特厚高强钢z向成分差异对焊接接头热输入的影响

特厚高强钢z向成分差异对焊接接头热输入的影响 特厚高强钢z向成分差异对焊接接头热输入的影响

张建强1,2， 陈长风1， 郑雁军1， 张 熹2， 李 涛2， 张 楠2， 汪小培2

(1. 中国石油大学(北京) 理学院，北京 102249； 2. 首钢技术研究院，北京 100043)

摘 要：文中以两种150 mm特厚高强先进610CFD钢为试验对象，基于材料z向成分的差异，分析组织不均匀性对焊接接头热输入的影响，利用金相显微镜,SEM,EBSD和冲击试验对结果进行表征. 结果表明，提高铸坯厚度、降低易偏析元素C，Mn等合金元素含量，可以有效的减小1/2处偏析程度并避免冶金缺陷，使宏观偏析转化为微观偏析；比较严重的宏观偏析造成1/4处、1/2处热影响区组织存在明显区别是造成其z向各位置焊接工艺适应性差异的主要原因；而微观偏析造成z向各位置焊接工艺适应性差异的机理是合金元素微观偏析造成热影响区MA数量、形貌、分布差异.

关键词：高强钢；化学成分；焊接接头；热输入；热影响区

0 序 言

结构大型化趋势推动100 mm以上的特厚高强钢产品在水电、海洋工程、容器、机械、桥梁等领域中得到广泛应用[1-3]. 随着钢板厚度及强度提高，特厚高强钢的焊接问题愈来愈突出，特厚高强钢的焊接技术成为水电、海工、机械等领域的研究热点. 连铸工艺100 mm以上特厚板z向化学成分、组织状态不均匀性显著，会造成100 mm以上特厚板z向各位置热影响区的组织转变差异加剧，心部淬硬倾向明显，热影响区低温韧性难达标，为了使心部性能满足要求只能采用小焊接热输入进行焊接，大大降低了焊接施工效率.

文中以某A水电站及某B水电站工程中所采用某钢厂连铸工艺生产的150 mm厚610CFD钢板作为分析对象，确定z向成分、组织不均匀性对焊接接头性能的影响规律，并提出100 mm以上特厚板焊接工艺制定的一般性方法[4-6].

1 试验方法

两工程所用的150 mm特厚板成分如表1所示，为了保证心部性能，两种成分钢板轧制后均采用淬火+亚温淬火+回火的工艺进行热处理. 焊后不进行消应力处理. 某A工程150 mm水电钢采用320 mm的连铸坯生产，某B工程采用400 mm的连铸坯生产，为改善150 mm厚610CFD的焊接性，在某A工程所用钢材成分体系的基础上某B工程时降低了150 mm厚610CFD的C和Mn元素含量，提高了Cu元素含量，使钢材的冷裂纹敏感指数Pcm由0.27%降至0.23%. 两种成分体系150 mm厚610CFD力学性能如表2所示，均能满足标准要求，且富余量较大.

表1 610CFD化学成分质量分数(质量分数，%)

Table 1 Chemical compositions of 610CFD

CSiMnPSBCuA工程0.140.231.400.0090.00150.00120.01B工程0.090.221.100.0100.00100.00120.32

表2 610CFD母材力学性能及裂纹敏感系数

Table 2 Mechanical properties of base metal and crack sensitivity coefficient

位置屈服强度ReL/MPa抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A(%)冲击吸收功AKV(-20℃)/J冷裂纹敏感指数Pcm(%)A工程1/2处57568518.5137,156,880.271/4处56566521.5221,212,206B工程1/2处54767621.5207,208,2600.231/4处52866026.0232,240,221

2 试验结果与分析

2.1 z向成分、组织不均匀性表征

为了确定z向成分、组织不均程度，对两钢材进行了扫描电镜观察，如图1所示，A工程150 mm厚610CFD心部1/2处出现了最大宽度为6 mm的回火索氏体组织；而1/2处上部5 mm左右区域的组织不同于偏析带上的组织与1/4板厚处组织类似. 热处理过程中1/2处出现马氏体组织，经回火转变成回火索氏体，韧性尚可，但与1/2处相比韧性尚显不足. 对厚钢板中心部位进行钻粉光谱分析，与其它位置比较Ni\Cr\Mo含量区别非常小，但心部C，Mn元素等提高淬透性合金元素偏析较严重，是韧性相对较差的主要原因. 对B工程150 mm厚610CFD金相观察表明除了表面处组织与其它位置差异较大外，1/2处与1/4处差异不明显，也未发现明显的偏析带存在.

