焊后激光热处理等三种不同条件下激光焊接热影响区的 热过程，对其组织和力学性能进行了分析和测试。 结果表明，超低碳贝氏体钢焊接热影响区具有较低的淬硬倾向和冷裂 纹敏感性，当板厚为2 0m n l 时焊前无需预热；该钢种适应于小线能量焊接 工艺，其最佳线能量范围为1 4 2 5k j c m 1 ，采用线能量1 8k j e m 。的气体保 护焊时接头具有优异的拉伸、冷弯和低温冲击性能；随焊接线能量增大， 模拟焊接粗晶区原奥氏体晶粒尺寸增大，贝氏体铁索体板条宽化，有效晶 粒尺寸粗化，导致该区域的冲击韧性下降；超低碳贝氏体钢模拟激光焊接 热影响区的硬度远高于母材，采用焊前预热和焊后激光回火，能显著降低 该区域的最高硬度和硬度梯度。 关键词超低碳贝氏体钢：焊接热影响区；组织；性能；激光焊接 燕山人学上学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ew e l d a b i l i t yo ft w oc o m m e r e i a lu l t r a - l o wc a r b o nb a i n i t i cs t e e l h q 5 0 0 d ba n dh q 6 2 0 d bo f f e r e db ya n s h a ns t e e lw a se v a l u a t e du s i n ga c o m b i n a t i o no fc a l c u l a t i o no fc r a c k i n gs u s c e p t i b i l i t yi n d e xp c m ，r e s t r a i n e d y - g r o o v ed e p o s i t i n gt e s t ，h a zm a x i m u mh a r d n e s se v a l u a t i o nt e s t n e m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t ye x a m i n a t i o n so nt h eg l e e b l es i m u l a t e d c o a r s e g r a i nh e a t a f f e c t e dz o n e s ( c g h a z ) o f u n i v e r s a la r cw e l d i n g ，a sw e l la s ， h i g hp o w e re n e r g yl a s e rw e l d i n ga n dt h eg a s m e t a l a r c w e l d e d ( m i g ) j o i n tw a s a l s oc a r r i e do u t i ti ss h o w nt h a tt h e s et w os t e e l sh a dal o wh a r d e n a b i l i t ya n dc o l d - c r a c k i n g s u s c e p t i b i l i t yd u r i n gw e l d i n gu n d e r ap r e h e a t i n gt e m p e r a t u r eo f5 0 。co ra b o v e a n dal a r g er e s t r a i n t w h e nae n e r g yi n p u ta sl o wa s1 4 - 2 5k j c m lw a si m p o s e d ， t h ec g h a zw a sm a i n l yc o m p o s e do ff i n el a t h l i k eb a i n i t i cf e r r i t ep o c k e t sw i t h d i f f e r e n td i r e c t i o n si no c c u p a t i o ne a c ho t h e r , ac o n s i d e r a b l ea m o u n to fr e t a i n e d a u s t e n i t ei n t e r l a y e ra n das m a l la m o u n to fm ac o n s t i t u e n ti nt h ep r i o ra u s t c n i t e g r a i n , w h i c hr e s u l