焊接热输入为110kjcm三丝埋弧自动焊的高强钢晶粒细化行为

焊接热输入为110kjcm三丝埋弧自动焊的高强钢晶粒细化行为

0大热输入焊接高强度低合金钢热影响区的显微组织为了满足焊接技术的快速和高效方向，自动双丝、三丝等多丝大热输入的自动焊接逐渐成为造船和油压线生产的重要焊接方法。多丝焊时,其焊接热输入在100kJ/cm以上,这使得高强度低合金钢焊接热影响区出现严重的晶粒粗化、局部软化和脆化,综合表现为热影响区的韧性大幅度降低,威胁着工程结构的使用安全性。如何促使大热输入焊接高强度低合金钢热影响区晶粒细化,提高热影响区的韧性是国内外学者普遍关注的热点。一些研究表明,利用钢中的有益细小夹杂物,如TiO质点,不仅能有效地拖曳和钉扎了高温奥氏体晶界的迁移,阻止了奥氏体晶粒长大,而且能诱导晶内铁素体的形核,细化热影响区的晶粒,提高强度与韧性。但高强度低合金钢采用大热输入埋弧自动焊时,焊接热影响区中的有益夹杂物可能发生熔化。这时有益细小夹杂物能否起到拖曳和钉扎了高温奥氏体晶界的迁移,阻止奥氏体晶粒长大的作用,有益夹杂物对大热输入焊接热影响区的显微组织有何影响,有关此方面的研究报道还不多见。因此,研究船用E36高强度低合金钢三丝埋弧自动焊焊接热影响区的组织转变行为,为提高高强度低合金钢焊接热影响区的韧性和开发满足大热输入焊接高强度低合金钢提供基本数据和理论依据。1fcb法三丝埋弧焊面,母材为板厚24mm,添加了微量Ti元素的E36高强度低合金钢,其化学成分与力学性能见表1。焊接时采用FCB法三丝埋弧自动焊,前丝L为H10Mn2,直径为ϕ4.8mm,焊接电流1250A,焊接电压36V。中丝T1为H08A,直径为ϕ4.8mm,焊接电流950A,焊接电压40V。后丝T2为H08A,直径为ϕ6.4mm,焊接电流900A,焊接电压45V,焊接速度为620mm/min,FCB法三丝埋弧焊坡口及焊接示意图如图1所示。将焊接后E36钢焊接热影响区的粗晶区制成金相试样,用Axovert200MAT型金相显微镜观察金相显微组织,用IBAS—2000自动图像分析仪测量非金属夹杂物尺寸大小、分布。同时磨制成0.05mm的薄片,用MTP—1A型磁力驱动双喷电解减薄器制作透射电镜试样,用TecnaiG220型透射电镜观察诱导晶内铁素体形核与长大的非金属夹杂物和晶内铁素体形貌,对这些夹杂物的成分进行EDX能谱分析。用JSM—5510LV型扫描电子显微镜观测试样断口。2试验结果与讨论2.1金相夹合面为0.50.6表2是IBAS—2000自动图像分析仪测得的E36钢及其热影响区中夹杂物特征参量数据。由表中数据可知,E36钢及其热影响区夹杂物的面积百分率约为0.2%,平均面积为0.2μm2左右,最大名义平均直径为0.5～0.6μm,夹杂物的面密度为970～1010个/mm2,热输入大小对夹杂物直径大小、分布没有多大的影响。这是由于E36钢及其热影响区中的夹杂物主要为Ti,Mn,Si的氧化物和Mn的硫化物形成的复合物。它们的熔点较高,熔点较低的MnS的熔点也在1600℃以上,而TiO,MnO,SiO2的熔点均在1800℃以上,大焊接热输入作用下它们不可能熔化消失。尽管加热时夹杂物有可能分解并扩散,但固态下合金元素的扩散为短程扩散,且1350℃以上的高温停留时间短,冷却过程中夹杂物长大,发生扩散的合金元素又向夹杂物聚集。所以,大热输入焊接时,夹杂物的尺寸大小、分布几乎没有变化。2.2金相钢的残余物图2和图3分别为E36钢及其焊接热影响区夹杂物的透射电镜照片与能谱图。由图可知,E36钢及其热影响区中的夹杂物的直径均在0.5～0.8μm之间,这与许多文献中提到的有益夹杂物尺寸范围基本一致。