由于C，Mn，Ni，Cr和Mo 5种元素对钢板焊接热影响区组织转变及性能起到了决定性作用，采用EPMA对B工程所采用的150 mm厚610CFD钢板分别在表面、1/2处、1/4处三个典型位置进行该5种元素的分布分析，结果表明，C,Mn,Ni,Cr,Mo元素均存在不同程度的带状偏析； 5种元素中C,Mn元素在各位置偏析程度较大，C和Mn在表面层基本不存在偏析，越靠近心部偏析越显著，而Ni，Cr和Mo元素在z向各位置偏析程度相对较低. C为提高淬透性元素，C元素的偏析在焊接热循环中主要会造成局部MA和淬硬组织的出现，而这些组织对热影响区韧性不利，可能会导致心部焊接热影响区韧性降低. 由以上试验结果可知，A工程150 mm 610CFD钢板中C和Mn元素含量高，出现了宏观偏析成分，而B工程钢板虽然也出现宏观偏析现象，但绝对值要小，所以偏析带来的影响要小.

图1 A工程z向各位置扫描电镜观察

Fig.1 SEM of A project’s Z direction

2.2 Z向不均匀程度对焊接热输入适应性的影响

为了确定A工程150 mm厚610CFD焊接工艺适应性，采用规格为φ4.0 mm牌号为J607RH的焊条进行了焊接试验. 焊前进行130 ℃以上的预热，焊后进行200 ℃和2 h的消氢处理. 焊接试板坡口采用非对称U形坡口，打底焊道焊接热输入为18 kJ/cm，填充焊道焊接热输入为19.7 kJ/cm,盖面焊道为23.9 kJ/cm，焊接后对焊接接头进行拉伸、冷弯及冲击试验. 试验结果如表3、表4所示，结果表明，(1)焊接接头强度、冷弯试验结果满足要求；(2)按工程实际要求，1/4处热影响区按AKV-20 ℃≥47 J进行控制，1/2 AKV≥50 J进行控制，在所采用的焊接工艺下，1/4处热影响区韧性满足要求，1/2处热影响区-20 ℃冲击吸收功和 0 ℃冲击吸收功均满足要求.

由于试验钢板采用的是非对称坡口形式，1/2处、1/4处焊接热输入相同，均为19.7 kJ/cm,而两位置热影响区-20 ℃冲击吸收功却差别较大，该结果表明1/2处、1/4处焊接热输入适应性存在差别. 为确定两位置焊接热输入适应性差异的原因，对焊接接头进行了硬度测试和金相观察. 焊接接头硬度分布如图2所示，1/2处热影响区最大硬度达到380 HV10，而1/4处热影响区最大硬度仅为290 HV10， 1/2处热影响区为马氏体+板条贝氏体组织，1/4处为板条贝氏体+粒状贝氏体. 由于马氏体和板条贝氏体组织硬度高、方向性强，对韧性不利，但相比1/2处少了马氏体，因此造成了1/2处热影响区-20 ℃冲击韧性不合格但1/4处合格的结果. 在对1/2处和1/4处焊接接头进行SEM观察过程中发现在1/2处局部存在少量缩孔、夹杂物等冶金缺陷，观察冲击值的断口，也证明存在冶金缺陷. 冶金缺陷的存在主要是由于连铸坯厚度小(铸坯厚度：320 mm)，压缩比不足造成. 由于在焊接热循环过程中热影响区组织会发生显著地粗化，缩孔、夹杂物的存在会加剧热影响区脆化，因此只能通过减小焊接热输入的方法来缓解成分偏析和缺陷对1/2处热影响区韧性的劣化. 另一方面降低热输入量可能出现马氏体，对于含碳量较高的材料带来问题. 所以实际工程中，焊接热输入参数要均衡选取.