t e di nat o u g hm i c m s t r u c t u r e 、v i t i lh i 曲r e s i s t a n c et ob r i t t l e c r o c k i n g e x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sc a r lb eo b t a i n e db yu s i n gy s 8 0 0 w e l d i n gw i r ea st h ef i l l e rm e t a la n d1 8k j + c m “o rs oa st h eh e a ti n p u te n e r g y t h e1 1 i g hp o w e rl a s e rw e l d i n gi ss u i t a b l ef o rt h i st y p eo fs t e e lf o rt h er e a s o na t o u g h e ra n dal i t t l eh a r d e rh a zc o u l db eo b t a i n e d ，船w e l la s ，t h em a x i m u m h a r d n e s sa n dt h es t e 印h a r n e s sd i s t r i b u t i o nc o u l db es o o t h e db yb o t hp r e h e a t t r e a t m e n ta n dl a s e rt e m p e r i n ga sa na c c e s s o r i a lo p e r a t i o n k e y w o r d su l t r al o wb a i n i t i cs t e e l ，h a z ，m i c r o s t r u c t u r e ，p r o p e r t i e s ，l a s e rw e l d i n g 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文超低碳贝氏体钢焊接性 能研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研 究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字 王亚赤豫日期：伽僻j 月f 日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 超低碳贝氏体钢焊接性能研究系本人在燕山大学攻读硕士学位期间 在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有， 本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完全了解 燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送 交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部 分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密面 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：王毛楠 日期：伽辞3 月f 目 导师签名：日期：枷；年月 目 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题的背景和意义 现代超低碳贝氏体钢( u l t r a - l o wc a r b o nb a i n i t i cs t e e l ，u l c b ) 是一类高强 度、高韧性、多用途新型钢种。它的出现是近三十年来社会需求和现代冶 金技术发展的必然结果。由于这类钢中的碳含量已大幅度降低，因而彻底 消除了碳对贝氏体组织韧性的不利影响。在经历控轧控冷( t m c p ) 和驰豫一 析出一控制相变技术以后，可以得到极细的、含有高位错密度的贝氏体基 体组织。钢中的组织一般为细板条贝氏体及少量不规则粒状贝氏体或针状 铁素体。不同位向且相互交错的细板条束分割了形变奥氏体晶粒，从而细 化了钢的有效晶粒尺寸。因此，该钢具有良好的塑性、韧性和可焊性等综 合性能【”，可望广泛运用于工程机械、桥梁和船体等大型重要焊接结构的制 作。 