同时可以看出,所有夹杂物的形状均为圆形或近似圆形。由此可以推断,在三维方向上这些夹杂物应该为球形或椭球形,并且焊接热影响区中的夹杂物诱导出了晶内铁素体的形核。由E36钢及其热影响区夹杂物的电子探针能谱能图可知,夹杂物均含有Mn,Ti,Si,Al和O元素,这些元素形成MnO,TiOx,SiO2和Al2O3的氧化物复合物。而S元素与Mn元素形成MnS。大热输入焊接时,由MnO,TiOx,SiO2,Al2O3和MnS组成的氧硫复合物诱导晶内铁素体的形核,细化焊接热影响区粗晶区的晶粒,提高强度与韧性。2.3晶内铁素体组成对焊接热影响区微观组织的影响图4是E36高强度低合金钢及其焊接热影响区的显微组织。由图4a可知,轧制态的E36高强度低合金钢的显微组织为铁素体加珠光体,晶粒尺寸在8μm左右。图4b是焊接热输入为110kJ/cm,未加TiE36钢热影响区的显微组织,其由粗大的铁素体,珠光体和粒状贝氏体组成,这极大降低了焊接热影响区的韧性。图4c,d是焊接热输入为50,110kJ/cm时,加TiE36钢热影响区的显微组织,由细小的晶内铁素体,珠光体和少量粒状贝氏体组成。细小的晶内铁素体成放射性长大,位错越过时要消耗极大的能量,这极大地提高了焊接热影响区的韧性。特别是晶内铁素体的感生形核,形成联锁的晶内铁素体,如图5所示。热影响区中交错的晶内铁素体形核,抑制了魏氏体和上贝氏体的形核、长大,细化了大热输入焊接条件下热影响区粗晶区的晶粒。之所以未加TiE36钢热影响区的显微组织为粗大的铁素体、珠光体和粒状贝氏体,是由于没有适宜的诱导晶内铁素体形核的夹杂物。而加TiE36钢的焊接热影响区含有由MnO,TiOx,SiO2,Al2O3和MnS组成的氧硫有益复合物,在大热输入焊接条件下,热影响区的夹杂物原位析出诱导晶内铁素体形核和感生形核,抑制了魏氏体和上贝氏体形成。2.4有益残余物缺陷由图4E36高强度低合金钢及其焊接热影响区的显微组织可知,要获得大热输入焊接条件下的高韧性焊接热影响区,应有适宜的有益夹杂物,诱导晶内铁素形核及其感生形核,细化热影响区的晶粒。所谓晶内铁素体感生形核是在夹杂物诱导生成的晶内铁素体片条上长出了新的晶内铁素体。夹杂物诱导生成的晶内铁素体称为一次晶内铁素体,感生形核生成的晶内铁素体称为二次晶内铁素体。由于有益夹杂物在大热输入焊接条件下其尺寸、形态、成分和分布几乎不发生变化。大热输入焊接条件下,有益夹杂物诱导晶内铁素体的原位析出,原位析出的一次晶内铁素体诱导二次晶内铁素体形成,促进晶内铁素体的感生形核。由于一次晶内铁素体和二次晶内铁素体均在原奥氏体晶内形核、长大,这使焊接热影响区的晶粒细化。含TiE36钢的这一特点,使其热影响区粗晶区的晶粒不长大,并且显微组织能自身细化。正是由于含TiE36钢中的有益夹杂物能诱导一次晶内铁素体形核、长大,在大热输入焊接过程中促进二次晶内铁素体的形核、长大,确保焊接热影响区粗晶区的强度与韧性不降低。有益细小夹杂物拖曳和钉扎了高温奥氏体晶界的迁移,阻止了奥氏体晶粒长大,细化热影响区显微组织的作用很小。图6是含TiE36钢焊接热影响区粗晶区-20℃低温下的冲击试验断口,有大量的韧窝。表明含TiE36钢焊接热影响区粗晶区-20℃低温下的冲击为剪切撕裂,有高的低温冲击值。因此,大热输入焊接时,E36钢焊接热影响区中的MnO,TiOx,SiO2,Al2O3和MnS组成的氧硫有益复合物,诱导晶内铁素体的形核和感生形核,细化了粗晶区的晶粒,确保了焊接热影响区粗晶区的强度与韧性。3缺陷面密度、直径及分布(1)含TiE36高强度低合金钢大热输入焊接时,焊接热输入对诱导晶内铁素体形核夹杂物面积百分率、最大名义平均直径和夹杂物的面密度、直径及分布没有多大的影响