表3 A工程焊条电弧焊接头拉伸、冷弯性能

Table 3 Welding joint tensile and cold bending property of project A after SMAW

编号抗拉强度Rm/MPa屈服强度ReL/MPa断裂位置侧弯D=4a,180°1655540热影响区全部合格2650530母材全部合格

备注：接头抗拉强度

表4 A工程焊条电弧焊接头冲击性能

Table 4 Welding joint impact toughness of project A after SMAW

位置焊缝/热影响区冲击吸收功AKV(-20℃)/J焊缝/热影响区冲击吸收功AKV(0℃)/J1/4板厚90,108,85/108,155,249-/-1/2板厚44,52,71/44,28,134126,123,139/54,123,139

备注：标准要求

图2 A工程焊接接头硬度分布图

Fig.2 Welded joint hardness distribution of Project A

由于B工程要求严格，需保证1/2处热影响区-20 ℃冲击吸收功满足AKV≥47 J，因此准备通过焊接热模拟将z向成分、组织不均匀性对钢板各位置热影响区低温韧性的影响定量化，并确定z向不同位置焊接热输入适应性，从而为焊接工艺制定提供参考.

分别在表面、1/4处、1/2处取横向冲击热模拟试样(试样毛坯尺寸为11 mm×11 mm×90 mm)，并对毛坯试样模拟不同焊接热输入下的焊接热循环，通过对热模拟试样进行冲击试验来确定其焊接热输入适应性.

分别模拟热输入为15,20,25和30 kJ/cm四个焊接热输入的热循环，对应的冷却速度T5/8分别为9.9，13.2,16.5和19.8 s. 其中预热温度是130 ℃以上，层间温度不高于150 ℃，峰值温度为1 350 ℃，峰值停留时间2 s. 将热模拟试样加工成尺寸为：55 mm×10 mm×10 mm的冲击试样，对加工后的冲击试样进行-20 ℃冲击试验，从而确定板厚各位置的焊接热输入适应性，试验结果如图3所示.

表面层在15～30 kJ/cm的热输入下焊接，热影响区-20 ℃冲击吸收韧性随焊接热输入增加下降趋势不明显，粗晶区冲击吸收功都在180 J以上，富余量大；1/4处试样在25 kJ/cm下焊接粗晶区冲击吸收功为60 J，在30 kJ/cm下焊接粗晶区冲击吸收功为32 J；心部处试样在20 kJ/cm下焊接，粗晶区冲击吸收功为69 J；在25，30 kJ/cm下焊接，粗晶区冲击吸收功分别为44及17 J.

按照水电行业相关标准热影响区-20 ℃冲击吸收功需满足AKV≥47 J的要求来判断， 供B工程的150 mm厚610CFD钢板z向各位置能够承受的最大焊接热输入存在明显的差异，即表面处在15～30 kJ/cm热输入范围内热影响区冲击韧性满足要求；1/4处在15～25 kJ/cm热输入范围内热影响区冲击韧性满足要求；心部处在15～20 kJ/cm热输入范围内热影响区冲击韧性满足要求.

图4为z向各位置粗晶区热模拟试样的示波冲击试验结果，表明不同焊接热输入对示波冲击的影响，通过该结果可以确定其在冲击载荷下的失效机理. 结果表明，在15 kJ/cm焊接热输入下，表面、1/4处、1/2处热模拟冲击试样的起裂功相当，而表面试样裂纹扩展功及总攻最大，心部最低；在25 kJ/cm焊接热输入下，表面处的起裂功、扩展功、总功与15 kJ/cm焊接热输入相比略有下降变化不大，而1/4处、心部的起裂功、扩展功、总功与15 kJ/cm焊接热输入相比显著下降. 由以上试验结果可知1/4处、1/2处起裂功、裂纹扩展功在较大热输入下均显著降低导致该两个位置焊接热输入窗口较窄.

图3 B工程z向各位置热影响区冲击性能与热输入的关系

Fig.3 Relationship of impact property and heat input of project B along z direction

为了进一步确定1/4处、1/2处起裂功、裂纹扩展功在较大热输入下均显著降低的原因对热模拟试样进行了金相组织及马奥岛(MA岛)的观察，从而进行马奥岛含量与焊接热输入分别在三个位置的对应关系分析，试验结果如图5所示. 粗晶区热模拟试样金相组织试验结果表明, 焊接热输入在15～30 kJ/cm范围内，表面、1/4处、1/2处在相同焊接热输入下金相组织类型大体相仿，15 kJ/cm下各位置粗晶区热模拟试样均为马氏体组织，随着焊接热输入继续增加，粗晶区组织转变为马氏体+板条贝氏体+少量粒状贝氏体组织.

