超细晶粒钢的焊接

超细晶粒钢的焊接

王伟

王伟山东邹平鲁中中等专业学校鲁中高级技工学校256200

摘要：文章对超细晶粒钢在焊接热循环作用下晶粒长大和组织、性能变化的规律进行了研究。400MPa级钢由于不存在第Ⅱ相粒子对晶粒长大的钉扎作用，晶粒长大趋势明显，焊接热输入越大，长大程度越严重。无论是焊接热模拟试件还是焊接接头硬度测试均表明HAZ不存在软化问题，接头拉伸试验断在远离热影响区的母材上。HAZ粗晶区有较多的侧板条铁素体，但缺口冲击功未显示热影响区的冲机韧性低于母材，尽管试件断口分析说明粗晶区的韧性低于母材。

关键词：超细晶粒钢焊接晶粒长大粗织

在国家重大规划基础研究项目"新一代钢铁材料重大基础研究"中，将通过晶粒超细化实现钢材强度韧性提高一倍的目标。

日本在其“超级钢”规划中，将超级钢焊接技术作为三个研究主题之一，在800MPa级高强度课题中更将焊接置于极其重要的位置。韩国在新世纪高性能结构钢中也非常重视超细晶粒钢的焊接问题，为使焊接接头具有90%以上的母材性能（强度、韧性），从焊接技术、焊接材料和焊接工艺三个方向全面开展工作。

作者对超细晶粒钢焊接热影响区晶粒长大规律进行了初步的研究，进行了脉冲MAG、激光焊等方法对超细晶粒钢的适应性研究，以及利用焊后特殊处理技术提高焊接接头性能的探索性研究工作。

一、试验用超细晶粒钢及试验研究

试验用材为400MPa级课题组在宝钢轧制的SS400热轧钢板，该材料的研究目标是通过晶粒细化使屈服强度提高一倍，板厚3mm，其化学成分和力学性能如表1和表2（略）所示。材料的原始铁素体尺寸为6～8μm。

在本研究中，用焊接热模拟试验研究了焊接热影响区的晶粒长大规律，研究了400MPa级超细晶粒钢的脉冲MAG焊接适应性、热影响区组织及焊接接头力学性能。

二、超细晶粒钢的HAZ晶粒长大趋势和组织及性能

为研究焊接热循环对超细晶粒钢的影响，利用Gleeble-1500焊接热模拟试验机对试验材料进行了焊接热模拟试验，试验设计如下：1.加热峰值温度固定Tp=1350℃改变冷却速度t8/5从3～24S，模拟在不同焊接热输入条件下热影响区粗晶区的组织和性能。2.冷却速度固定t8/5=5s，改变峰值温度Tp从1400～650℃，模拟在同一焊接热输入条件下，焊接热影响区不同部位的组织和性能。焊接热模拟试验结果如图1（略）所示。图1a为焊接热输入对粗晶区原始奥氏体晶粒尺寸的影响，在峰值温度为1350℃时，随着t8/5逐渐增加，即随着焊接热输入的增加，热影响区粗晶区的原奥氏体粒径不断增加，当t8/5为20s时，奥氏体粒径达到170μm，这说明超细晶粒钢焊接热影响区晶粒长大倾向严重，奥氏体粒径受t8/5的影响很大，在条件允许的情况下，应尽可能采用低热输入焊接，加快焊接冷却速率。图1b为t8/5=5s时峰值温度对原始奥氏体晶粒尺寸的影响，当Tp介于1100～1200℃时，奥氏体粒径明显开始粗化，可把这个温度区间作为SS400钢的粗化温度。当Tp>1350℃时，奥氏体晶粒不再继续粗化，而奥氏体晶粒有所减小，这有可能是因为在奥氏体晶界局部熔化导致晶粒尺寸有所减小。图1c、d为显微硬度测量结果。由上面图表的数据可以得出：随着t8/5增加，热影响区粗晶区的硬度逐渐降低并趋于平稳，当t8/5=3s时，硬度最大。当t8/5=5s时，随着峰值温度Tp的升高，其显微硬度逐渐增加，当Tp=1400℃时，其硬度达到最大。经t8/5=5s，不同峰值温度的焊接热模拟后，SS400钢的整个热影响区硬度都不低于母材，于是可以预言：当t8/5时，SS400钢的热影响区不会出现软化现象。