但是，钢在经历快速加热与冷却的焊接热循环过程时，在近缝区存在 a v a 相变及奥氏体晶粒长大过程，将使细化的原始组织形态发生变化【3 j ， 并因此将导致焊接热影响区( h e a ta f f e c t e dz o n e ，h a z ) 不再具有母材优异的 力学性能，从而影响到焊接结构的整体服役性能。其中，主要的焊接冶金 问题发生在焊接热影响区中的粗晶区( c o a r s eg r a i nh e a ta f f e c t e dz o n e ， c g h a z ) 嗍。 晶粒粗化一方面导致c g h a z 塑性下降、脆性倾向增加，在焊接应力 的作用下，有可能在焊接接头根部的c g h a z 产生开裂。尽管这类钢的碳 含量已大幅度降低，但由于采用v 、n b 、t i 和b 微合金化和适量c u 的时 效强化，而这些元素会增加钢的碳当量，因此，有必要对超低碳贝氏体钢 的焊接冷裂纹敏感性进行评价。 晶粒粗化还造成c g h a z 冲击韧性大幅度降低【5 i 。晶粒粗化的程度取决 于焊接热输入量的大小。当采用较小的焊接线能量时，焊接热输入量小， 晶粒粗化的程度相对较低。因此，降低焊接线能量有利于改善c g h a z 的 燕山大学工学硕+ 学位论文 冲击韧性。但是降低焊接线能量会以降低焊接生产效率为代价。因此，有 必要对不同焊接线能量下c g h a z 的组织及其对低温冲击韧性的影响加以 研究，并在此基础上，对焊接工艺加以优化，确定超低碳贝氏体钢适宜的 焊接工艺嘲。 般来说，c g h a z 的冷裂纹敏感性和冲击脆断倾向可以采用实际焊接 和热模拟焊接的方法来分别加以评定。其中，采用焊接热模拟，可以再现 实际焊接热影响区中某一特定区域所经历的焊接热循环过程，从而扩大该 区域，便于快捷而低成本地对其进行组织观察和力学性能测试。本文将首 先采用焊接热模拟方法对不同线能量c g h a z 的淬硬倾向和冲击脆断倾向 进行评价。在此基础上，优选适宜的焊接工艺。然后，采用标准斜y 坡口 拘束焊接试验和实际接头的力学性能测试对模拟试验结果进行验证。 本文在超细化低碳贝氏体钢焊接冶金方面所开展的研究工作，必将积 极推动超低碳贝氏体钢的研究、丌发生产和运用的进程。无论在探讨超低 碳贝氏体钢焊接热影响区中贝氏体形态学理论，还是在解决贝氏体钢实际 运用问题方面都将具有重要的意义。 1 2 超低碳贝氏体钢简介 热轧控冷超低碳贝氏体钢是国际上近2 0 年来发展起来的一大类高强 度、高韧性、多用途焊接性能优良的新型钢种，被国际上称之为2 1 世纪钢 种【7 4 】。它是现代冶金生产技术与物理冶金成果相结合的产物。这类钢利用 现代的炼钢方法，采用钢包精炼及连铸，通过高温非结晶区控轧得到高度 畸变的奥氏体晶粒，钢中加入提高淬透性的元素( m n ，c u ，m o ，b ) 在轧后 控冷条件下，变形奥氏体会转变为细小的各种形态的贝氏体板条状组织， 从而使钢材的屈服强度提高很多。由于这种钢含碳量降到o 0 3 一0 0 4 左 右碳含量大幅度降低，因而彻底消除了碳对贝氏体组织韧性的不利影响 2 2 - 2 4 。这类钢的强度不再依靠钢中碳含量，而主要通过细晶( 组织) 强化，位 错及亚结构强化，铌、钛、钒微合会元素析出强化，以及, 8 - c u 沉淀强化等 方式来保证，钢的强韧性匹配极佳，尤其是具有优良的野外焊接性能和抗 2 第1 章绪论 氢致开裂能力l l “”j 。同时从高强度及同时保持优良焊接性能出发，钢中的 碳含量必须明显下降。在这种基体组织的基础上，采用新型的中温转变组 织细化工艺，可以达到对新一代钢的全面要求。新一代低碳贝氏体钢的 发展简况要求微合余钢材料屈服强度比1 6 m n 钢提高一倍，即达到7 0 0m p a 以上，要求低成本、节能，并有良好的塑性、韧性、可加工性及可焊性 1 1 。 它的出现是近三十年来社会需求和现代冶金技术发展的必然结果。 1 2 1 超低碳贝氏体钢的发展背景和研究现状 以往低合金高强度钢主要是回火马氏体钢。它一般具有较高的碳含量 和合金含量。采用调质处理，其强度水平受碳含量和回火温度控制。随着 强度水平的上升，碳含量也随之上升。一般而言，这类钢经过恰当的淬火、 回火处理，可获得较好的常规力学性能，但低温韧性和焊接性能却较差【1 ”。 为降低制造成本，提高钢的综合性能，世界各国均做了大量的研究工作， 以解决钢强度水平的提高和焊接性能下降这一矛盾。 g r a v i l l e f l4 j 对高强度低合金( h s l a ) 钢焊接后热影响区冷裂纹的敏感性 和钢中碳含量以及计算的碳当量三者关系作了较为系统的研究，并按冷裂 纹敏感性把钢分成三个区域见图1 1 。