图4 焊接热输入对示波冲击结果的影响

Fig.4 Effect of heat input on instrumental impact test

图5 马奥岛含量与焊接热输入的对应关系

Fig.5 Relationship of heat input and MA content

随焊接热输入的增加， MA含量都呈增加趋势. 由于靠近心部的C，Cr和Mo等奥氏体稳定化元素存在微观偏析现象，因此越靠近心部的试样在焊接热循环后形成的MA比例越高，而且随热输入增加MA含量增加趋势更明显；z向三个位置随焊接热输入增加,MA尺寸呈增加趋势，形貌也由颗粒状逐渐转变为条状， MA排列逐渐呈有一定方向性的链状排列，MA也有向原奥氏体晶界富集的趋势. 越靠近1/2处此趋势越明显. 呈增加趋势，形貌也由颗粒状逐渐转变为条状， MA排列逐渐呈有一定方向性的链状排列，MA也有向原奥氏体晶界富集的趋势. 越靠近1/2处此趋势越明显. MA作为硬相，在冲击载荷作用下通常会成为裂纹源，降低钢铁材料的起裂功，而MA尺寸较大且呈方向性排列的时候，抑制裂纹扩展能力显著下降. 该结果与示波冲击试验结果规律相一致.

由以上试验结果可知，造成B工程150 mm厚610CFD钢板z向各位置焊接热输入适应性差异的主要原因是100 mm以上特厚板中C，Cr和Mo等奥氏体稳定化元素在z向存在微观偏析，改变了z向各位置焊接热影响区中MA的数量、形状及分布状态，进而影响了z向各位置热影响区的冲击韧性.

3 结 论

(1) 提高铸坯厚度、降低易偏析元素C和Mn等合金元素含量，可以有效的减小1/2处偏析程度并避免冶金缺陷，使宏观偏析转化为微观偏析.

(2) 比较严重的宏观偏析造成1/4处、1/2处热影响区组织存在明显区别是造成其z向各位置焊接工艺适应性差异的主要原因；而微观偏析造成z向各位置焊接工艺适应性差异的机理是合金元素微观偏析造成热影响区MA数量、形貌、分布差异所致.

(3) 在制定100 mm以上特厚板焊接工艺的时候，可以先通过焊接热模拟试验确定z向各位置焊接适应性的差异，这不但可以减少焊接评定工作量，而且对于保障接头性能有益处.

参考文献：

[1] 陈 晓, 秦晓钟. 高性能压力容器和压力钢管用钢[M]. 北京： 机械工业出版社, 1999.

[2] 狄国标. 海洋平台用钢的生产现状及发展趋势[J]. 机械工程材料, , 32(8)： 1-3. Di Guobiao. Present production state and development tendency of offshore platform steels[J]. Materials for Mechanical Engineering, , 8, 32(8)： 1-3.

[3] 程丙贵, 刘东升. 特厚耐候桥梁钢板模拟热影响粗晶区组织性能[J]. 焊接学报, (8): 103-107, 112. Cheng Binggui, Liu Dongsheng. Microstructure and properties of simulated heat affected zones of weathering heavy steel plate for bridge[J]. Transactions of the China Welding Institution, (8): 103-107, 112.

[4] 秦晓钟. 压力容器用钢技术进展[C]∥第五届全国压力容器学术会议专题报告集(1). 南京: 中国机械工程学会压力容器分会, 2001: 19-24.

[5] 方冬慧， 刘永杰， 陈宜言, 等. Q345桥梁钢焊接接头超高周疲劳性能[J]. 焊接学报, , 32(8): 77-80. Fang Donghui, Liu Yongjie, Chen Yiyan, et al. Microstructure and properties of simulated heat affected zones of weathering heavy steel plate for bridge[J]. Transactions of the China Welding Institution., , 32(8): 77-80.

[6] 迟露鑫, 麻永林, 邢淑清, 等. 压力容器用钢板焊接温度场模拟与验证[J]. 焊接学报, , 33(5): 61-64. Chi Luxin, Ma Yongling, Xing Shuqing, et al. Test verifies and simulation on welding temperature field of steel plate for pressure vessel[J]. Transactions of the China Welding Institution, , 33(5): 61-64.

收稿日期：-06-22

作者简介：张建强，男，1987年出生，博士研究生. 主要从事钢铁焊接技术的研究，涵盖桥梁钢、海工钢、压力容器和汽车结构用钢等领域. 发表论文10余篇. Email: 369085796@

通讯作者：郑雁军，男，教授，博士研究生导师. Email: zhengyj@

中图分类号：TG 401

文献标识码：A

文章编号：0253-360X()01-0112-05

如果觉得《特厚高强钢z向成分差异对焊接接头热输入的影响》对你有帮助，请点赞、收藏，并留下你的观点哦！