三、400MPa级超细晶粒钢的脉冲MAG焊接适用性研究

将试板对接，压紧在镶有成形铜条的工作台上，采用95%Ar+5%CO2（质量分数）气体保护进行低热输入脉冲MAG焊接，三种规范下的SS400钢脉冲MAG焊接。三种规范下的SS400钢脉冲MAG焊接规范及其相对应的焊接接头的拉伸性能列于表3（略）。

因超细晶粒钢主要是在形变条件下获取细晶的，不能通过热处理手段来恢复，所以焊后HAZ会出现软化，尤其当高热输入时，就更加明显。不过这种局部软化对接头整体强度的影响是受其它因素控制的，如局部软化区的宽度、板厚和焊缝强度匹配等因素。三种规范下的SS400接头拉伸均断在母材，说明至少当t8/5<10s时，SS400钢接头中的HAZ不存在软化问题。从接头的硬度分布（图2）也可看出SS400钢5号接头的热影响区不存在软化问题，这一点与焊接热模拟试验结果一致。

在焊接热影响区的粗晶区晶粒长大严重，如图3（略）所示。其组织以贝氏体为主，沿原奥氏体晶界，有较多的侧板条铁素体，这样的组织韧性水平往往较低。

为评估热影响区的韧性不平，从焊接试板上取样进行V型缺口冲击试验，试样尺寸2.5mm×10mm×55mm，取样位置如图4（略）所示，试验结果列于表4（略）。表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为试样的位置，其中Ⅱ为焊脚熔合线，向焊缝侧移2mm为I，向母材侧移2mm为10S。单从冲击功试验结果来看，热影响区的数值与母材相比并无明显差距，但低温试验热影响区断口结晶状的比例高于母材。位置I裂纹扩展前沿由“焊缝+粗晶区+母材”组成，结晶状断口比例最高；位置Ⅱ由“粗晶区+细晶区+母材”组成，结晶状断口比例次高；位置Ⅲ由“细晶区+母材”组成，结晶状断口比例与母材相同。这些结果显然与裂纹前沿粗晶区所占的比例有关，位置I的粗晶区所占的比例最高，结晶状断口比例也最高，位置Ⅲ粗晶区所占的比例为零，结晶状断口比例也与母材一样为零，这说明粗晶区的韧性低于母材。由于焊接接头，特别是熔合线附近，为复合组织，韧性较差的粗晶区只占裂纹扩展前沿很小的比例，所以焊接接头的抗裂性能与母材相比并不一定会有明显差距，这在冲击值中已有所体现。然而，由于试件尺寸很小，厚度仅仅2.5mm，试验的结论尚须通过断裂韧性试验进一步证实。

四、结论

1.超细晶粒钢焊接热影响区有严重的晶粒长大倾向，长大程度随焊接热输入增长而迅速增长。

2.虽然400MPa级超细晶粒钢焊接影响区晶粒严重粗化，但不存在软化现象。

3.焊接热响区中有明显有脆性组织，但缺口冲击功上难以看出脆化现象。从结晶状断口比例来看，缺口前沿粗晶区组织越多，结晶状断口比例越大，这说明粗晶区的韧性低于母材，但这种局部脆性区对焊接接头的韧性有多大影响，尚须进一步研究证实。

参考文献

[1]中国电机工程学会电站焊接技术委员会编焊工培训实用教材.北京：中国电力出版社，2002。

[2]张金昌锅炉、压力容器的焊接裂纹与质量控制[M].天津：天津科学技术出版社，1985。

[3]钱昌黔主编耐热钢焊接.北京：水利电力出版社，1986。