当钢中碳含量在0 1 0 以下时( 即位于 区域i 中时) ，钢的碳当量对冷裂纹敏感性影响不大。即使钢中加入合余量 较多，碳当量较高时，钢种仍具有较佳的焊接性能。若把世界各国5 0 年代 至9 0 年代发展的不同级别钢种画在g r a v i l l e 图上，可以看到其发展轨迹是随 着钢的强度要求不断提高，为保证焊接性能明显改善，必须要把钢中碳含 量大幅度下降，特别是低碳贝氏体钢的出现，这种趋势更为明显了【l ”。 早在1 9 6 7 年，m e e r i l y 等人己注意到超低碳贝氏体的优越性 1 6 1 ，他意识 到要把由于碳化物和非金属夹杂形成的空洞造成的裂纹形核长大的影响降 到最小时，发展一种超低碳贝氏体钢是非常有利的，其开发出成份0 0 3 c ， 3 m o ，3 n i ，o 0 3 n b 的超低碳贝氏体钢，轧态屈服强度为7 7 0m p a ，具 有良好的低温韧性与焊接性能。随后在1 9 6 9 年，c o l d r e a ( 1 7 1 9 l 等人研究了 系列超低碳贝氏体钢m n s i m o c 系列，其屈服强度为5 5 0m p a ，韧脆转变 燕山大学1 学硕十学位论文 温度( f a t t ) 降至- 4 0 0 ，他同时指出，影响此类钢低温韧性的两个主要因 素是晶界f e 3 c 以及富碳的m a d , 岛。1 9 8 0 年= 1 本新日铁公司【2 0 1 将超低碳贝 氏体成功用于北极大口径高压力管线，其成份为0 0 2 c ，2 m n ，o 4 n i ， o 3 m o ，0 0 4 n b ，0 0 2 5 t i ，0 0 0 1 b ，采用控扎控冷工艺处理后，2 0m m 厚板屈服强度为5 5 0 m p a ，具有良好的低温韧性和可焊性。自此以后，日本 基本上形成了m n n b - b 系列超低碳贝氏体。八十年代后，以美国和加拿大 为主的国家开发了另一类超低碳贝氏体钢，即c u n b b 系超低碳贝氏体钢。 这类钢由于加入c u 作为合金元素，而产生c u 时效强化，其强度可达到较 高的水平( 屈服强度可达到9 0 0m p a ) ，同时具有良好的低温韧性和焊接性能， 而被广泛用于寒冷地区的油气管线，海洋平台及军用舰船的建造上 2 1 】。 磺当量 c e ( 碳当量) = c + ( m n + s i ) 6 + ( n i + c u ) 1 5 + ( c r + m o + v ) 5 0 图1 - 15 0 年代到9 0 年代各国钢种发展情况及典型钢种成分的变化【1 5 1 晦1 - 1d e v e l o p m e n tr o u t eo fs t e e l sa n dt h e i rt y p i c a lc o m p o s i t i o n sf r o m1 9 5 0 s 1 9 9 0 s 【1 5 1 我国超低碳贝氏体钢发展起步较晚，8 0 年代末北京科技大学与宝钢合 作开展了含铌超低碳贝氏体管线钢的研究，并在3 0 0t 转炉上进行了第一次 试生产。9 0 年代初北京科技大学与武钢开展了铌微合金化的d b 5 9 0 和 4 第1 章绪沦 d b 6 8 5 两个级别超低碳贝氏体工程机械用钢研究与开发。其中d b 5 9 0 已全 面投产，d b 6 8 5 已达到年产几千吨规模，应用于工程机械，采矿设备等方 面。1 9 9 5 年以来在武钢又进行了6 0 0 - 7 0 0m p a 级c u - n b - b 系超低碳贝氏体 钢的研究，特别是1 9 9 8 年国家9 7 3 项目启动，为了实现新一代超细化低成 本节能型钢种的丌发，发展了新型的t m c p + r p c 工艺控制技术，在含铌超 细组织的低( 超低) 碳贝氏体钢中，在实验性中试及大生产轧制条件下实现了 屈服强度达8 0 0m p a 级中厚板的试制【l 2j 。 近年来冶金生产技术的进步，如炉外精炼、真空脱气、压力淬火等技 术的发展，尤其是计算机自动控制技术在冶炼、轧制及热处理中的广泛应 用，为焊接结构用低碳钢的开发提供了重要的技术保证。 另外，超低碳贝氏体钢的开发应用对焊接材料、高效焊接方法、焊接 工艺以及焊接接头区域的使用性能，特别是抗断裂冲击韧性提出了更高的 要求。目前超低碳贝氏体钢焊接所需要解决的主要问题一是防止裂纹；二 是在保证满足高强度要求的同时，提高焊缝金属和焊接热影响区( h a z ) 的冲 击韧性。 1 2 2 超低碳贝氏体钢的组织和形态 低碳贝氏体钢常采用控冷技术，得到的主要是中温转变产物，如针状 铁素体、贝氏体及马氏体等。但目前对于这类组织仍存在有诸如形貌、形 成温度、各种组织的分类及定义等问题，有待迸一步解决。习惯上，人们 把贝氏体形态分为上、下贝氏体、粒状贝氏体及无碳贝氏体等，超低碳贝 氏体钢由于碳含量低，其组织形态属于无碳贝氏体。贝氏体板条之间无渗 体型碳化物，板条内亦无这类碳化物析出，扳条内存在大量的位错，而板 条的边界由位错墙构成，板条之间存在一些尺寸细小的残留奥氏体及m a 岛。 超低碳贝氏体钢的贝氏体晶粒极细。在快速冷却条件下，贝氏铁素体 板条的长大受到原奥氏体晶界的限制。在t e m 下，贝氏体晶粒一般是由不 同位向高密度位错板条组成，这些板条的宽度大约l 5p m 之间，板条 燕山大学上学硕十学位论文 长度在不同冷却条件及不同钢种中也有变化。钢中的成分和生产工艺不同， 超低碳贝氏体钢的组织也将不同。通常超低碳贝氏体钢在连续冷却条件下 获得的组织是贝氏体、残余奥氏体、碳化物或马氏体的混合物，因此，超 低碳贝氏体钢的组织也可以称之为超低碳复合组织。以成分c r 0 4 8 m n 0 9 5 ， p 0 0 0 2 ，s o 0 0 2 ，c o 0 2 4 ，n i 3 5 4 ，m e l 7 6 ，n b 0 0 5 0 ，n o 0 0 9 ( w t ) 的超低 碳贝氏体钢为例。低倍光学显微镜下，超低碳贝氏体钢组织的显著特征是 原始奥氏体晶界沿轧制方向平行排列，呈直线条纹状；晶粒大小不一，形 状各异，可以用粒状贝氏体来进行描述。但是，其本质特征并非如此。通 过t e m 观察，超低碳贝氏体钢组织精细结构的突出特征可描述如下： ( 1 ) 典型的超低碳贝氏体钢贝氏体晶粒是由具有细小亚结构的贝氏铁素 体组成的，上面均匀分布着少量的富碳二：次相。这些二次相处于贝氏铁索 体板条束中，基本七都是由m a 组元组成。由于束状结构内，贝氏铁素体 亚结构的边界是小角度界面，在光学显微镜下几乎或根本看不到铁素体边 界，因此其光学组织形貌特征是二次相粒子散布在单个的铁素体晶粒内。 但是，事实上，这些二次相是由位向基本一致的铁索体晶粒之间的残余奥 氏体和马氏体组成的； ( 2 ) 贝氏铁素体的基本结构单元是一系列的板条，板条边界由位错墙组 成；板条的整体形貌与回复时形成的亚晶粒或胞状亚结构相似，两者之间 明显的区别在于板条自身含有大量的位错： ( 3 ) 板条的长轴方向与变形奥氏体的长轴方向一致； h ) 尽管能够发现一些残余奥氏体与m - a n 元，但是它们出现的几率很 小，数量也很少； ( 5 ) 热轧状态下，能够看到的唯一沉淀相是n b ( c n ) ，其尺寸、分布、位 置表明，这些沉淀物形成于控轧过程中的奥氏体阶段，以通常在铁素体、 珠光体中经常可以看到的那种方式形成。另外，可以注意到，在轧制条件 下，并没有层f g j n b ( c n ) 、e 碳化物或f 0 3 c 被发现。k a l i s h 与c o h e n 的工作也 证明这点。他们曾经指出：只要位错密度达到大约2 1 0 。2c m “2 ，在碳含 量0 1 2 的钢中，e 碳化物在马氏体中的析出就会被抑制。另外， b h a d e s h i a 曾估计，在碳含量 2 8 a k v ( 2 0 ) 1 0 0j ( 不同厚度及不同回 火温度1 。这一钢种目前还在进步积累经验及数据，已用于工程机械，采 8 第1 章绪论 挖设备，舟桥及载重汽车方面。 表1 - 3 典型超低碳贝氏体钢力学性能【2 7 1 t a b l e1 - 3t y p i c a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f u l c bs t e e l 2 7 样呼屈服强度m p a抗张强度m p 8延伸率6 屈强比 1 45 7 756 5 02 0508 8 8 2 #5 9 26 8 22 00 8 7 3 。 5 6 66 2 32 280 9 7 4 #5 9 06 7 51 850 8 7 4 5 46 3 0 7 7 5l708 7 7 1 3 超低碳贝氏体钢的可焊性 超低碳贝氏体钢强韧化机制独特，其目的是为了在不降低强度的前提 条件下，获得优良的焊接性、低温韧性、及适应高效率的焊接工艺方法。 作为一种新型的结构材料，必须综合考虑其自身的焊接性及整个焊接接头 的性能。 1 3 1 超低碳贝氏体钢焊接热影响区的组织和性能 焊接时母材热影响区上各点距离焊缝的远近不同，各点所经历的焊接 热循环不同。根据h a z 经历的不同焊接热循环的峰值温度，可将h a z 分 为熔合区，过热区，相变重结晶区，不完全重结晶区。各区域会出现不同 的组织，因而也具有不同的性能。焊缝和焊接热影响区不同，焊缝可以通 过化学成分调整再配合适当的焊接工艺来保证性能的要求，而焊接热影响 区不可能进行成分上的调整，随焊接热循环峰值温度的变化，将产生相应 不同程度的晶粒粗化和仅一y 一仅相变，因而，产生局部硬化、脆化和软化 等诸多组织和力学性能不均匀性的问题。 晶粒粗化是指在焊接条件下，近缝区由于强烈的过热而使晶粒发生严 重长大的现象，它不仅影响焊接接头的性能，同时也增大了产生裂纹的危 险性。在焊接热循环峰值温度附近时，晶粒长大的速度最快，因此，峰 9 燕山大学l 。学硕士学位论文 值温度是影响晶粒长大的主要因素。当温度开始下降的时候，晶粒长大的 趋势并不减弱，一直冷却到1 1 0 0 以下略有下降，达到一定尺寸之后就不 再继续长大。由此可知，在焊接条件下，奥氏体晶粒不但在加热过程中长 大，而且在冷却过程中也在长大，即所谓晶粒长大的“热惯性”。 晶粒粗化对奥氏体分解转变及转变产物的形态有很大的影响。晶粒越 粗大，晶界的总面积越少，也就减少了形核的机会，也就不利于奥氏体的 转变。 焊接热影响区的硬化主要决定与被焊钢材的化学成分和冷却条件，其 实质是反映了不同的金相组织和性能。主要硬度试验比较方便，因此常用 热影响区( 一般在熔合区) 的最高硬度h 。来判断热影响区的性能。即使同 一组织，也会有不同的硬度，这与钢种的碳含量，合金元素含量以及冷却 条件等有关。 焊接热影响区的脆化有多种类型，如粗晶脆化，析出脆化，组织脆化， 热应变时效脆化等1 6 j 。 1 3 2 超低碳贝氏体钢h a z 的淬硬性及裂纹敏感- 陛 碳当量( c e 0 3 是用来评定h a z 形成淬硬组织和冷裂纹的倾向大小的一项 重要指标【2 8 _ 3 0 j 。从h a z 抗冷裂纹的能力来说，由于碳含量的显著降低，超 低碳贝氏体钢的碳当量明显减小( 可以降至0 0 3 或更小) ，h a z 淬硬成马氏 体的可能性极小，裂纹敏感指数也明显减小，可以降至0 1 4 或更小，见表 1 4 ，从而在g r a v i u e 图如图1 2 5 j 上超低碳贝氏体钢落入易焊区，这样就有 效地避免了冷裂纹的产生，保证钢种焊接性优良【4 。低的碳含量及c e q 值也 意味着h a z 中较低的最高硬度值。对于传统的t m c p 钢，h a z 最高硬度范围 为h v 3 0 0 h v 3 8 0 ，而一种试验用超低碳贝氏体钢即使在很高的冷却速度 下，其h a z 硬度值低于h v 2 8 0 ，远低于为防止h a z 产生焊接裂纹而规定的 最高硬度上限值h v 3 5 0 ，从而使得使用中出现氢致裂纹及应力腐蚀裂纹的 危险性降低【3 1 。3 。另外，采用小铁研试验，发现在5 及8 0 的相对湿度条 件下，该试验用超低碳贝氏体钢未出现焊接裂纹，这说明超低碳贝氏体钢 1 0 第1 章绪论 可以实现无预热焊接。 表1 4u l c b 钢- l j 传统钢种的化学成分【1 5 1 t a b l e1 - 4c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f u l c bs t e e la n dt r a d i t i o n a ls t e e l i l 5 1 钢种cs im ns a it i 其它 c e q p c m u l c b l00 1 60 ，3 21 5 800 0 30 0 2 900 1 2c u n l n b0 30 1 4 4 u l c b 20 0 1 20 3 01 5 600 0 30 0 2 90 0 1 1c l u n i n b0 2 9 40 1 3 7 x 8 000 6o 2 8 18 2 00 0 l0 0 3 40 0 0 7c u n i n b 0 3 8 30 1 7 5 甚 皿口i l 抓 璀 图1 - 2g r a v i l l e 焊接性评价图 f i g 1 - 2g r a v i l l e se v a l u a t i o no f w e l d i l i t y 1 3 3 超低碳贝氏体钢h a z 的脆化及软化 为了适应未来高的焊接生产率的要求，超低碳贝氏体钢要能够适用于 大的线能量焊接，因此在h a z 可能存在局部脆化区( l b z ) 。作为局部脆化区， 一般有四个部位被认为是关键部位，既粗晶热影响区( c o h a z ) ，临界温度 间热影响区( i c i - i a z ) ，临界温度间粗晶热影响区( i c c g h a z ) ，亚临界温度粗 晶热影响区( s c c g h a z ) 如图1 3 3 扪。其中后两个区通常在多层焊时才容易出 现。这些脆化多是由于晶粒粗化、形成上贝氏体组织、二次相沉淀析出或 者是形成m a 组元等原因造成的。l b z 区的出现会降低裂纹起裂所需的能 1 1 燕山大学：1 ：学硕+ 学位论文 量。 由于高的线能量，焊接过程的冷却速度可能低于在轧制加速冷却期间 的冷却速度，使以位错结构形式储存的能量得以释放，因而意味着在h a z 中可能出现软化区。有关试验【7 1 表明，采用多层g m a w 及s a w 焊接工艺， h a z 并不发生软化，仅仪在采用气电焊( e g w ) 时，因为线能量很高，h a z 会发生轻微的软化。 题 寝 时瓣 到1 - 3u l c b 钢h a z 四种潜在的局部脆化区 f i g i - 3f o u r p o t e n t i a l l o c a lb r i t t l ez o n e i n h e a t - a f f e c t e dz o n e o f u l c bs t e e l l 3 3 1 3 4 超低碳贝氏体钢焊缝金属的力学性能 通常焊接接头中要求焊缝金属的性能要与母材和h a z 的性能相匹配， 但是焊缝金属的性能往往不能够通过进行热、力学工艺处理获得。超低碳 贝氏体钢强度、塑韧性、低温韧性及焊接性较传统钢种有显著的提高。使 用现有焊接材料焊接，焊缝金属的碳含量高于母材，而且要保证获得与母 材相匹配的焊缝金属强度，焊缝金属合金化程度很高，这样焊缝金属淬硬 第1 章绪论 性明显大于母材，冷裂纹倾向于在焊缝金属中出现。再者，就是存在冷却 速度较低时屈服强度下降，以及在冷却速度偏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 是对于厚板及大拘束度接头。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。由此可见，超低碳贝氏体钢焊接时焊缝金属 成为整个焊接接头的薄弱环节。为了解决这一问题，以降低焊接时的预热 温度及对焊接工艺参数的严格限制，从而获得高的生产效率和高的经济效 益，必须着手研制开发新型焊接材料【3 “。超低碳贝氏体组织对冷却速度很 不敏感，在较宽的线能量范围内都能够保证具有优良综合性能，尤其是在 提高强度的同时，仍能够保证具有很好的低温韧性。表1 5 为以超低碳贝氏 体组织为目标所开发的焊丝在不同焊接线能量条件下的焊缝金属力学性 能，强度、塑性和低温韧性同时得到了保证。因此通过采用超低碳及合金 化，在焊缝中形成超低碳贝氏体组织的途径，以获得与超低碳贝氏体钢母 材性能相匹配的焊接材料是解决这一问题的一条有效途径。 表1 - 5 不同冷却速度f 超低碳贝氏体钢焊缝金属的力学性能 3 4 】 t a b l e1 - 5m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f u l c bw e l dm e t a lo f d i f f e r e mc o o l i n gr a t e 3 4 】 线能量冷却速度屈服强度抗拉强度 仲长率 断面收缩率 a k w ja k v n k j m m，sm p am 【p a1 8 ，s5 1 5 4 46 2 6 1 07 0 32 57 21 3 38 7 2 23 1 46 8 27 3 42 37 01 4 08 1 1 36 4 16 6 27 1 72 l7 11 3 87 3 1 3 5 超低碳贝氏体钢模拟h a z 的冲击韧性 低( 超低) 碳贝氏体钢具有优良的焊接性能，其原因一方面来自于其碳含 量很低，因此焊接冷裂纹敏感性很小，另一方面这类钢在焊接过程中晶粒 长大倾向性较小。特别是在快速加热，大线能量输入情况下，其热影响区 仍能保持较好性能。例如，含c o 0 2 8 ，m n l 5 6 ，n b 0 0 4 6 ，b 0 0 0 0 7 的超低碳贝氏体钢采用表1 - 6 的焊接热循环工艺热模拟后，钢种在4 0 以 燕山火学土学硕士学位论文 e 冲击韧性在15 0 3 5 0j 之间。并且冷速越大( f 8 ，5 越) 韧性越女f f t 35 1 。 分析表明，在铌、硼的联合作用下，这类钢的焊接热影响区组织仍然 全是高强韧的贝氏体组织( 完全不同于以往铁素体珠光体钢，不允许热影响 区出现贝氏体的情况) ，这种贝氏体板条组织内的位错密度很高，板条之间 又没有碳化物，强度及韧性都很好。另一种原因是在焊接快速加热过程中， 硼和铌原子会偏聚在新形成并正在移动中的奥氏体晶界上，从而明显地减 缓了这些新晶粒长大，在加热时钢板中存在的n b ( c ，n 1 析出除了阻止新晶 界移动外，还要经过一个自身的溶解过程，从而在奥氏体晶粒的长大过程 中也起到一定的限制作用。 表1 - 6 焊接热循环一l ：艺参数口5 j t a b l e1 - 6t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e ro f w e l d i n gt h e r m a lc y c l e 3 5 第一次循环第二二次循环 加热速度 c s f “5 s 峰值温度 c由热速度f c s 1 8 5 s 峰值温度 c a5 0 03 01 3 5 0 b5 0 04 513 5 0 c 5 0 0 6 01 3 5 0 d5 0 04 51 3 5 05 0 04 59 8 0 e5 呻4 51 3 5 02 0 04 59 8 0 f5 0 04 51 3 5 01 0 04 59 8 0 1 4 激光焊接及其热影响区模拟试验研究 1 4 1 激光焊接的优缺点 与传统焊接工艺相比，大功率激光深熔焊用于中厚板的焊接接头具有 如下优点3 6 - 3 7 ： ( 1 ) 高的深宽比激光深熔焊时，熔融金属围绕圆柱形高温蒸气腔体形 成并延伸向被焊工件，使得焊缝具有深而狭窄的特征。 ( 2 ) 最小热输入激光焊源腔温度高，工件熔化速度快，输入工件的热 第1 章绪论 量很低，热变形和热影晌区很小。 ( 3 ) 高致密性深熔焊形成的小孔充满高温蒸气，有利于焊接熔池搅拌 和气体逸出，易形成无气孔熔透焊缝。同时，对非金属组分能够进行充分 吸收，可降低杂质含量，改变夹杂尺寸及其在熔池中的分布一且在工件装 配间隙小时，焊接过程不需要电极和填充金属，熔化区受污染少。 ( 4 ) 组织细化激光焊接时，焊接和热影响区具有快速加热和冷却的特 点，高温停留时间短，奥氏体的晶粒长大受到抑制，且在冷却过程中极易 形成细板条马氏体。 ( 5 ) 强韧性焊接接头具有强度高、韧性好的强韧性特征。 但是，与传统熔化焊接接头相比，激光焊接头的硬度远高于母材，且 沿接头横断面硬度分布的梯度大，从而会降低焊接接头的疲劳强度【3 引。 1 4 2 激光焊接热影晌区模拟试验研究 超细亚晶粒结构钢在焊接过程中因晶粒急剧长大，使热影响区冲击韧 性大幅度降低，因此，在进行焊接加工时，应采取适当的焊接方法和工艺， 以尽可能减少高温停留时间。其中激光焊可能是针对这类材料的有效焊接 方法f 3 9 1 。由于激光焊接固有的优点，且随着大功率激光器工业化运用的经 验的日益成熟，使用厚板激光焊接工艺在国外结构制造业中受到了广泛重 视，并己经逐步展开实施【4 0 圳】。但是激光焊接技术在结构制造业中大规模 运用之前，还必须进行大量的试验工作来建立评定材料激光焊接质量和性 能的方法，并采用这些方法来评定材料的可激光焊接性、研究被焊材料的 激光焊接行为。 1 4 2 1 激光焊接热影响区的基本特征激光焊具有焊接热影响区小的优 点，但由此也会产生冶金性能( 如硬度等) 分布梯度大等问题。与电弧焊相比， 激光焊接热影响区的性能相对占主导地位。在激光焊接骤冷骤热条件下， 焊接接头的组织中绝大多数是非平衡组纠4 。受被焊钢种成份的影响，接 头的硬度远高于基材，因而接头的塑性和韧性可能很低，特别是因硬度分 布梯度大可能会影响接头的疲劳寿命。因此，在进行激光焊接时还应根据 燕山大学工学硕士学位论文 需要采用相应的工艺措施以降低热影响区的硬度。 1 4 2 2 现有材料力学性能试验方法的局限性现有的材料力学性能试验 方法若不加以改进【4 3 j ，则很难直接用来评价激光焊接接头力学性能。以评 价激光焊接热影响区的冲击韧性为例，因接头的热影响区非常窄小，且硬 度值与基材相差很大，如果采用标准的却贝冲击试验方法，几乎很难把缺 口准确定位在相应的位置，即使能够定位，在试样受冲击的过程中断裂的 路径也会偏向较软的基材上，从而不能达到评价激光焊接热影响去的冲击 韧性的目的。 1 ，4 2 3 建立材料激光焊接热影响区评价的方法的现实性如果达到上述 试验目的，一个有效的途径时采用热模拟试验技术j 。其理论依据是：焊 接热影响区的组织和局部性能是由被焊接材料的化学成份和该处所受到的 热循环共同决定的。因此只要能够在一个小试样上再现被焊材料在激光焊 接过程中的热过程，便可通过对该试样的组织和性能进行评价来间接说明 被焊接材料在实际激光焊接条件下热影响区的组织和性能。 实际上有迹象表明该试验的技术已开始运用在材料激光焊接行为的研 究上。总之，超低碳贝氏体钢是种亚细晶粒结构钢，是造船业中颇具运 用前景的一带焊接结构钢。因此，采用热模拟技术探讨超低碳贝氏体激光 焊接热影响区的组织和性能是一种新的有益的尝试。 1 5 焊接物理模拟技术 对于超低碳贝氏体钢、低合金高强钢、超高强钢、有色金属，以及特 种合金的焊接热影响区，由于出现裂